淺析超聲波液位計(jì)在核電廠循環(huán)水液位測(cè)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(jì)的測(cè)量原理，以及超聲波液位計(jì)在核電廠循環(huán)水液位測(cè)量中的應(yīng)用、運(yùn)行及故障情況。

【關(guān)鍵詞】超聲波;液位計(jì);核電

1??核電廠循環(huán)水液位測(cè)量簡(jiǎn)介

核電廠的循環(huán)水從海邊取水口經(jīng)過隧道輸水至聯(lián)合泵房前池，經(jīng)過鼓形濾網(wǎng)提供給下游用戶。鼓形濾網(wǎng)設(shè)計(jì)為垂直安裝，主軸水平放置，水流流向?yàn)閮?nèi)進(jìn)外出，污物攔截于鼓形濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)，過濾的海水經(jīng)過鼓形濾網(wǎng)后的流道進(jìn)入下游取水口。

鼓形濾網(wǎng)的運(yùn)行方式由濾網(wǎng)前后的三套液位計(jì)控制，每套液位計(jì)共2臺(tái)，分別置于濾網(wǎng)前及濾網(wǎng)后，根據(jù)前后的液位計(jì)差值控制鼓形濾網(wǎng)的轉(zhuǎn)速切換。從設(shè)計(jì)多元化考慮，三套液位計(jì)選用2類測(cè)量原理：超聲波液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)。

2??超聲波液位計(jì)原理

超聲波液位計(jì)是運(yùn)用聲波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)的衰減、穿透能力和聲阻抗不同的性質(zhì)，在被測(cè)介質(zhì)界面上產(chǎn)生反射和折射的原理工作的，反射回波被探頭接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，所測(cè)距離與傳播時(shí)間成正比。

超聲波液位計(jì)在發(fā)射超聲波脈沖時(shí)，不能同時(shí)檢測(cè)反射回波。由于發(fā)射的超聲波脈沖具有一定的時(shí)間寬度，且發(fā)射完超聲波后換能器存在余振，期間不能檢測(cè)反射回波，造成探頭表面下的一小段區(qū)域內(nèi)的反射波與發(fā)射波重迭，無法識(shí)別，不能正常檢測(cè)，這一段區(qū)域稱為測(cè)量盲區(qū)，盲區(qū)的大小與超聲波液位計(jì)的量程有關(guān)。

3??現(xiàn)場(chǎng)使用及缺陷情況

自鼓形濾網(wǎng)投入運(yùn)行以來，現(xiàn)場(chǎng)多次出現(xiàn)超聲波液位計(jì)讀數(shù)異常，測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。而液位有波動(dòng)、跳變或死機(jī)導(dǎo)致鼓形濾網(wǎng)液位計(jì)信號(hào)不可用，且液位控制設(shè)備頻繁起?；蚩辙D(zhuǎn)將會(huì)造成設(shè)備損壞，不利于機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

深入分析超聲波液位計(jì)在循環(huán)水液位測(cè)量中故障率高，主要有以下幾點(diǎn)原因：

1）超聲波探頭入射空間位置狹小：

鼓形濾網(wǎng)后超聲波液位計(jì)安裝位置空間較小，狹小的空間會(huì)導(dǎo)致超聲波在傳輸過程中出現(xiàn)很多干擾回波。例如某次并無液位時(shí)，即空罐，罐底因?yàn)樾逼碌年P(guān)系，聲波被折射后并沒有返回探頭，所以無明顯罐底信號(hào)。而在全量程測(cè)量區(qū)域里卻有多個(gè)明顯的假信號(hào)，但此時(shí)在這些位置上并無任何障礙物體，且這些假信號(hào)會(huì)隨著液位的變化而發(fā)生幅值和位置的變化，進(jìn)而使測(cè)量信號(hào)容易被誤判。

這樣的波形并不是良好的，其產(chǎn)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(xiàn)在鼓形濾網(wǎng)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(xiàn)。

2）超聲波液位計(jì)安裝孔過長(zhǎng)：

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(jì)技術(shù)規(guī)范里對(duì)于傳感器的安裝短管要求是<520mm，從安裝短管直徑DN200開始（因?yàn)樘筋^本身直徑較大），傳感器探頭伸入短管內(nèi)安裝，在減去超聲波本身結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度145mm之后，其實(shí)際允許的安裝短管長(zhǎng)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(duì)稱的干擾回波。

而在循環(huán)水液位計(jì)測(cè)量中，安裝孔深度為1200mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了技術(shù)規(guī)范里對(duì)于傳感器所允許的安裝短管長(zhǎng)度。過長(zhǎng)的安裝短管會(huì)增加回波噪聲，在超聲波液位計(jì)的波形圖中呈現(xiàn)出很強(qiáng)的受噪聲干擾狀態(tài)：在超聲波液位計(jì)用來實(shí)時(shí)抑制一些小幅度波動(dòng)的干擾動(dòng)態(tài)抑制曲線中可以看到，當(dāng)回波信號(hào)強(qiáng)度超越儀表自動(dòng)計(jì)算得來的動(dòng)態(tài)抑制曲線時(shí)，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(nèi)不斷反射回彈。特別是當(dāng)液位上升起來之后，隨著液位越來越高，回波的強(qiáng)度也在增強(qiáng)，過長(zhǎng)的安裝短管造成的回波噪聲也在增強(qiáng)。

3）有多個(gè)大幅值干擾回波：

每臺(tái)機(jī)組中共有四臺(tái)超聲波液位計(jì)用來測(cè)量循環(huán)水液位，兩臺(tái)液位傳感器安裝在鼓形濾網(wǎng)前、兩臺(tái)液位傳感器安裝在鼓形濾網(wǎng)后。通過鼓形濾網(wǎng)前的傳感器波形特征可以看出：在真實(shí)液位之前，有2個(gè)回波信號(hào)，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(gè)回波信號(hào)的具體位置不會(huì)變化、且在當(dāng)其被液位覆蓋后，即當(dāng)真實(shí)液位達(dá)到并超過此距離時(shí)，這2個(gè)回波信號(hào)就消失了。

根據(jù)鼓形濾網(wǎng)剖面圖，在超聲波傳播的主通道上，由于安裝空間不夠，導(dǎo)致超聲波打到鼓形濾網(wǎng)的網(wǎng)片上，再由鼓形濾網(wǎng)網(wǎng)片反射回來，造成固定干擾回波。

4）低液位時(shí)時(shí)干擾較大：

從對(duì)其中一臺(tái)鼓形濾網(wǎng)前超聲波液位傳感器的分析來看，4個(gè)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(jì)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(shí)，探頭發(fā)出的超聲波會(huì)在此發(fā)生定向放射，無法返回到探頭處。所以在低液位時(shí)，沒有液位回波信號(hào)。并且干擾信號(hào)的位置及距離與其他幾臺(tái)超聲波液位計(jì)基本相同，每個(gè)回波之間間距相等，判定其是由于鼓形濾網(wǎng)網(wǎng)片的干擾產(chǎn)生的多次回波。

所以低液位時(shí)沒有正確的接收到回波信號(hào)，只有當(dāng)液位上升到水泥底部坡度以上時(shí)發(fā)射出去的聲波才能被正常接收到。

5）安裝區(qū)域水汽重

超聲波液位計(jì)安裝在循環(huán)水水室上方的腔體內(nèi)，由于海水的流速較快、流量較大，同時(shí)安裝位置位于地平面以下較為密閉的空間內(nèi)，通風(fēng)效果較差、悶熱潮濕，在介質(zhì)流動(dòng)過程中產(chǎn)生大量的水汽，導(dǎo)致在超聲波傳感器周圍長(zhǎng)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(jié)，凝露問題更為突出，而凝露會(huì)阻礙超聲波的發(fā)送、接收，造成非常強(qiáng)的干擾，導(dǎo)致循環(huán)水液位測(cè)量信號(hào)失效。

4??結(jié)論

超聲波液位計(jì)的在鼓形濾網(wǎng)前后測(cè)量的局限性是由其測(cè)量原理決定的，因超聲波液位計(jì)發(fā)射的是機(jī)械波，具有可壓縮性，易被周圍環(huán)境吸收;同時(shí)在安裝區(qū)域的凝露，水霧、粉塵都會(huì)阻礙超聲波的發(fā)射。另外超聲波液位計(jì)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(yù)制板的厚度會(huì)造成超聲波液位計(jì)原始噪音線過高，有效回波容易丟失。

參考文獻(xiàn)：

[1]?韓平.超聲波液位計(jì)在液位測(cè)量中的應(yīng)用[J].中國(guó)儀器儀表，2011，第3期：32～34.

（作者單位：海南核電有限公司）