本文重點(diǎn)闡述的是法國GMP生產(chǎn)的智能超聲波液位計(jì)在核電廠主回路熱管道水位測量的應(yīng)用，其中包括超聲波液位計(jì)的測量原理、系統(tǒng)組成，安裝注意事項(xiàng)、使用說明等具體內(nèi)容.通過本文的介紹，讓更多的儀表工作者了解到超聲波液位計(jì)這一新型測量儀表在核電廠儀拉系統(tǒng)的應(yīng)用。

    秦山第二核電廠總共有4臺(tái)650MW的壓水堆機(jī)組。每臺(tái)機(jī)組的反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)(RCP)由并聯(lián)到反應(yīng)堆壓力容器的兩條相同的傳熱環(huán)路組成，其中每條環(huán)路由一臺(tái)冷卻劑主泵、一臺(tái)蒸汽發(fā)生器以及相應(yīng)的管道、閥門組成，而連接壓力容器出口和蒸發(fā)器入口之間的管道俗稱為熱管道。秦山二期的熱管道的水位測量采用的是法國MGP公司生產(chǎn)的一套超聲波液位智能測量系統(tǒng)，本文將分別闡述該智能系統(tǒng)的測量原理、結(jié)構(gòu)組成以及使用方法，為sccsb超聲彼液位計(jì)在電廠的推廣做使用借鑒。

1 超聲波液位計(jì)的測量原理及其應(yīng)用
1.1 超聲式傳感器的基本理論介紹
        聲波是一種機(jī)械波。聲的發(fā)生是由于發(fā)聲物體的機(jī)械振動(dòng)引起周圍彈性介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)由近及遠(yuǎn)的傳播，這就是聲波。聲波的頻率高低不同，頻率超過 20000HZ 的叫超聲波，而頻率低于 20Hz 的叫次聲波。超聲波的頻率zui高可達(dá) 10 11 Hz。超聲波傳感器是近年來發(fā)展起來的新型傳感器，可廣泛應(yīng)用于非接觸性測量的場合，如液體界面檢測、流量測量，水下作業(yè)、煤煙濃度、積雪厚度監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域，而秦山二廠熱管道水位的測量就是三暢超聲波傳感器在液位測量中的典型應(yīng)用。
1.1.1 超聲波的發(fā)生
        超聲波是由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的。超聲波發(fā)生器主要是電聲型，它是將電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。其結(jié)構(gòu)分為兩部分：一部分是產(chǎn)生高頻電流或電壓的電源；另一部分是換能器，他的作用是將電磁振蕩變換成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波。
        壓電式換能器：某些晶體受到外力作用發(fā)生形變時(shí)，在它的表面上會(huì)出現(xiàn)電荷，這種效應(yīng)稱之為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電晶體。壓電效應(yīng)是可逆的，逆壓電效應(yīng)就是在晶體切片的兩對(duì)面上加交變電場（或電壓），晶體切片就產(chǎn)生伸長與縮短現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫電致伸縮。
        而壓電式換能器就是利用電致伸縮現(xiàn)象制成的，在壓電材料切片上施加交變電壓，使它產(chǎn)生電致伸縮振動(dòng)而產(chǎn)生超聲波。根據(jù)共振原理，當(dāng)外加交變電壓頻率等于晶片的固有頻率時(shí)，產(chǎn)生共振，這時(shí)產(chǎn)生的超聲波zui強(qiáng)。
1.1.2 超聲波的接收
        在超聲波技術(shù)中，除了需要能產(chǎn)生一定的頻率和強(qiáng)度的超聲波發(fā)生器以外，還需要能接收超聲波的接收器。壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。當(dāng)超聲波作用到壓電晶片上時(shí)，使晶片伸縮，在晶片上的兩個(gè)界面上變產(chǎn)生交變電荷。這種電荷先被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)過放大后送到測量電路，zui后記錄或顯示出結(jié)果。他的結(jié)構(gòu)和超聲波發(fā)生器基本相同，有時(shí)就用同一個(gè)換能器兼作發(fā)生器和接收器兩種用途。秦山二廠的超聲波液位計(jì)探頭采用的就是同一個(gè)壓電換能器，兼作發(fā)生器和接收器兩種功能。
1.2 超聲波液位計(jì)主管道液位測量中的應(yīng)用
        物位檢測面臨的對(duì)象不同，檢測條件和檢測環(huán)境也不相同，檢測方法很多，歸納起來主要有直讀式、靜壓式、浮力式、聲學(xué)式、光學(xué)式等幾種。其中超聲波物位傳感器屬于聲學(xué)式的一種，利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。超聲波液位測量有許多優(yōu)點(diǎn) ： 它不僅能夠定點(diǎn)和連續(xù)測液位,而且能方便地提供遙測或遙控所需的信號(hào)。
        與其他測位技術(shù)相比，它不需要特別防護(hù)，安裝和維護(hù)較方便， 而且結(jié)構(gòu)、 方法都較簡單。超聲波液位測量的方法有很多，如脈沖回波法、共振法、頻差法以及聲衰減法。其
中應(yīng)用zui廣泛的是脈沖回波法。它的基本工作原理是：超聲換能器由脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)出超聲波，聲波在介質(zhì)中傳播到達(dá)液面時(shí)，經(jīng)液面反射形成發(fā)射波，再經(jīng)介質(zhì)傳播返回到換能器，換能器把聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由二次儀表測出超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，再根據(jù)介質(zhì)中超聲波傳播速度和換能器的安裝高度，就可計(jì)算液位高度。
2 超聲波液位計(jì)測量系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和使用方法
2.1 測量系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
        秦山第二核電廠采用的三暢超聲波液位計(jì)測量系統(tǒng)主要由探頭安裝支撐件，壓電式超聲波傳感器探頭，就地連接單元，過程處理單元，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)顯示儀以及各部分連接電纜組成。本套SC智能超聲波液位計(jì)測量系統(tǒng)是用來測量一回路主管道排水時(shí)主管道內(nèi)水位的顯示，實(shí)時(shí)反應(yīng)主管道內(nèi)水位的高度，為運(yùn)行人員提供參考，尤其是十年安全殼打壓期間需要一回路水位排的盡量低以保障安全殼打壓試驗(yàn)更順利進(jìn)行，因此該液位計(jì)承擔(dān)著及其重要的作用。
2.1.1 壓電式超聲波傳感器探頭
        超聲波傳感器探頭是本套測量系統(tǒng)的核心部件，它的好壞直接決定了測量系統(tǒng)能否正常使用，超聲波探頭通過一個(gè)支撐組件垂直于主管道的水平面安裝在主管道的表面上。
機(jī)組正常運(yùn)行期間，維修人員需要拆下現(xiàn)場的超聲波探頭以防止主管道溫度過高導(dǎo)致超聲波探頭失效的情況出現(xiàn)（超聲波可測量的zui高溫度不超過 70℃）。
        在探頭的安裝過程中，要保持探頭的安裝方向與管道的水平方向絕對(duì)垂直，同時(shí)在壓電式傳感器的表面要涂抹上均勻的聲耦合劑以保證探頭的信號(hào)能正常的發(fā)送接收，同時(shí)在探頭安裝前保證管道的接觸面清潔沒有雜質(zhì)。
其中超聲波傳感器接收過程處理單元提供高頻勵(lì)磁脈沖信號(hào)然后把這些脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波信號(hào)。同時(shí)超聲波信號(hào)從管道表面和冷卻劑表面反射回來的信號(hào)通過傳感器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)送到過程處理單元進(jìn)行分析和處理。
2.1.2 過程處理單元
        過程處理單元承擔(dān)了超聲波液位計(jì)測量系統(tǒng)的信號(hào)分析，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)輸出等過程內(nèi)容。通過連續(xù)測量的方式實(shí)現(xiàn)以下的功能：
        （1）液位數(shù)據(jù)即時(shí)顯示（每秒刷新一次數(shù)據(jù)）。
        （2）提供兩個(gè)繼電器輸出報(bào)警分別對(duì)應(yīng)成“高水位"和“低水位"。
        （3） 提供4-20mA或者0-20mA電流輸出。
        （4）提供 RS232 接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
        （5）通過內(nèi)部的繼電器電路實(shí)時(shí)跟蹤探頭是否安裝，并提供相應(yīng)的報(bào)警。
        （6）提供設(shè)備故障的報(bào)警信息。
過程處理單元主要由處理模塊，MADC組件，鍵盤輸入 / 顯示模塊，電源分配模塊以及算法軟件等幾個(gè)單元模塊組成
2.2 超聲波液位計(jì)測量系統(tǒng)的使用
        在超聲波液位測量系統(tǒng)投運(yùn)之前需要確認(rèn)以下幾點(diǎn)工作內(nèi)容 , 確認(rèn)無誤后方能執(zhí)行后續(xù)的系統(tǒng)投運(yùn)工作以保證測量工作的有效性。
        （1）主管道的保溫層已經(jīng)拆除。
        （2）主管道上面的探頭支撐件完好無損壞。
        （3）主管道與傳感器安裝的接觸面表面必須清潔。
        （4） 各單元直接的連接電纜已經(jīng)連接好。
        （5）系統(tǒng)電源指示燈亮，系統(tǒng)電源沒有問題。
        （6）過程處理單元接地良好（用兆歐表做絕緣測試）。
2.2.1 系統(tǒng)啟動(dòng)和停止
        通過過程處理單元柜上面的電源開關(guān)按鈕進(jìn)行系統(tǒng)啟動(dòng)工作，之后系統(tǒng)開始執(zhí)行初始化工作,同時(shí)， 系統(tǒng)對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器執(zhí)行測試，測試 OK 后就地指示燈亮。之后對(duì)系統(tǒng)等各個(gè)
子項(xiàng)進(jìn)行測試，測試合格后系統(tǒng)處于 STAND-BY 模式。
2.2.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置以及仿真測試
        在 STAND-BY 模式下通過鍵盤操作進(jìn)入到 2（參數(shù)設(shè)置）里面對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
運(yùn)行參數(shù)中可以根據(jù)實(shí)際的工況參數(shù) （如液位高報(bào)定值，液位低報(bào)定值，滿水時(shí)液位，空管液位，管壁厚度以及材料）對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
        參數(shù)設(shè)置完成后按 B 退出回到 STAND-BY 菜單。進(jìn)行仿真測試（通過按鍵選擇2），仿真測試的內(nèi)容是模擬現(xiàn)場的實(shí)際水位信號(hào)去測試模擬量輸出，液位高低報(bào)警，遠(yuǎn)方顯示等功能是否正常。整個(gè)仿真測試的事件總共持續(xù) 30S。仿真測試分為手動(dòng)仿真測試和自動(dòng)仿真測試兩種供用戶在不同場合選擇，仿真測試完成合格后就可以進(jìn)行校驗(yàn)操作。
2.2.3 探頭安裝及系統(tǒng)校驗(yàn)
        在校驗(yàn)前，首先確認(rèn)現(xiàn)場探頭已經(jīng)安裝就位，且探頭安裝滿足使用要求，同時(shí)確認(rèn)主管道旁邊的余熱排出泵已經(jīng)停運(yùn)。之后操作人員執(zhí)行自動(dòng)校驗(yàn)操作，出現(xiàn)兩個(gè)選項(xiàng)
        （1）PREVIOUS CALIBRATION（之前的校驗(yàn)）。
        （2）NEW CALIBRATION（新的校驗(yàn)）。
        在每次超聲波液位計(jì)測量系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，探頭都要重新安裝一遍，因此現(xiàn)場探頭的位置以及管道內(nèi)實(shí)際的情況與之前都有偏差，需要重新進(jìn)行標(biāo)定校驗(yàn)， 因此只能執(zhí)行2選項(xiàng)，此時(shí)系統(tǒng)執(zhí)行一系列的計(jì)算，顯示測試進(jìn)行中 , 如果執(zhí)行校驗(yàn)過程中沒有故障的話，整套sc超聲波液位計(jì)測量系統(tǒng)校驗(yàn)完成，就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控主管道內(nèi)的水位情況，同時(shí)通過模擬量輸出把水位的測量信號(hào)輸送到主控的顯示儀進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。如果校驗(yàn)過程中出現(xiàn)故障，則畫面中 STATUS（狀態(tài)）欄中會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的故障代碼，之后再根據(jù)故障代碼的處理措施查找故障原因，故障排除后再次執(zhí)行新的校驗(yàn)直到系統(tǒng)正常使用為止。