外貼式式超聲波液位計(jì)是一種新穎的液位測(cè)量裝置，主要用于測(cè)量密封液態(tài)氣體容器內(nèi)液位高度。它測(cè)量時(shí)安置在罐體側(cè)壁上與被測(cè)液體不接觸，可以測(cè)量有毒、有害、腐蝕性的介質(zhì)液位，不需在罐體和管線上鉆孔，不受罐內(nèi)高壓的影響，即使對(duì)有泡沫介質(zhì)的液位也可以測(cè)量。但如何校準(zhǔn)外貼式超聲波液位計(jì)也成為一個(gè)需要解決的問(wèn)題。
超聲波液位計(jì)工作原理
超聲波液位汁是液位計(jì)的重要類(lèi)型，常見(jiàn)的超聲波液位計(jì)安裝于容器上部或底部，探頭向被測(cè)液體發(fā)射一束超聲波脈沖。聲波被液體表面反射，部分反射回波由探頭接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。從超聲波發(fā)射到被重新被接收，其時(shí)間與探頭至被測(cè)液面的距離成正比，根據(jù)已知的聲速便可以計(jì)算出液面位置。外貼式超聲波液位計(jì)則不然，它的工作原理是基于超聲波脈沖對(duì)液體有和無(wú)狀態(tài)下的不同反應(yīng)，也就是根據(jù)超聲波脈沖反射回波信號(hào)的大小不同判定液面位置。如果容器內(nèi)壁是液體，那么部分聲能將被吸收，少量被反射回來(lái)。如果內(nèi)壁是氣體，反射回波將大得多。
所以按照J(rèn)JG971-2002液位計(jì)檢定規(guī)程，常見(jiàn)超聲波液位計(jì)校準(zhǔn)是通過(guò)液位計(jì)水箱檢定裝置或模擬液位的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，外貼式超聲波液位計(jì)則無(wú)法按此校準(zhǔn)，主要是改變液位對(duì)于外貼式超聲波液位計(jì)是沒(méi)有意義的，因?yàn)橥赓N式超聲波液位計(jì)實(shí)際上測(cè)量的不是液位，而是壁面內(nèi)側(cè)液體的有無(wú)，通過(guò)不斷的判定來(lái)尋找液面。
外貼式超聲波液位計(jì)校準(zhǔn)方法
我們的外貼式超聲波液位計(jì)校準(zhǔn)方法主要是立足于模擬實(shí)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(jìn)行校準(zhǔn)。外貼式超聲波液位計(jì)校準(zhǔn)裝置原理簡(jiǎn)單，制作的難點(diǎn)在于圓筒壁厚、直徑和材質(zhì)的確定。
超聲波在不同介質(zhì)界面的反射、透射，主要決定于兩種介質(zhì)的聲阻抗。聲阻抗Zi=ρv1，其中ρ為密度，v1為各自的聲速。當(dāng)超聲波垂直于界面入射時(shí)，聲強(qiáng)反射系數(shù)R和聲強(qiáng)入射系數(shù)T與聲阻有函數(shù)關(guān)系如下式：
其中Zsol為固體聲阻抗，Zliq為液體聲阻抗。
可見(jiàn)適當(dāng)?shù)囊后w和桶材質(zhì)的選擇，以獲得大的反射信號(hào)變化是外貼式超聲波液位計(jì)校準(zhǔn)有效實(shí)施的重要環(huán)節(jié)。液體介質(zhì)我們選用最常見(jiàn)的水為原料，水的聲阻抗 1.48×106Pa.s/m。存儲(chǔ)液態(tài)氣體的罐體，常見(jiàn)材質(zhì)主要是鐵、鋼、銅和鋁。常溫下，鐵的阻抗為45.0×106Pa.s/m，鋼的阻抗為46.5×105Pa .s/m，銅的阻抗為41.8×106Pa.s/m，鋁的阻抗為16.9×106Pa.s/m，代入式
可見(jiàn)鋁得到更大的回波信號(hào)差，更能理想的校準(zhǔn)結(jié)果。
對(duì)于桶壁厚和直徑，我們查閱了GB11640-2111《鋁合金無(wú)縫氣瓶》，GB5099-1994《鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶》 和GB5842-2006《液化石油氣鋼瓶》。發(fā)現(xiàn)對(duì)于實(shí)際氣瓶產(chǎn)品，壁厚、筒的直徑應(yīng)滿足一定的關(guān)系，不同材質(zhì)和用途有不同。但一定的最小厚度是有要求的。另外超聲波探頭在工作中都是有一定盲區(qū)的，在盲區(qū)內(nèi)是探頭是無(wú)法分辨出回波信號(hào)的。桶壁過(guò)薄有可能會(huì)產(chǎn)生這種狀況，從而令儀器產(chǎn)生誤讀。同時(shí)桶的直徑也應(yīng)考慮便于探頭的耦合固定
綜上，我們選取了3.0mm壁厚，筒外直徑300mm，深1000mm的鋁桶作為容器。外貼式超聲波液位計(jì)校準(zhǔn)時(shí)，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(jí)1級(jí))確定液面高度，將外貼式超聲波液位計(jì)探頭貼在外壁尋找界面位置，記錄高度；重復(fù)3次。改變位置4次，高度分別為200mm、400mm、600mm、800mm,以檢研對(duì)不同液位的檢測(cè)能力。如圖2所示：
圖1 外貼式超聲波液位計(jì)校準(zhǔn)示意圖
測(cè)量結(jié)果分析
以英國(guó)某品牌外貼式超聲波液位計(jì)為例進(jìn)行分析。
上表是外貼式超聲波液位計(jì)在不同液位下的10次測(cè)試結(jié)果，取表中標(biāo)準(zhǔn)差的最大值作為A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uA。對(duì)于B類(lèi)不確定度，因?yàn)橥赓N式超聲波液位計(jì)的顯示不是相應(yīng)的液位值，所以只考慮鋼直尺測(cè)量誤差uB。鋼直尺精度等級(jí)1級(jí)，示值誤差小于等于±0.2mm，按均勻分布估計(jì)測(cè)量誤差。各不確定度分量獨(dú)立無(wú)關(guān)，取包含因子k=2，則測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為
可見(jiàn)我們裝置的測(cè)試結(jié)果對(duì)于外貼式超聲波液位計(jì)校準(zhǔn)是滿足需要的。
通過(guò)分析和比較，我們得到了簡(jiǎn)易有效的外貼式超聲波液位計(jì)校準(zhǔn)裝置。我們最后還應(yīng)注意要這種外貼式超聲波液位計(jì)是不存累計(jì)誤差的，外貼式超聲波液位計(jì)校準(zhǔn)中改變液位測(cè)量，只能增加穩(wěn)定性，而不能說(shuō)明更多性能。
作者：安兆亮 上海計(jì)量測(cè)試研究院
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