基于超聲波的管道積液檢測(cè)方法研究*

衣 粟，張英杰，張國(guó)慶，吳 畏，孫洪彬，王培東

（山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院有限公司，山東 濟(jì)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(yùn)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(huì)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(jìn)而使管道氣液比變小從而降低輸送效率，同時(shí)酸性積液會(huì)使管道發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)銹蝕管道，威脅健康的生產(chǎn)過(guò)程[4]。因此研究適宜可行的積液測(cè)量方法及清管方案對(duì)于管道運(yùn)輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。

目前液位的測(cè)量方法主要有電容式、浮子式、磁致伸縮式、雷達(dá)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(cè)量、環(huán)境影響小、對(duì)于腐蝕性液體的測(cè)量壽命長(zhǎng)以及測(cè)量方便、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。為此本文提出了基于超聲波的管道液位檢測(cè)方法，并在管道中開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，本文提出的方法可以有效檢測(cè)管道內(nèi)的積液。

2 超聲波液位檢測(cè)原理

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

超聲波液位檢測(cè)原理為：利用超聲波系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波；超聲波經(jīng)過(guò)管道外壁和積液傳播并會(huì)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(shí)間為t，則液位高度可表示為：

圖1 超聲波測(cè)量液位系統(tǒng)圖

通過(guò)公式（2-1）可知，當(dāng)波速一定的情況下，液體的高度不同時(shí)，波在液體中的傳播時(shí)間不同，因此可以通過(guò)液面的回波時(shí)間實(shí)現(xiàn)液位高度的測(cè)量。系統(tǒng)可以對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行高速采樣與存儲(chǔ)，并利用閾值法對(duì)所采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)據(jù)中是否有積液的回波信號(hào)辨識(shí)管道內(nèi)積液狀況。

3 超聲波液位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 高壓驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)

超聲波發(fā)射電路為超聲波傳感器提供高壓脈沖激勵(lì)信號(hào)，當(dāng)該脈沖激勵(lì)信號(hào)作用于傳感器時(shí)，會(huì)使傳感器發(fā)生逆壓電效應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生超聲波。超聲波發(fā)射電路如圖2所示，整體設(shè)計(jì)思路為：2.5MHz的脈沖信號(hào)通過(guò)超聲波發(fā)射電路對(duì)PWM脈沖進(jìn)行反向和升壓處理，得到一組高壓脈沖激勵(lì)信號(hào)作用于超聲波傳感器。

3.2 超聲波接收電路設(shè)計(jì)

超聲波接收電路的作用是通過(guò)對(duì)超聲波接收信號(hào)進(jìn)行處理，提取有效信號(hào)而減小噪聲干擾，從而更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集。接收電路對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行限幅、放大、帶通濾波處理后，通過(guò)USB采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的連續(xù)高速采集。信號(hào)放大電路和帶通濾波電路設(shè)計(jì)如圖3所示。信號(hào)放大電路可以提高信號(hào)的帶負(fù)載能力，帶通濾波的作用是抑制其他頻率的噪聲信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)研究與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括液位檢測(cè)電路板、超聲波傳感器、測(cè)量管道、12V的開(kāi)關(guān)電源、示波器、上位機(jī)等。實(shí)驗(yàn)選用長(zhǎng)2060mm，直徑500mm，壁厚10mm的水管作為待測(cè)容器，以水作為超聲波傳播的液體介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)向管道內(nèi)注水模擬管道積液，不斷增加液位高度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與積液判斷。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得無(wú)積液和有積液下信號(hào)圖分別如圖4（a）和（b）所示，由兩圖對(duì)比可以看出，在有積液的情況下，可以看到明顯的回波信號(hào)。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

在2.4cm范圍內(nèi)對(duì)多個(gè)液位高度進(jìn)行測(cè)量，每一個(gè)液位高度下進(jìn)行多次重復(fù)性測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表格中第一列為液位實(shí)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(cè)量結(jié)果。

對(duì)表1中測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析修正，首先計(jì)算得到每次測(cè)量結(jié)果的測(cè)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(cè)的各液位值的測(cè)量誤差都在0.3cm以內(nèi)，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示系統(tǒng)的測(cè)量精確度較高。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試信號(hào)圖

表1 液位測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 測(cè)量誤差分布圖

進(jìn)一步，利用標(biāo)準(zhǔn)偏差分析系統(tǒng)的測(cè)量不確定度。首先，計(jì)算得到每個(gè)液位下測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值xˉ。

計(jì)算結(jié)果如表2所示，系統(tǒng)單次測(cè)量結(jié)果偏離算術(shù)平均值很小，即系統(tǒng)可重復(fù)性好，測(cè)量不確定度低。

表2 液位測(cè)量性能指標(biāo)分析

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于超聲波的管道積液檢測(cè)方法。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了超聲波系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)管道內(nèi)的液位進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明提出的方法可以實(shí)現(xiàn)液位的非接觸測(cè)量，并且經(jīng)過(guò)多組對(duì)比試驗(yàn)證明該系統(tǒng)方法具有較好的穩(wěn)定性。