超声波在两种液态介质界面位置检测中的应用

　　在石油化工厂生产和储运的过程中,常常需要监测两种液态介质分界面位置,如原油电脱盐装置中水和原油的分界面监测、成品油罐中油水分界面监测、环烷酸罐中碱渣与柴油分界面监测等.对这些分界面位置的测量对生产过程的控制、产品的质量和生产的安全有着十分重要的意义.

　　由于测量环境条件大都较为恶劣,常常存在高压、高温、腐蚀和严重乳化的情况,这就加大了界位测量的难度.以往,界位测量主要有两种方法:一是超短波界位计,这种方法国内在电脱盐中有所应用,但它只适合于小范围的测量,且信号的稳定性差、精度低、应用效果不理想;另一种是浮子式界位仪,由于其存在机械传动部件,易腐蚀、卡滞,特别在分界面乳化严重、液体粘性大的情况下,工作可靠性差.所以,二者使用效果均不理想.

　　本文利用超声波在不同介质分界面上会产生反射的特性,研制了超声界位检测仪,成功地实现从容器外壁直接连续监测容器内部两种液体的分界面,从而有效解决了探头的隔离、防腐、耐压、耐高温等问题,提高了测量的可靠性.

　　1 测量原理

　　根据超声波的物理特性,当超声波垂直入射到两种不同介质的分界面时,会产生透射波T和F,见图1.

　　设第一种介质的声阻抗为Z1,第二种介质的声阻抗为Z2,则声压透射系数[1]为

　　声压反射系数为

　　能量反射系数为

　　透射系数越大,表示超声波透射的能量愈大,而反射的能量愈小.反之,若反射系数愈大,则表示反射的能量愈大,而透射的能量愈小.从上面公式还可看出,两种介质声阻抗相差愈大,则反射系数愈大,反射能量愈强.声阻抗由介质的特性决定,表1给出了几种介质的声阻抗[2].

　　对于碱渣与柴油分界面,可求得声压反射系数和能量反射系数分别为

　　即反射能量仅为入射能量的5.2%,由此可见反射回的声信号是较微弱的,因此要求传感器和放大器应有较高的灵敏度和良好的抗干扰性.

　　超声波分界面位置测量的方法是将超声换能器安装在容器底部,垂直向界面发射一束脉冲超声波(见图1),其一部分能量被界面反射回来,超声波换能器检测出界面的回波信号,测量出超声波来回传输时间,即可推算出界面的位置.设声波在介质1中传播的速度为C,探头与分界面的距离为h,声波在探头与界面来回传输的时间为t,则

　　由式(1)便可计算出界面相对探头的位置.超声波界位的组成见图2.仪器配有10路界位测量传感器,在单片机系统的控制下自动实现多点的巡回测量及数据的校正、计算、滤波、显示、打印和存贮.