基于超聲波的管道積液檢測方法研究*

衣 粟，張英杰，張國慶，吳 畏，孫洪彬，王培東

（山東省特種設備檢驗研究院有限公司，山東 濟南 250101）

1 概述

在石油、化工及天然氣等工業(yè)生產(chǎn)中需管道運輸氣體介質(zhì)[1]。然而由于管道周圍環(huán)境與管壁溫度不同會產(chǎn)生熱交換，致使管道內(nèi)的氣體析出液體產(chǎn)生積液[2-3]，進而使管道氣液比變小從而降低輸送效率，同時酸性積液會使管道發(fā)生電化學反應銹蝕管道，威脅健康的生產(chǎn)過程[4]。因此研究適宜可行的積液測量方法及清管方案對于管道運輸系統(tǒng)的安全運行具有重要意義。

目前液位的測量方法主要有電容式、浮子式、磁致伸縮式、雷達液位法及層析成像方法[5]。超聲波法相較于上述的方法具有非接觸式測量、環(huán)境影響小、對于腐蝕性液體的測量壽命長以及測量方便、價格低廉等優(yōu)勢。為此本文提出了基于超聲波的管道液位檢測方法，并在管道中開展了實驗。結(jié)果表明，本文提出的方法可以有效檢測管道內(nèi)的積液。

2 超聲波液位檢測原理

超聲波具有穿透能力強、可以在不同介質(zhì)的分界面產(chǎn)生反射的特點，采用脈沖回波法獲取液位信息[6]，通過非接觸的方式測量液位。超聲波液位檢測系統(tǒng)圖如圖1所示。

超聲波液位檢測原理為：利用超聲波系統(tǒng)驅(qū)動超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波；超聲波經(jīng)過管道外壁和積液傳播并會在積液表面反射被超聲波傳感器所接收。假定超聲波的聲速為v，超聲波在液體中的傳輸時間為t，則液位高度可表示為：

圖1 超聲波測量液位系統(tǒng)圖

通過公式（2-1）可知，當波速一定的情況下，液體的高度不同時，波在液體中的傳播時間不同，因此可以通過液面的回波時間實現(xiàn)液位高度的測量。系統(tǒng)可以對超聲波信號進行高速采樣與存儲，并利用閾值法對所采樣數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)數(shù)據(jù)中是否有積液的回波信號辨識管道內(nèi)積液狀況。

3 超聲波液位檢測系統(tǒng)設計

圖2 高壓驅(qū)動及超聲波發(fā)射電路圖

圖3 超聲波接收電路圖

硬件電路的功能模塊主要包括超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路。

3.1 超聲波發(fā)射電路設計

超聲波發(fā)射電路為超聲波傳感器提供高壓脈沖激勵信號，當該脈沖激勵信號作用于傳感器時，會使傳感器發(fā)生逆壓電效應進而產(chǎn)生超聲波。超聲波發(fā)射電路如圖2所示，整體設計思路為：2.5MHz的脈沖信號通過超聲波發(fā)射電路對PWM脈沖進行反向和升壓處理，得到一組高壓脈沖激勵信號作用于超聲波傳感器。

3.2 超聲波接收電路設計

超聲波接收電路的作用是通過對超聲波接收信號進行處理，提取有效信號而減小噪聲干擾，從而更好的實現(xiàn)對信號的采集。接收電路對接收信號進行限幅、放大、帶通濾波處理后，通過USB采集卡實現(xiàn)對信號的連續(xù)高速采集。信號放大電路和帶通濾波電路設計如圖3所示。信號放大電路可以提高信號的帶負載能力，帶通濾波的作用是抑制其他頻率的噪聲信號。

4 實驗研究與分析

4.1 實驗平臺搭建

實驗平臺主要包括液位檢測電路板、超聲波傳感器、測量管道、12V的開關電源、示波器、上位機等。實驗選用長2060mm，直徑500mm，壁厚10mm的水管作為待測容器，以水作為超聲波傳播的液體介質(zhì)進行實驗。

實驗通過向管道內(nèi)注水模擬管道積液，不斷增加液位高度進行數(shù)據(jù)采集與積液判斷。根據(jù)實驗測得無積液和有積液下信號圖分別如圖4（a）和（b）所示，由兩圖對比可以看出，在有積液的情況下，可以看到明顯的回波信號。

4.2 測試結(jié)果分析

在2.4cm范圍內(nèi)對多個液位高度進行測量，每一個液位高度下進行多次重復性測量實驗，實驗結(jié)果如表1所示。表格中第一列為液位實際高度值，其他各列中的數(shù)據(jù)為同液位高度下的3次等精度測量結(jié)果。

對表1中測量結(jié)果進行分析修正，首先計算得到每次測量結(jié)果的測量誤差，誤差分布圖如圖5所示。從圖中可以看出，在2.4cm的范圍內(nèi)所測的各液位值的測量誤差都在0.3cm以內(nèi)，該實驗結(jié)果顯示系統(tǒng)的測量精確度較高。

圖4 實驗測試信號圖

表1 液位測量實驗結(jié)果

圖5 測量誤差分布圖

進一步，利用標準偏差分析系統(tǒng)的測量不確定度。首先，計算得到每個液位下測量結(jié)果的算術平均值xˉ。

計算結(jié)果如表2所示，系統(tǒng)單次測量結(jié)果偏離算術平均值很小，即系統(tǒng)可重復性好，測量不確定度低。

表2 液位測量性能指標分析

5 結(jié)束語

本文提出了基于超聲波的管道積液檢測方法。設計開發(fā)了超聲波系統(tǒng)，通過對管道內(nèi)的液位進行測量，結(jié)果表明提出的方法可以實現(xiàn)液位的非接觸測量，并且經(jīng)過多組對比試驗證明該系統(tǒng)方法具有較好的穩(wěn)定性。