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側向貼壁式超聲波液位計校准方法探索

作者:江蘇創輝自動化儀表有限公司
側向貼壁式超聲波液位計是一種新穎的液位測量裝置,主要用于測量密封液態氣體容器內液位高度。它測量時安置在罐體側壁上與被測液體不接觸,可以測量有毒有害、腐蝕性的介質液位,不需在罐體和管線上鑽孔,不受罐內高壓的影響,既使對有泡沫介質的液位也可以測量。但如何校准也成爲一個需要解決的問題
1、工作原理
超聲波液位計是液位计的重要类型,常见的超聲波液位計安装于容器上部或底部,探头向被测液体发射一束超声波脉冲。声波被液体表面反射,部分反射回波由探头接收并转换为电信号。从超声波发射到被重新被接收,其时间与探头至被测液面的距离成正比,根据已知的声速便可以计算出液面位置,如图1(左)所示。

側向贴壁式超聲波液位計則不然,它的工作原理是基于超聲波脈沖對液體有和無狀態下的不同反應,也就是根據超聲波脈沖反射回波信號的大小不同判定液面位置,如圖1(右)所示。如果容器內壁是液體,那麽部分聲能將被吸收,少量被反射回來。如果內壁是氣體,反射回波將大得多.
所以按照JG971-2002液位计检定规程常见超聲波液位計校准是通过液位计水箱检定装置或模拟液位的方法来实现,側向貼壁式超聲波液位計则无法按此校准,主要是改变液位对于側向貼壁式超聲波液位計是没有意义的,因为贴壁式实际上测量的不是液位,而是壁面内侧液体的有无,通过不断的判定来寻找液面。
 
2、校准方法
我們的校准方法主要是立足于模擬實際工作狀況,即以充有一定液體的圓桶配以鋼直尺確定液位進行校准。裝置原理簡單,制作的難點在于圓筒壁厚、直徑和材質的確超聲波在不同介質界面的反射、透射,
主要決定于兩種介質的聲阻抗。聲阻抗z=pv,其中p爲密度,v爲各自的聲速。當超聲波垂直于界面入射時,聲強反射系數R和聲強入射系數7聲阻有函數關系如下式:

其中爲固體聲阻抗,Zq爲液體聲阻抗。可見適當的液體和桶材質的選擇,以獲得大的反射信號變化是校准有效實施的重要環節。液體介質我們選用ZUI常見的水爲原料,水的聲阻抗爲148×10Pa·s/m存儲液態氣體的罐體,常見材質主要是鐵、鋼、銅和鋁。常溫下,鐵的阻抗爲45.0×10Pa·s/m,鋼的阻抗爲46.5×10Pa·s/m,銅的阻抗爲41.8×10Pa·s/m,鋁的阻抗爲169×10Pa·s/m,代入式(1)中,可見鋁得到更大的回波信號差,更能理想的校准結果。
對于桶壁厚和直徑,我們査閱了GB11640-1989《鋁合金無縫氣瓶》,GB5099-1994《鋼質無縫氣瓶》和GB5842-1996《液化石油氣鋼瓶》。發現對于實際氣瓶産品,壁厚、筒的直徑應滿足一定的關系,不同材質和用途有不同。但一定的***小厚度是有要求的。另外超聲波探頭在工作中都是有一定盲區的,在盲區內是探頭是無法分辨出回波信號的。桶壁過薄有可能會産生這種狀況,從而令儀器産生誤讀。同時桶的直徑也應考慮便于探頭的耦合固定.
 
綜上,我們選取了30mm壁厚,筒外直徑300mm,深1000mm的鋁桶作爲容器。校准時,將圓桶放置于水平面上,在圓桶中裝入水,用鋼直尺(精度等級1級)確定液面高度,將液位計探頭貼在外壁尋找界面位置,記錄高度;重複3次。改變位置4次高度分別爲200mm、400mm、600mm、800mm,以檢研對不同液位的檢測能力。如圖2所示
3、測量結果分析
以英国卡拉斯PL-1型側向貼壁式超聲波液位計为例进行分析。
表1是不同液位下的10次测试结果,取表中标准差的ZUI大值作为A类标准不确定度分量A。对于B类不确定度,因为側向貼壁式超聲波液位計的显示不是相应的液位值,所以只考虑钢直尺测量误差g。钢直尺精度等级1级,示值误差小于等于±0.2mm,按均匀分布估计测量误差。各不确定度分量独立无关,取包含因子k=2,则测量结果的扩展不确定度为:
可见我们装置的测试结果对于側向貼壁式超聲波液位計是满足需要的。
 
4、總結
通過分析和比較,我們得到了側向貼壁式超聲波液位計簡易有效的較准裝置。我們ZUI後還應注意要這種儀器是不存累計誤差的,校准中改變液位測量,只能增加穩定性,而不能說明更多性能。
 
 
 
 
 
 
 
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