壓力對(duì)西門子超聲波液位計(jì)測(cè)量精度的影響

劉 超

(福陸(中國(guó))工程建設(shè)有限公司，上海 200241)

0 引言

超聲波液位計(jì)因其安裝方便、經(jīng)濟(jì)、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域的液位測(cè)量，特別是在水和污水的處理工藝中。但是大部分的應(yīng)用都是在常溫、常壓、敞口的容器中[1-3]。在某核電項(xiàng)目中，一些密閉、帶正壓的罐體設(shè)計(jì)選用了西門子LUT400系列分體式超聲波液位計(jì)對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量。在固體廢液系統(tǒng)(waste solid system,WSS)系統(tǒng)中，廢樹脂罐體上的超聲波液位計(jì)，最大工作壓力達(dá)到了1.5 kPa。由于在西門子的選型樣本上未明確壓力對(duì)ST-H超聲波換能器測(cè)量精度的影響，而廠家卻承諾最大壓力達(dá)到5 kPa對(duì)儀表的測(cè)量性能沒有影響。為了驗(yàn)證可靠性，搭建了簡(jiǎn)單的壓力試驗(yàn)臺(tái)架，分別在常壓、 0.5 kPa、1.5 kPa、3 kPa、5 kPa、7.5 kPa壓力環(huán)境下，檢定西門子超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度。該研究也為今后核電項(xiàng)目的選型提供有力的實(shí)踐依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

超聲波液位計(jì)的工作原理是：由換能器(探頭)發(fā)出高頻超聲波脈沖遇到被測(cè)介質(zhì)表面被反射回來(lái)，部分反射回波被同一換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波脈沖以聲波速度傳播，從發(fā)射到接收到超聲波脈沖所需時(shí)間間隔與換能器到被測(cè)介質(zhì)表面的距離成正比。此距離值S、聲速C和傳輸時(shí)間T之間的關(guān)系可以表示為[4-5]：

(1)

超聲波是一種機(jī)械波，遇到大密度(氣-液-固)變化界面發(fā)生反射，傳播介質(zhì)的溫度、壓力對(duì)測(cè)量的影響較大，因此一般不適用于高溫或帶壓力環(huán)境的液位測(cè)量[6]。特別是超聲波是通過(guò)壓電物質(zhì)的振動(dòng)來(lái)發(fā)射的，壓力太大時(shí)發(fā)聲部件會(huì)受影響。所以通常情況下，超聲波液位計(jì)用于敞口容器或水渠上測(cè)量常壓的液位。由于在核電項(xiàng)目中，在一些微正壓的容器內(nèi)選用了超聲波液位計(jì)，實(shí)際生產(chǎn)中也未出現(xiàn)問(wèn)題。為了進(jìn)一步驗(yàn)證探頭耐壓的能力，給今后項(xiàng)目提供更充分的選型依據(jù)，設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)，檢測(cè)西門子超聲波換能器ST-H在幾組微正壓的壓力環(huán)境下測(cè)量值和實(shí)際液位值之間的誤差，從而判斷環(huán)境壓力對(duì)換能器的性能影響[7-9]。

1.2 試驗(yàn)方法及配置

將兩個(gè)測(cè)量管連接在一起，形成一個(gè)連通器。在其中一個(gè)測(cè)量管上安裝超聲波換能器，另一個(gè)測(cè)量筒中安裝磁致伸縮液位計(jì)。在常壓條件下，通過(guò)閥門連接一個(gè)玻璃管液位計(jì)，用于比對(duì)測(cè)量管內(nèi)液位的實(shí)際液面高度，以便矯正磁致伸縮液位計(jì)和超聲液位計(jì)測(cè)量讀數(shù)。

在測(cè)試的過(guò)程中，先將液位調(diào)整到需要測(cè)量的位置，再通過(guò)過(guò)濾減壓閥將壓縮空氣送入測(cè)量管內(nèi)，由壓力變送器來(lái)測(cè)量氣相部分的壓力。在達(dá)到某個(gè)壓力的條件下，測(cè)試超聲波測(cè)量的讀數(shù)和回波曲線， 用于判斷精度和信號(hào)的強(qiáng)弱變化等情況。

測(cè)試環(huán)境條件為環(huán)境溫度：20℃ (超聲波的換能器的溫度為 27 ℃)；環(huán)境壓力為大氣壓；測(cè)量介質(zhì)為水；測(cè)量?jī)x表為超聲波液位變送器 LUT420+ST-H 。

測(cè)量的精度指標(biāo)：±[1+0.17%(FS)]mm ；超聲波換能器的工作頻率為44 kHz。

其他參考儀表如下。壓力變送器MD3051的測(cè)量精度為0.2%。磁致伸縮液位計(jì)UAT100的精度等級(jí)為±3 mm，重復(fù)性為1 mm。玻璃管液位計(jì)的刻度精度為±1 mm。

1.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟如下。

(1) 按照?qǐng)D紙裝配好所有的設(shè)備，包括聯(lián)通器支架、三通、氣源、壓力變送器、磁致伸縮液位計(jì)以及超聲波換能器。

(2) 氣密性測(cè)試，通過(guò)過(guò)濾減壓閥，將輸出的壓力調(diào)節(jié)至1.5 kPa，保持1 h，壓力保持不變。

(3) 通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥門、排氣閥門、進(jìn)水閥門、排水閥門，確認(rèn)各個(gè)閥門工作正常，且便于調(diào)整。

(4) 將進(jìn)氣閥關(guān)閉，將玻璃管與磁翻板的閥門聯(lián)通，測(cè)試并記錄在常壓條件下內(nèi)外液面的差異；調(diào)整磁致伸縮液位計(jì)的讀數(shù)，使之與玻璃管液位計(jì)的讀數(shù)一致。在測(cè)試中，由于玻璃管的零點(diǎn)位置更低，調(diào)整磁致伸縮液位計(jì)的讀數(shù)，將最低點(diǎn)統(tǒng)一為 30 mm；將超聲波液位計(jì)的最低液位讀數(shù)也統(tǒng)一為30 mm。超聲波液位計(jì)的參數(shù)設(shè)定如下：低標(biāo)定點(diǎn)1 818 mm，高標(biāo)定點(diǎn)326 mm(測(cè)量范圍1 492 mm)。

(5) 差壓條件下的測(cè)試。

① 將液位調(diào)節(jié)至測(cè)量零點(diǎn)(距離換能器表面1 788 mm)，再次確認(rèn)玻璃管、磁致伸縮液位計(jì)、超聲波液位計(jì)的讀數(shù)，記錄超聲波的距離數(shù)據(jù)、液位距離、玻璃管的液位距離，以及磁致伸縮液位計(jì)的數(shù)據(jù)。② 將液位調(diào)整到距離探頭947 mm的位置，記錄4個(gè)數(shù)據(jù)。③ 將液位調(diào)整到距離探頭335 mm的位置，記錄4個(gè)數(shù)據(jù)。④ 重復(fù)下行程測(cè)試。

(6) 壓力為0.5 kPa的條件測(cè)試，關(guān)閉玻璃管的聯(lián)通閥門。

① 將液位調(diào)整到0，調(diào)節(jié)過(guò)濾減壓閥的開度直到壓力變送器的讀數(shù)穩(wěn)定在0.5 kPa。如果壓力變送器讀數(shù)偏大，關(guān)閉進(jìn)氣閥門，通過(guò)調(diào)節(jié)針閥緩慢地將調(diào)低氣壓，直到壓力變送器的示值非常接近0.5 kPa。穩(wěn)定1 min，確保壓力變送器的讀數(shù)穩(wěn)定后再進(jìn)行讀數(shù)，記錄超聲波液位計(jì)和磁致伸縮液位計(jì)的讀數(shù)。② 將液位調(diào)整至距離探頭947 mm的位置， 然后將氣壓調(diào)至0.5 kPa，直到讀數(shù)穩(wěn)定。液位變化的過(guò)程中氣壓會(huì)發(fā)生變化，必須重新調(diào)節(jié)。③ 將液位調(diào)整至距離探頭0.335 m的位置，然后將氣壓調(diào)至0.5 kPa，直到讀數(shù)穩(wěn)定。液位變化的過(guò)程中氣壓會(huì)發(fā)生變化，必須重新調(diào)節(jié)。④ 下行程的操作與前面的步驟一致。

(7) 壓力為1.5 kPa的條件測(cè)試。

測(cè)試的方法按照步驟(6)的操作，需要記錄上、下行程的數(shù)據(jù)。

(8) 壓力為5 kPa條件如上同樣測(cè)試。測(cè)試的方法按照步驟(6)的操作，需要記錄上、下行程的數(shù)據(jù)。

(9) 如果讀數(shù)的偏差值在1%以內(nèi)繼續(xù)測(cè)試，測(cè)試至7.5 kPa。如果變化量超過(guò)5%，判定為不能繼續(xù)正常工作，記錄壓力讀數(shù)，分析差異的問(wèn)題。

(10) 完成試驗(yàn)并整理數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)分析

在0 kPa、0.5 kPa、1.5 kPa、3 kPa、5 kPa和7.5 kPa這幾組壓力下，每個(gè)壓力點(diǎn)測(cè)試三次，取每個(gè)壓力點(diǎn)下ST-H換能器與玻璃管和磁致伸縮液位之間誤差最大的一組數(shù)據(jù)。誤差分析及重復(fù)性如表1所示。

表1 誤差分析及重復(fù)性

Tab.1 Error analysis and repeatability

分析誤差結(jié)果得出：在距離換能器最近的點(diǎn)產(chǎn)生的測(cè)量誤差最大，這與超聲波液位計(jì)測(cè)量原理有關(guān)。由于距離較近使得測(cè)量產(chǎn)生了雜波，導(dǎo)致的測(cè)量讀數(shù)存在較大的偏差[10]。但是從數(shù)據(jù)看重復(fù)性較好，而且不同壓力測(cè)點(diǎn)下誤差和重復(fù)性幾乎相近，所以可以判斷測(cè)量誤差幾乎與壓力變化無(wú)直接關(guān)系。

剔除距離換能器最近的測(cè)量點(diǎn)后，將磁致伸縮液位計(jì)的測(cè)量精度等級(jí)定為±3 mm。考慮到超聲波液位計(jì)誤差，計(jì)算精度得出五個(gè)壓力點(diǎn)下，上、下行程各自的平均誤差如表2所示。

表2 上、下行程測(cè)量精度

3 結(jié)束語(yǔ)

從試驗(yàn)結(jié)果分析，西門子LUT400系列分體式超聲波液位計(jì)工作壓力在0～7.5 kPa范圍內(nèi)能正常使用，且壓力環(huán)境下上行程的平均測(cè)量精度最大為0.72%，下行程平均測(cè)量精度為0.63%，滿足設(shè)計(jì)要求的±2.5%精度指數(shù)。從數(shù)據(jù)分析表明，隨著環(huán)境壓力增大，儀表的測(cè)量精度沒有因?yàn)榄h(huán)境壓力增大而相應(yīng)地增大誤差，其本身的換能器ST-H能在密閉的微正壓環(huán)境下使用，未出現(xiàn)信號(hào)失真等嚴(yán)重問(wèn)題，并能保證性能完整性。這充分證明了超聲波液位計(jì)能在環(huán)境壓力一定的情況下正常使用，為今后的核電項(xiàng)目中對(duì)于工作壓力在7.5 kPa范圍內(nèi)的工程應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。