超声波壁外透射衰减式定点液位测量方法

　　1　引言

　　在许多工业现场,密闭容器和压力容器内部高低限液位检测与报警指示对于生产运行控制与生产的安全具有十分重要的意义。显然,由于这类容器工作状 况的特殊性,往往要求采用非介入式测量方法。而在非介入式测量中,最有效的是超声波检测。这是因为超声波对容器壁的钢板具有很强的穿透能力,易于实现非介 入式测量。现有超声非介入式测量的方法主要有两种形式[1]:

　　(1)穿透式:利用两只超声换能器,安装在容器壁外沿径向相对处,如图1(a)。当液位达到或高于测点时,探头T1发出的超声波经液体传输达到 探头T2,由T2接收;反之当液位低于控制点时,T2则收不到T1发出的信号,由此可以确定液位是否到达测点。这种方法也可由单探头反射式测量来实现,即 由T1兼作发射和接收两用,T1同时接收容器对壁的回波信号。

　　(2)连续波阻抗方式:是通过测量超声探头与液位有无接触时其声阻抗的变化进而测量定点液位的。安装方式有两种:一种是探头直接插入容器内部, 如图1(b),灵敏度较高,但为介入式测量,不适合高压密封容器;另一种是探头安装在容器壁外,如图1(c)由于容器壁较厚,两种液位工况下声阻抗变化较 小,所以测量灵敏度较低。

　　上述第一种测量方法中超声波信号须经液体传输,最后才能到达接收换能器,因此带来以下问题:(1)安装定位要求很高,这在一些大型容器中安装实 施是非常困难的;(2)液态介质的声衰减特性对声波传播影响很大,特别是在大型容器中,声波传输距离大,当介质声衰减大或含杂质、气泡时,都会严重影响测 量的可靠性。第二种测量方法用于非介入式测量中的主要问题是测量灵敏度较低,测量可靠性较差。

　　鉴于以上方法存在的问题,在分析和实验的基础上提出了一种新的超声波定点液位检测方法,其基本原理是利用液态介质与气态介质两种情况下入射到容 器壁中的声能透射衰减的差异性来实现容器定点液位的检测。其重要的特点是:只需使用单探头进行测量,且信号基本与液态介质的声波传播特性无关,检测信号 强,所以安装极为方便,对液态介质适应性强、适用范围广、可靠性好。

　　2　透射衰减式定点液位测量的原理

　　事实上,当换能器发射的一束超声波由壁外耦合到容器壁中时,有一部分能量会透射到容器内部的介质中,另一部分能量则残留在容器壁中来回反射(每 次反射到达容器壁的内侧时,都有一部分被反射回来,而另一部分则透射到容器内部介质中),在容器壁中形成余振,直到衰减耗尽为止。透射到容器内部介质中的 声能愈大,则残留在容器壁中的能量愈小,余振信号持续的时间也就愈短;反之,透射到容器内部介质的能量愈小,残留在容器壁中的能量愈大,余振信号持续时间 也就愈长。实际上每次透射到容器内部介质声能的大小,是由容器壁材料与内部的介质的特性共同决定的。设容器壁材料的声阻抗为z1,内部介质的声阻抗为 z2。那么其界面的声强透射系数为[2]: