高压容器壁外式超声波液位检测仪的研制

　　1　概述

　　在工业生产中常常会遇到密封容器内部液位的检测问题,而这些容器往往存储的是高压或易燃的液体,所以任何直接接触式的测量方法都是不合适的,有时甚至是不允许的。如电厂调速系统中的压力储油罐,它承受的内部压力高达,油罐的外壁用近40mm厚的钢板做成,绝不允许在容器上开孔,破坏其结构强度。由于超声波对容器壁的钢板有很强的穿透能力,能实现容器内部液位的非接触测量,且具有不承压、无污染、安装方便等优点,是解决高压容器液位检测问题较为合适的方案。为此研制出超声高压力油罐油位仪,并投入使用。

　　2　超声波液位测量的原理

　　超声波对固体介质有较强的穿透作用,能较容易穿透容器壁的钢板而进入液态介质中传播,超声波检测密封容器的液位正是利用了这一特性。

　　在容器底部的外表面安装一个超声换能器,如图1。通过超声换能器发射一束脉冲超声波,它的一部分穿过容器的外壁,进入容器内的液体中,向上传播,到达液面后再被反射回来,并再次穿透外壁被换能器接收,测量出脉冲超声波来回的传输时间,便可求出相应的液位。

　　设液位为H,超声波在液体中传播的速度为C,声波来回传播的时间为t,则有:

　　因此,只要测量出超声波来回传输的时间t,就可根据式(1)计算出液位H.传输时间t可通过一个时间计数器来测得,即在发射时刻打开计数器的计数门,对一固定频率的方波信号进行计数,在液面回波到来时关闭计数门。设方波频率为f,计数器计得的数值为N,则:

　　这种方法测量原理简单,关键要解决以下问题:(1)弱回波信号接收放大;(2)克服液体成份、压力、温度等因素对声速的影响,保证足够的测量精度;(3)抑制外壁多次反射波造成测量盲区增加的问题。此外还有长期工作换能器的耦合等问题。只有有效地解决了这些问题后,才能保证检测的可靠实现。

　　3　回波信号的衰减

　　在测量过程中超声波需两次穿透容器壁与液体的分界面,设Z1为钢板的声阻抗,Z2为液体的声阻抗,则总声强的透射系数为

　　钢板的声阻抗约为4.53×106,油的声阻抗约为0.128×106,钢板与液体的分界面声能的总透射衰减为

　　即在不考虑传输衰减时也仅有发射声能的1.15%的能量从液面返回到超声传感器。而实际耦合层的影响很大,同时液体介质的声衰减也不可忽视,特别对于高粘性油,其声衰减是很大的,所以实际换能器接收到的折回波声信号是很弱的,远距离的回波仅为几mV左右。因此要求测量装置有较高的灵敏度。