液位高度的準(zhǔn)確測(cè)量是疏水管道運(yùn)行監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制的重要保障，監(jiān)測(cè)不當(dāng)不僅影響管道的安全運(yùn)行，管道內(nèi)壁還易出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕［１－２］。疏水管道因敷設(shè)面積大、規(guī)格尺寸多、對(duì)環(huán)境影響大等特點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)全管段、全覆蓋的液位監(jiān)測(cè)。

 

容器中通常采用磁翻板液位計(jì)、液差液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)與超聲波液位計(jì)等儀器進(jìn)行液位測(cè)量，其中超聲波液 位 計(jì) 以 價(jià) 格 低 廉、操 作 方 便、安 裝 靈 活（螺紋、法蘭、支架等連接方式）的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。超聲波液位測(cè)量的方法有：螺紋式超聲波液位測(cè)量法、推進(jìn)劑超聲波外測(cè)液位測(cè)量法以及采用“延時(shí)接收信號(hào)分離”的單片機(jī)外測(cè)液位測(cè)量方法［３－４］。但是超聲液位計(jì)配置場(chǎng)所固定、維護(hù)成本高，當(dāng)管段處于監(jiān)測(cè)盲區(qū)時(shí)（見(jiàn)圖１），只能采用熒光、射線等方法進(jìn)行液位測(cè)量。因此，針對(duì)疏水管道的特點(diǎn)，仍需操作靈活、使用方便的液位檢測(cè)方法。筆者采用zui 常 見(jiàn) 的 數(shù) 字 式 Ａ 型 脈 沖 反 射 超 聲儀對(duì)輸水管液位進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合疏水管道與超聲波傳播特點(diǎn)推導(dǎo)出液位高度計(jì)算公式，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了校正，達(dá)到了方便快捷地測(cè)量液位的目的。

１ 檢測(cè)工藝

１．１ 檢測(cè)試件

　　試驗(yàn)用管道的材料為３０４不銹鋼，規(guī)格（外徑×壁厚）為６０ｍｍ×２．６ｍｍ，并選用密封效果較好且材料均勻透明的冷鑲粉對(duì)管道兩側(cè)進(jìn)行封堵，室溫（約２０℃）下在管道中加入不等量的水，以模擬不同液位高度的工況，其外觀如圖２所示。

 

１．２ 檢測(cè)方法

　　檢測(cè)儀 器 采 用 數(shù) 字 式 Ａ 型 脈 沖 反 射 ＵＳＭ－３６超聲儀，為了兼顧檢測(cè)靈敏度與透射強(qiáng)度［５－６］，采 用５Ｐ６（探頭頻率５ ＭＨｚ，晶片直徑６ｍｍ）探頭，并以管壁一次 回 波 的８０％波 高 作 為 掃 查 靈 敏 度。采集不同液位高度的聲程數(shù)據(jù)，經(jīng)推導(dǎo)公式計(jì)算得出液位高度，使用 Ｏｒｉｇｉｎ軟件對(duì)液位高度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并通過(guò)擬合函數(shù)對(duì)推導(dǎo)公式進(jìn)行校正，從而得到校正后的液位高度計(jì)算值。

 

２ 數(shù)字式 Ａ型脈沖反射超聲儀液位檢測(cè)

　　普遍使用的推進(jìn)劑超聲波外測(cè)液位計(jì)［７］的檢測(cè)原理是：超 聲 儀 激 發(fā) 電 路 使 探 頭 產(chǎn) 生０°縱 波，縱 波經(jīng)管壁透射進(jìn)入管內(nèi)水層中，再經(jīng)水－空氣界面返回至超聲波探頭，如圖３所示。單片機(jī)接收電路記錄下超聲波往返的時(shí)間差，并將聲速對(duì)溫度進(jìn)行校正，從而計(jì)算得出液位高度，如式（１）所示。

數(shù)字式 Ａ 型脈沖反射超聲儀液位檢測(cè)原理與推進(jìn)劑超聲波外測(cè)液位計(jì)的檢測(cè)原理一致，同樣需要儀器記錄超聲波在水層中的傳播時(shí)間 Δｔ，所不同的是：

（１）推進(jìn)劑超聲波外測(cè)液位計(jì)安裝位置固定，檢測(cè)區(qū)域不夠靈活；數(shù)字式 Ａ 型脈沖反射超聲儀使用普遍，操作方便，幾乎不受檢測(cè)區(qū)域的影響。

 

（２）推進(jìn)劑超聲波外測(cè)液位計(jì)通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)采集超聲波往返時(shí)間 Δｔ，并將液位信息直接以數(shù)字形式直觀表現(xiàn)；Ａ 型脈沖反射超聲儀則將采集到的超聲 波 往 返 時(shí) 間 Δｔ 通 過(guò) 液 位 回 波 聲 程 表 現(xiàn) 出 來(lái)，即聲程Ｓ 為 Δｔ／２與儀器設(shè)置聲速的乘 積，因 此 液位高度Ｔ 也可表示為式（２）。

 

式中：Ｔ 為液位高度；Δｔ為超聲波在水層中傳播的往返時(shí)間；Ｓ 為水－氣界面回波聲程；Ｃ 為聲速，下標(biāo)表示聲波在各材料中的聲速；ｄ 為管壁厚度。

 

３ 波形分析

　　液位回波 波 形 辨 識(shí) 是 數(shù) 字 式 Ａ 型 脈 沖 反 射 超聲儀液位檢測(cè)的基礎(chǔ)，穩(wěn)定的聲壓和明顯的聲程信息可以提高液位回波波形的辨識(shí)。室溫下選擇受檢管段 無(wú) 水 一 側(cè) 的 管 壁 校 準(zhǔn) 聲 速，即 Ｃ儀 器 ＝Ｃ鋼 ＝５８１２ｍ·ｓ－１，壁厚反射回波聲程為其真實(shí)聲程，并選擇無(wú)水（黑色線條）與液位高度１０ｍｍ（紅色與藍(lán)色線條）兩種 工 況，采 用 Ａ 型脈沖反射超聲儀對(duì)液位高度進(jìn)行檢測(cè)，所得波形如圖４所示。

 

由圖４可以看 出，管 道 內(nèi) 無(wú) 水 時(shí)，波 形 僅 為 壁厚的數(shù)次 回 波，一 次 壁 厚 回 波 波 高 約 為 ４５．５ｄＢ；液位高度１０ｍｍ 處的反射回波（藍(lán)色線條）遠(yuǎn)離壁厚回波（紅色線 條），壁 厚 回 波 在 管 壁 內(nèi) 多 次 反 射后形成 回 波 簇。在 實(shí) 際 測(cè) 量 時(shí) 發(fā) 現(xiàn)，管 內(nèi) 液 面 的流動(dòng)對(duì)超 聲 波 反 射 的 影 響 不 大［８］，但 隨 著 液 面 的流動(dòng)，反射回波會(huì) 出 現(xiàn) 上 下 跳 動(dòng) 現(xiàn) 象，這 可 以 提 高水－氣界面反射回 波 的 辨 識(shí) 度。經(jīng) 測(cè) 量，１０ ｍｍ 高度 液 位 聲 程 約 為４０．０４ｍｍ，波 高 約 為３５．０ｄＢ，幾乎與管壁二次回 波 高 度 持 平，這 是 由 于：儀 器 設(shè) 置聲速Ｃ儀 器 ＝Ｃ鋼 ，且 Ｃ鋼 約 為 Ｃ水 的４倍，溫 度 等 條件一定時(shí)，超聲波 自 激 發(fā) 至 接 收 的 時(shí) 間 Δｔ為 固 定值，因此水－氣反射回波聲程比真實(shí)聲程較 遲 出 現(xiàn)，從而使得水－氣 回 波 不 受 壁 厚 回 波 干 擾，辨 識(shí) 度 較高。另外，反射回波 自 水 層 入 射 進(jìn) 入 鋼 中，由 于 聲阻抗Ｚ水 ＜Ｚ鋼 ，水－鋼界面的反射回波聲壓與入射回波聲 壓 同 位 相，而 疊 加 形 成 駐 波，聲 壓 Ｐ透 射 ＝Ｐ反 射 ＋Ｐ入 射 ，探頭接收 到 的 透 射 波 聲 壓 升 高，因 此水－氣反射回波聲壓較高。

 

結(jié)論

　　在２０～６０ ℃溫 度 范 圍 內(nèi)，采 用 數(shù) 字 式 Ａ 型 脈沖反射超聲儀，可以對(duì)疏水管道液位高度進(jìn)行精確測(cè)量。該檢測(cè)方法、可靠，且經(jīng)校正后的液位高度計(jì)算結(jié)果誤差在±１ｍｍ 范圍內(nèi)。