淺析超聲波液位計在核電廠循環水液位測量中的局限性

李樹玲 汪文耀 馮燈

【摘?要】本文著重介紹了超聲波液位計的測量原理，以及超聲波液位計在核電廠循環水液位測量中的應用、運行及故障情況。

【關鍵詞】超聲波;液位計;核電

1??核電廠循環水液位測量簡介

核電廠的循環水從海邊取水口經過隧道輸水至聯合泵房前池，經過鼓形濾網提供給下游用戶。鼓形濾網設計為垂直安裝，主軸水平放置，水流流向為內進外出，污物攔截于鼓形濾網內側，過濾的海水經過鼓形濾網后的流道進入下游取水口。

鼓形濾網的運行方式由濾網前后的三套液位計控制，每套液位計共2臺，分別置于濾網前及濾網后，根據前后的液位計差值控制鼓形濾網的轉速切換。從設計多元化考慮，三套液位計選用2類測量原理：超聲波液位計、靜壓式液位計。

2??超聲波液位計原理

超聲波液位計是運用聲波在不同介質中傳播時的衰減、穿透能力和聲阻抗不同的性質，在被測介質界面上產生反射和折射的原理工作的，反射回波被探頭接收并轉換成電信號，所測距離與傳播時間成正比。

超聲波液位計在發射超聲波脈沖時，不能同時檢測反射回波。由于發射的超聲波脈沖具有一定的時間寬度，且發射完超聲波后換能器存在余振，期間不能檢測反射回波，造成探頭表面下的一小段區域內的反射波與發射波重迭，無法識別，不能正常檢測，這一段區域稱為測量盲區，盲區的大小與超聲波液位計的量程有關。

3??現場使用及缺陷情況

自鼓形濾網投入運行以來，現場多次出現超聲波液位計讀數異常，測量數據不穩定。而液位有波動、跳變或死機導致鼓形濾網液位計信號不可用，且液位控制設備頻繁起停或空轉將會造成設備損壞，不利于機組的安全穩定運行。

深入分析超聲波液位計在循環水液位測量中故障率高，主要有以下幾點原因：

1）超聲波探頭入射空間位置狹小：

鼓形濾網后超聲波液位計安裝位置空間較小，狹小的空間會導致超聲波在傳輸過程中出現很多干擾回波。例如某次并無液位時，即空罐，罐底因為斜坡的關系，聲波被折射后并沒有返回探頭，所以無明顯罐底信號。而在全量程測量區域里卻有多個明顯的假信號，但此時在這些位置上并無任何障礙物體，且這些假信號會隨著液位的變化而發生幅值和位置的變化，進而使測量信號容易被誤判。

這樣的波形并不是良好的，其產生的主要原因是由于安裝空間狹小引起的，而這種情況多出現在鼓形濾網后安裝位置，同樣在其他位置上安裝的超聲波探頭，因下方空間較大，并無此干擾波形出現。

2）超聲波液位計安裝孔過長：

在樓板上開有水泥孔，超聲波傳感器安裝在此水泥孔上方，傳感器膜片與水泥孔上表面平行，在超聲波液位計技術規范里對于傳感器的安裝短管要求是<520mm，從安裝短管直徑DN200開始（因為探頭本身直徑較大），傳感器探頭伸入短管內安裝，在減去超聲波本身結構長度145mm之后，其實際允許的安裝短管長度需要<375mm，且底部最好為45°斜角，一方面增大接收回波面積，另一方面可以抑制對稱的干擾回波。

而在循環水液位計測量中，安裝孔深度為1200mm，遠遠超越了技術規范里對于傳感器所允許的安裝短管長度。過長的安裝短管會增加回波噪聲，在超聲波液位計的波形圖中呈現出很強的受噪聲干擾狀態：在超聲波液位計用來實時抑制一些小幅度波動的干擾動態抑制曲線中可以看到，當回波信號強度超越儀表自動計算得來的動態抑制曲線時，就有可能被判斷為液位回波。

這些干擾多來自于聲波在安裝短管內不斷反射回彈。特別是當液位上升起來之后，隨著液位越來越高，回波的強度也在增強，過長的安裝短管造成的回波噪聲也在增強。

3）有多個大幅值干擾回波：

每臺機組中共有四臺超聲波液位計用來測量循環水液位，兩臺液位傳感器安裝在鼓形濾網前、兩臺液位傳感器安裝在鼓形濾網后。通過鼓形濾網前的傳感器波形特征可以看出：在真實液位之前，有2個回波信號，分別位于距離傳感器大致8000mm和10000mm處。而且隨著液位提升這2個回波信號的具體位置不會變化、且在當其被液位覆蓋后，即當真實液位達到并超過此距離時，這2個回波信號就消失了。

根據鼓形濾網剖面圖，在超聲波傳播的主通道上，由于安裝空間不夠，導致超聲波打到鼓形濾網的網片上，再由鼓形濾網網片反射回來，造成固定干擾回波。

4）低液位時時干擾較大：

從對其中一臺鼓形濾網前超聲波液位傳感器的分析來看，4個干擾回波分別位于距離傳感器大致7500mm;9500mm，11500mm和13500mm處。由于在超聲波液位計安裝位置的下方，即池底部有一定的傾斜角度，在液位較低時，探頭發出的超聲波會在此發生定向放射，無法返回到探頭處。所以在低液位時，沒有液位回波信號。并且干擾信號的位置及距離與其他幾臺超聲波液位計基本相同，每個回波之間間距相等，判定其是由于鼓形濾網網片的干擾產生的多次回波。

所以低液位時沒有正確的接收到回波信號，只有當液位上升到水泥底部坡度以上時發射出去的聲波才能被正常接收到。

5）安裝區域水汽重

超聲波液位計安裝在循環水水室上方的腔體內，由于海水的流速較快、流量較大，同時安裝位置位于地平面以下較為密閉的空間內，通風效果較差、悶熱潮濕，在介質流動過程中產生大量的水汽，導致在超聲波傳感器周圍長期存在大量的凝露、水霧，尤其是在外界空氣濕度也較大的季節，凝露問題更為突出，而凝露會阻礙超聲波的發送、接收，造成非常強的干擾，導致循環水液位測量信號失效。

4??結論

超聲波液位計的在鼓形濾網前后測量的局限性是由其測量原理決定的，因超聲波液位計發射的是機械波，具有可壓縮性，易被周圍環境吸收;同時在安裝區域的凝露，水霧、粉塵都會阻礙超聲波的發射。另外超聲波液位計安裝在水泥蓋板下方，傳感器膜片與水泥孔上表面平行，而水泥預制板的厚度會造成超聲波液位計原始噪音線過高，有效回波容易丟失。

參考文獻：

[1]?韓平.超聲波液位計在液位測量中的應用[J].中國儀器儀表，2011，第3期：32～34.

（作者單位：海南核電有限公司）