压力对西门子超声波液位计测量精度的影响

刘 超

(福陆(中国)工程建设有限公司，上海 200241)

0 引言

超声波液位计因其安装方便、经济、测量精度高等特点，被广泛应用于工程领域的液位测量，特别是在水和污水的处理工艺中。但是大部分的应用都是在常温、常压、敞口的容器中[1-3]。在某核电项目中，一些密闭、带正压的罐体设计选用了西门子LUT400系列分体式超声波液位计对液位进行测量。在固体废液系统(waste solid system,WSS)系统中，废树脂罐体上的超声波液位计，最大工作压力达到了1.5 kPa。由于在西门子的选型样本上未明确压力对ST-H超声波换能器测量精度的影响，而厂家却承诺最大压力达到5 kPa对仪表的测量性能没有影响。为了验证可靠性，搭建了简单的压力试验台架，分别在常压、 0.5 kPa、1.5 kPa、3 kPa、5 kPa、7.5 kPa压力环境下，检定西门子超声波液位计的测量精度。该研究也为今后核电项目的选型提供有力的实践依据。

1 试验

1.1 试验目的

超声波液位计的工作原理是：由换能器(探头)发出高频超声波脉冲遇到被测介质表面被反射回来，部分反射回波被同一换能器接收，转换成电信号。超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比。此距离值S、声速C和传输时间T之间的关系可以表示为[4-5]：

(1)

超声波是一种机械波，遇到大密度(气-液-固)变化界面发生反射，传播介质的温度、压力对测量的影响较大，因此一般不适用于高温或带压力环境的液位测量[6]。特别是超声波是通过压电物质的振动来发射的，压力太大时发声部件会受影响。所以通常情况下，超声波液位计用于敞口容器或水渠上测量常压的液位。由于在核电项目中，在一些微正压的容器内选用了超声波液位计，实际生产中也未出现问题。为了进一步验证探头耐压的能力，给今后项目提供更充分的选型依据，设计仿真试验，检测西门子超声波换能器ST-H在几组微正压的压力环境下测量值和实际液位值之间的误差，从而判断环境压力对换能器的性能影响[7-9]。

1.2 试验方法及配置

将两个测量管连接在一起，形成一个连通器。在其中一个测量管上安装超声波换能器，另一个测量筒中安装磁致伸缩液位计。在常压条件下，通过阀门连接一个玻璃管液位计，用于比对测量管内液位的实际液面高度，以便矫正磁致伸缩液位计和超声液位计测量读数。

在测试的过程中，先将液位调整到需要测量的位置，再通过过滤减压阀将压缩空气送入测量管内，由压力变送器来测量气相部分的压力。在达到某个压力的条件下，测试超声波测量的读数和回波曲线， 用于判断精度和信号的强弱变化等情况。

测试环境条件为环境温度：20℃ (超声波的换能器的温度为 27 ℃)；环境压力为大气压；测量介质为水；测量仪表为超声波液位变送器 LUT420+ST-H 。

测量的精度指标：±[1+0.17%(FS)]mm ；超声波换能器的工作频率为44 kHz。

其他参考仪表如下。压力变送器MD3051的测量精度为0.2%。磁致伸缩液位计UAT100的精度等级为±3 mm，重复性为1 mm。玻璃管液位计的刻度精度为±1 mm。

1.3 试验步骤

试验步骤如下。

(1) 按照图纸装配好所有的设备，包括联通器支架、三通、气源、压力变送器、磁致伸缩液位计以及超声波换能器。

(2) 气密性测试，通过过滤减压阀，将输出的压力调节至1.5 kPa，保持1 h，压力保持不变。

(3) 通过手动调节进气阀门、排气阀门、进水阀门、排水阀门，确认各个阀门工作正常，且便于调整。

(4) 将进气阀关闭，将玻璃管与磁翻板的阀门联通，测试并记录在常压条件下内外液面的差异；调整磁致伸缩液位计的读数，使之与玻璃管液位计的读数一致。在测试中，由于玻璃管的零点位置更低，调整磁致伸缩液位计的读数，将最低点统一为 30 mm；将超声波液位计的最低液位读数也统一为30 mm。超声波液位计的参数设定如下：低标定点1 818 mm，高标定点326 mm(测量范围1 492 mm)。

(5) 差压条件下的测试。

① 将液位调节至测量零点(距离换能器表面1 788 mm)，再次确认玻璃管、磁致伸缩液位计、超声波液位计的读数，记录超声波的距离数据、液位距离、玻璃管的液位距离，以及磁致伸缩液位计的数据。② 将液位调整到距离探头947 mm的位置，记录4个数据。③ 将液位调整到距离探头335 mm的位置，记录4个数据。④ 重复下行程测试。

(6) 压力为0.5 kPa的条件测试，关闭玻璃管的联通阀门。

① 将液位调整到0，调节过滤减压阀的开度直到压力变送器的读数稳定在0.5 kPa。如果压力变送器读数偏大，关闭进气阀门，通过调节针阀缓慢地将调低气压，直到压力变送器的示值非常接近0.5 kPa。稳定1 min，确保压力变送器的读数稳定后再进行读数，记录超声波液位计和磁致伸缩液位计的读数。② 将液位调整至距离探头947 mm的位置， 然后将气压调至0.5 kPa，直到读数稳定。液位变化的过程中气压会发生变化，必须重新调节。③ 将液位调整至距离探头0.335 m的位置，然后将气压调至0.5 kPa，直到读数稳定。液位变化的过程中气压会发生变化，必须重新调节。④ 下行程的操作与前面的步骤一致。

(7) 压力为1.5 kPa的条件测试。

测试的方法按照步骤(6)的操作，需要记录上、下行程的数据。

(8) 压力为5 kPa条件如上同样测试。测试的方法按照步骤(6)的操作，需要记录上、下行程的数据。

(9) 如果读数的偏差值在1%以内继续测试，测试至7.5 kPa。如果变化量超过5%，判定为不能继续正常工作，记录压力读数，分析差异的问题。

(10) 完成试验并整理数据。

2 数据分析

在0 kPa、0.5 kPa、1.5 kPa、3 kPa、5 kPa和7.5 kPa这几组压力下，每个压力点测试三次，取每个压力点下ST-H换能器与玻璃管和磁致伸缩液位之间误差最大的一组数据。误差分析及重复性如表1所示。

表1 误差分析及重复性

Tab.1 Error analysis and repeatability

分析误差结果得出：在距离换能器最近的点产生的测量误差最大，这与超声波液位计测量原理有关。由于距离较近使得测量产生了杂波，导致的测量读数存在较大的偏差[10]。但是从数据看重复性较好，而且不同压力测点下误差和重复性几乎相近，所以可以判断测量误差几乎与压力变化无直接关系。

剔除距离换能器最近的测量点后，将磁致伸缩液位计的测量精度等级定为±3 mm。考虑到超声波液位计误差，计算精度得出五个压力点下，上、下行程各自的平均误差如表2所示。

表2 上、下行程测量精度

3 结束语

从试验结果分析，西门子LUT400系列分体式超声波液位计工作压力在0～7.5 kPa范围内能正常使用，且压力环境下上行程的平均测量精度最大为0.72%，下行程平均测量精度为0.63%，满足设计要求的±2.5%精度指数。从数据分析表明，随着环境压力增大，仪表的测量精度没有因为环境压力增大而相应地增大误差，其本身的换能器ST-H能在密闭的微正压环境下使用，未出现信号失真等严重问题，并能保证性能完整性。这充分证明了超声波液位计能在环境压力一定的情况下正常使用，为今后的核电项目中对于工作压力在7.5 kPa范围内的工程应用提供了试验依据。