超聲波液位計(jì)因其安裝方便、經(jīng)濟(jì)、測量精度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域的液位測量，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)對液位進(jìn)行測量。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)，較大工作壓力達(dá)到了 1． 5 kPa。由于在西門子的選型樣本上未明確壓力對 ST-H 超聲波換能器測量精度的影響，而廠家卻承諾較大壓力達(dá)到 5 kPa對儀表的測量性能沒有影響。為了驗(yàn)證可靠性，搭建了簡 單 的 壓 力 試 驗(yàn) 臺 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，檢測西門子超聲波液位計(jì)的測量精度。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． 1 試驗(yàn)?zāi)康?/div>
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介質(zhì)表面被反射回來，部分反射回波被同一換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信號。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］:
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、壓力對測量的影響較大，因此一般不適用于高溫或帶壓力環(huán)境的液位測量［6］。特別是超聲波是通過壓電物質(zhì)的振動(dòng)來發(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量常壓的液位。由于核電項(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)境下測量值和實(shí)際液位值之間的誤差，從而判斷環(huán)境壓力對換能器的性能影響［7-9］。
1． 2 試驗(yàn)方法及配置
將兩個(gè)測量管連接在一起，形成一個(gè)連通器。在其中一個(gè)測量管上安裝超聲波換能器，另一個(gè)測量筒中安裝磁致伸縮液位計(jì)。在常壓條件下，通過閥門連接一個(gè)玻璃管液位計(jì)，用于比對測量管內(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)測量讀數(shù)。
在測試的過程中，先將液位調(diào)整到需要測量的位置，再通過過濾減壓閥將壓縮空氣送入測量管內(nèi)，由壓力變送器來測量氣相部分的壓力。在達(dá)到某個(gè)壓力的條件下，測量超聲波測量的讀數(shù)和回波曲線，用于判斷精度和信號的強(qiáng)弱變化等情況。
測試環(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; 測量介質(zhì)為水; 測量儀表為超聲波液位變送器 LUT420 + ST-H 。測量的精度指標(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 的測量精度為 0． 2% 。磁致伸縮液位計(jì) UAT100 的精度等級為 ± 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) 按照圖紙裝配好所有的設(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) 氣密性測試，通過過濾減壓閥，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)，將較低點(diǎn)統(tǒng)一為 30 mm; 將超聲波液位計(jì)的較低液位讀數(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( 測量范圍 1 492 mm) 。
( 5) 差壓條件下的測試。
① 將液位調(diào)節(jié)至測量零點(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)下行程測試。
( 6) 壓力為 0． 5 kPa 的條件測試，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 的條件測試。測試的方法按照步驟( 6) 的操作，需要記錄上、下行程的數(shù)據(jù)。
( 8) 壓力為 5 kPa 的條件測試。測試的方法按照步驟( 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)測試，測試至 7． 5 kPa。如果變化量超過 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)測試 3 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較大 的一組數(shù)據(jù)。誤差分析及重復(fù)性如表 1 所示。
分析誤差結(jié)果得出: 在距離換能器較近的點(diǎn)產(chǎn)生的測量誤差較大，這與超聲波液位計(jì)測量原理有關(guān)。由于距離較近使得測量產(chǎn)生了雜波，導(dǎo)致測量讀數(shù)存在較大的偏差［10］。但是從數(shù)據(jù)看，其重復(fù)性較好，而且不同壓力測點(diǎn)下誤差和重復(fù)性幾乎相近，所以可以判斷測量誤差幾乎與壓力變化無直接關(guān)系。剔除距離換能器較近的測量點(diǎn)后，將磁致伸縮液位計(jì)的測量精度等級定為 ± 3 mm。考慮到超聲波液位計(jì)誤差，計(jì)算精度得出 5 個(gè)壓力點(diǎn)下，上、下行程測量精度誤差如表 2 所示。
3 結(jié)束語
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 量 精 度 較 大 為0. 72% ，下行程平均測量精度為 0． 63% ，滿足設(shè)計(jì)要求的 ± 2． 5% 精度指數(shù)。數(shù)據(jù)分析表明，隨著環(huán)境壓力增大，儀表的測量精度沒有因?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)信號失真等嚴(yán)重問題，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，為今后核電項(xiàng)目中的、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)。
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