超聲波液位計作為一種非接觸式物位測量儀表，具有測量精度高、安裝簡便、基本免維護等特點，常用于測量各種容器內液體的液位。在核電機組運行中，如安全殼地坑、疏水箱等容器由于其內部介質放射性高，使用超聲波液位計作為測量儀表極大簡化了后續儀表的維護工作，人員數量也得到有效控制。
超聲波液位計測量原理
當聲波以垂直角度入射至介面時，其反射系數為兩種介質的聲阻抗差與聲阻抗和的比值的平方。當兩種介質的聲阻抗相差較大時，即在界面處形成所謂的硬邊界，這是入射波的介質速度在碰到分界面時好像彈性碰撞一樣，變成反向速度，反射波質點速度與入射波質點速度相位改變180°。以空氣/水界面為例，水的聲阻抗與空氣的聲阻抗相差4個數量級，相差懸殊，因此當聲波射入空氣/水界面時，聲波幾乎全部被反射。
超聲波液位計的測量原理及為回波測距，利用測量聲波從發射至接受的時間間隔，結合補償后的聲波聲速得到聲波傳輸的距離h。1/2h即為超聲波探頭距離界面的距離。利用已知的超聲波液位計安裝高度與超聲波至界面的距離作差，即可獲得當前儲液裝置內的液位高度。
超聲波探頭使用最多的是由壓電晶片(或壓電陶瓷)制成的換能器。超聲波的接收和反射是基于壓電晶片的壓電效應和逆壓電效應。其工作原理是：當壓電晶片受發射脈沖激勵后產生振動，即可發射聲脈沖，此即逆壓電效應。當超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉換成相應的電信號，此為正壓電效應。前者是超聲波的發射，后者為超聲波的接收。同一塊壓電晶體既負責超聲波的發射，也負責接收。因此，在發射狀態與接收狀態之間，需要一段時間使得壓電晶體從振蕩狀態恢復到靜止狀態，然后才能開始接收反射的超聲波信號，根據時域反射原理，這段時間代表了空間的一段距離，即盲區。在盲區內，超聲波液位計是不能進行測量的。一般超聲波液位計的測量范圍約大，其盲區就越大。
不同的超聲波頻率使用于不同量程的超聲波液位計。一般規律是量程越小，超聲波頻率越高；量程越大，超聲波頻率越低。這是因為超聲波的能量在發射和返回經過的介質中被衰減，低頻長波的能量較大，可保證超聲波的能量在長時間傳播過程中不至于衰減的太多。若超聲波能量太強，則被測頁面會產生大量空化氣泡，反而會降低回波的質量，影響測量精度。需根據測量范圍的大小，選取合適的超聲波液位計。
1、回波曲線
超聲波液位計迅速連續地發射脈沖，并掃描它們的反射回波。收到回波的能量將根據它們的飛行時間排列。代表這種序列的圖形就稱為包絡曲線(如圖1所示)。回波曲線包含初始脈沖、衰減以及一個或多個回波，它們以飛行時間的長短為序排列。要提高液位測量的可靠性，就要擴大真實液位信號與其它所有干擾信號的區別。
圖1 超聲波液位計回波曲線
2、回波抑制曲線
超聲波脈沖在容器內飛行傳輸過程中，遇到爬梯、梁、管道、焊縫、攪拌葉片等結構物時，也會產生回波，即雜波干擾信號。為了從回波曲線中甄別出真實的液位回波信號，超聲波液位計通常會設置一條隨時間變化(即空間上的距離變化)的濾波曲線，確定當回波信號超出閾值時，才被認定為有效回波，進而進入算法識別模塊后續處理。該回波抑制曲線，又稱為TVT時變閾值、干擾抑制曲線、罐體映像等，其目的在于通過閾值門限，濾除無用干擾雜波。如圖2所示。
圖2 超聲波液位計回波抑制曲線
超聲波液位計典型故障分析
超聲波液位計沒有可動部件，結構上主要分為超聲波探頭、信號變送處理、人機界面3個部分。根據結構上這3個部分的集成情況，分為一體式和分體式兩種。從采用的接線方式上，可劃分為兩線制、三線制和四線制。兩線制為供電與信號輸出共用，采用24V直流電源供電，同時供電線路也作為m A信號的輸出線路；三線制為供電回路與信號回路獨立，采用24V直流電源供電，供電負端與信號負端共用一根芯線；四線制則為供電回路與信號回路完全隔離，使用直流或者交流電源供電，獨立信號回路回傳液位信號。
國外品牌E+H FMU系列、Vega系列、KROHNE系列和西門子系列在國內有較高知名度；國產超聲波液位計品牌眾多，產品品質參差不齊。其中，E+H的FMU系列和Vega系列采用兩線制，西門子LUT400系列則采用四線制，使用220VAC電源供電，獨立mA信號輸出。
1、VEGA超聲波液位計跳滿
在某企業海水淡化系統調試過程中發現，清水池A超聲波液位計(VEGASON 62)顯示滿液位，而真實液位約3m左右。該水處理系統的儲液罐多處于室外，當室內外溫差大時，超聲波探頭極易產生凝露，曾多次出現超聲波液位計輸出滿量程。對于清水池A超聲波液位計跳滿，維護人員拆卸該液位計檢查探頭，發現探頭并無明顯凝露，且安裝處無干擾源，因此懷疑為儀表回波抑制曲線未設置或設置不合適。
使用Pactware軟件，結合Hart調制解調器，連接超聲波液位計進行回波曲線診斷。發現回波曲線在接近滿罐液位處存在結構件導致的小干擾反射信號(如圖3所示)，且此臺超聲波液位計并未設置回波抑制曲線，導致該小干擾信號被當成真實液位信號顯示。
圖3 VEGA超聲波液位計跳滿曲線
通過診斷軟件，查看該超聲波液位計的回波曲線，即可比較方便的定位故障機理。因此只需對接近滿罐處的雜波設置回波抑制曲線，濾除該雜波信號即可。超聲波液位計的干擾抑制最好在空罐情況下設置，可對整個測量范圍內的結構干擾進行抑制。處理本次故障時，因清水池液位已有3m左右，干擾抑制的范圍應該盡量接近當前液位，但不能超過該液位。通過回波曲線查看，真實液位回波距離在3.29m左右，對該超聲波液位計設距離3m內的自動回波抑制后，讀取回波曲線(見圖4)，發現滿罐處的小干擾信號被有效濾除，超聲波液位計顯示真實液位。
圖4 VEGA超聲波液位計回波曲線
2、西門子超聲波液位計跳變
某企業廢水、廢液處理系統以及非能動堆芯冷卻系統中采用了西門子超聲波液位計測量部分容器內液位。該批超聲波液位計為分體式液位計，變送器型號為LUT400，超聲波探頭元件為STH，總計使用了19臺。在調試和預運行過程中，該批次超聲波液位計出現了多次不同原因的跳變現象。
①因安裝原因導致跳變
超聲波探頭在正常工作時，受發射脈沖激勵產生振動，從而發出超聲波脈沖信號。在超聲波換能器正常工作時，探頭表面能感受到機械振動。STH型探頭尺寸約為Φ51mm，而在廢水、廢液系統中，超聲波液位計是安裝于罐體上方立管上。立管尺寸為2英寸，部分探頭在安裝時與立管壁存在擠壓，摩擦現象，導致探頭元件中的超聲波換能器在脈沖振動時與管壁干涉，晶體振動不自由。從回波曲線上來看，元件收到擠壓、摩擦的情況下，超聲波液位計初始脈沖基波信號強度收到很大影響。另外根據STH手冊技術規格書，該型探頭元件的發射角為12°，過高的安裝立管導致不能滿足超聲波束發射角要求。進而使得超聲波的回波質量進一步惡化。從而導致部分液位計跳變頻繁。
采取截短立管，并對立管內壁進行打磨處理后，超聲波回波曲線質量得到明顯增強，跳變現象基本消除。
②空罐下跳變
廢液系統中，廢液暫存箱收集來自反應堆安全殼冷卻、乏燃料池襯里泄露、設備和區域去污等廢水，共2臺不銹鋼水箱用于廢液后續處理前的暫存。每個廢液暫存箱設置一臺西門子超聲波液位計監測液位。調試期間設置超聲波液位計測量量程為0.468-5.777m，電流輸出設置為4mA對應0.533m，20m A對應5.309m。超聲波液位計調試完成后，液位在測量范圍內顯示準確，但在液體排空時，液位出現頻繁跳變。
檢查發現，罐體底部為錐形底，在罐體液位排空時，存在聚焦反射現象。空罐下，超聲波回音曲線在反射時因罐底聚焦反射現象，導致在某一個距離上回波強度會超出回波抑制曲線，且聚焦反射后被放大的回波信號并不固定，隨機出現在某個高度，從而造成識別算法在無真實液位回波的情況下，將被隨機放大的回波作為“真實”液位信號，導致頻繁跳變。
從故障液位計回波曲線(見圖5)上可以看出，空罐時因罐底聚焦反射現象產生的部分回波信號誤識別為真實液位回波，但故障回波幅值實際較真實液位回波的幅值相差較大，只需提升回波曲線的閾值，確保空罐情況下的干擾雜波不超出抑制曲線，保證此時超聲波液位計出現丟波報警，輸出報警電流，即可徹底解決該故障。維護人員通過設置自動回波抑制，使液位計智能學習空罐的超聲返波信號。考慮到故障信號存在的隨機性，在自動學習的回波抑制曲線基礎上，手動適當增加了抑制曲線高度幅值。經驗證，該方法有效解決了超聲波液位計空罐跳變故障，重新設置抑制曲線后，回波曲線如圖6所示。
圖5 故障超聲波液位計回波曲線
圖6 超聲波液位計設置抑制曲線后的回波曲線
③互相干擾導致的液位跳變
放射性廢液處理系統中的安全殼地坑液位測量使用3臺西門子LUT400型分體式超聲波液位計測量，顯示流入地坑的一回路泄漏量。由于地坑位置限制，3臺超聲波液位計元件部分安裝緊湊，1-WLS-LT034/036超聲波元件安裝法蘭位于低側，1-WLS-LT035(安全殼地坑液位變送器2)位置與1-WLS-LT034(安全殼地坑液位變送器1)和1-WLS-LT036(安全殼地坑液位變送器3)錯開，位于高側；如圖7所示。
圖7 安裝在現場的分體式超聲波液位計
在執行安全殼地坑液位進水試驗期間，發現3臺超聲波液位計頻繁跳變。現場檢查每個超聲波元件的安裝符合安裝規范，周邊也無變頻器、電機等干擾源。檢查線路接線，均無問題。地坑液位的這三臺超聲波元件的安裝位置較近，元件安裝法蘭幾乎挨在一起。判斷可能由于超聲波元件中的換能器產生的高頻脈沖聲波互相干擾，導致對某一元件而言，接受超聲波返波信號時會同時接收到其它2臺液位計返回的高頻脈沖信號，從而導致液位計軟件算法在判斷真實回波的時候出現偏差，導致液位跳變的情況出現。
針對上述可能的故障原因，對安全殼地坑重新進行了充排水試驗，并在充排水期間，使用Pactware診斷軟件實時監測1-WLS-LT035的超聲波回音曲線。試驗發現，在安全殼地坑液位較低時，1-WLS-LT035的超聲波回音曲線質量較好，液位返波清晰，幅值較大。隨著液位逐漸上升，在真實液位返波下方逐漸開始出現一個虛假返波，隨著液位繼續上升，回音曲線中真實液位返波下方開始出現第二個虛假返波。這兩個虛假返波隨著液位不斷上升，在回音曲線中的位置也同時在上升。整個地坑沖水過程中，隨著液位上升，真實回波的質量在變差，信號強度逐漸變弱，然而兩個虛假回波的信號質量卻在不斷增強。在液位接近于0.7-1m左右時(LT035設置液位量程為0.178-1.194m)時，復現了液位跳變的情況。此時智能液位計算法認定的有效液面返波開始在真實液位返波和虛假返波之間不斷切換，從而導致液位跳變故障的產生。地坑充排水試驗驗證了液位波動是由于3臺超聲波液位計高頻脈沖聲波互相干擾；如圖8所示。
圖8 幾臺超聲波液位計高頻脈沖聲波互相干擾的回波曲線
針對超聲波液位計彼此干擾問題，最妥善的處理方式為更換超聲波液位計安裝位置，物理上分隔3臺超聲波元件，以減輕聲波的互相干擾，或者更換液位計選型，選擇聲波沿固定導波桿傳播的導波雷達液位計。現場設備已經安裝，不具備改造條件的情況，從軟件識別算法和回波抑制著手消除液位計跳變缺陷。從安全殼地坑充排水試驗結果分析，回音曲線中真實液位返波隨著液位上升，信號幅值降低，質量變差，在一定液位時信號質量會低于虛假返波的質量導致智能識別算法選擇虛假返波作為真實液面的返波。但是在整個過程中，真實波始終位于虛假返波之前。因此可改變超聲波液位計的識別算法，從第一個且信號最強的波(blf，best of first and largest echo)更改為第一個真實波(tf，true first echo)。從而使得識別算法始終選擇第一個脈沖聲波返波作為真實液位的返波信號，杜絕因虛假干擾返波的存在導致識別算法在真假返波選擇切換。使用tf識別算法，需要關注的是盡量避免在真實液面返波前方出現虛假回波干擾，如果真實返波前方出現了虛假回波，會導致超聲波液位計頻繁出現高漂的現象。因此，在更改識別算法之外，需適當提高回波抑制曲線的增益(hover level)，盡量濾除真實返波前方的假波，同時又能使得在整個液位量程中，真實返波可以超出抑制曲線，被算法識別。經過多次嘗試，將增益從60%增加為71%后，WLS-LT035液位跳變的故障排除，保持觀察72h，期間未再出現過液位跳變現場。問題得到徹底解決。在其他2臺超聲波液位計LT034和LT036上也有出現，采取同樣方案處理后，地坑液位跳變的故障消除。
目前，采用回波測距原理的 超聲波液位計發展迅速，因其價格經濟、無介質接觸、精度高、安裝維護方便而得到廣泛運用。各行業也開始廣泛運用國外及國產品牌的超聲波液位計。
在系統設備調試中，若能熟練掌握使用超聲波液位計的診斷軟件，識別回波曲線中存在的問題，對于處理此類型液位計的故障將會事半功倍。
作者：郭明、王超
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