超聲波液位計故障分析及維護策略分析及維護策略之一

1 前言
超聲波液位計作為一種非接觸式物位測量儀表，具有測量精度高、安裝簡便、基本免維護等特點，常用于測量各種容器內液體的液位。在核電機組運行中，如安全殼地坑、疏水箱等容器由于其內部介質放射性高，使用超聲波液位計作為測量儀表極大簡化了后續儀表的維護工作，人員數量也得到有效控制。超聲波液位計的測量準確與否與儀表的安裝、調校有著較大關系。本文基于智能型超聲波液位計的調試診斷方法，對三門核電核島系統中超聲波液位計的典型故障進行分析，并提出相應的解決方法和維護策略。

2 超聲波液位計測量原理
當聲波以垂直角度入射至介面時，其反射系數為兩種介質的聲阻抗差與聲阻抗和的比值的平方。當兩種介質的聲阻抗相差較大時，即在界面處形成所謂的硬邊界，這是入射波的介質速度在碰到分界面時好像彈性碰撞一樣，變成反向速度，反射波質點速度與入射波質點速度相位改變180°。以空氣/水界面為例，水的聲阻抗與空氣的聲阻抗相差4個數量級，相差懸殊，因此當聲波射入空氣/水界面時，聲波幾乎全部被反射。

超聲波液位計的測量原理及為回波測距，利用測量聲波從發射至接受的時間間隔，結合補償后的聲波聲速得到聲波傳輸的距離h。1/2h即為超聲波探頭距離界面的距離。利用已知的儀表安裝高度與超聲波至界面的距離作差，即可獲得當前儲液裝置內的液位高度。

超聲波探頭使用***多的是由壓電晶片（或壓電陶瓷）制成的換能器。超聲波的接收和反射是基于壓電晶片的壓電效應和逆壓電效應。其工作原理是：當壓電晶片受發射脈沖激勵后產生振動，即可發射聲脈沖，此即逆壓電效應。當超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉換成相應的電信號，此為正壓電效應。前者是超聲波的發射，后者為超聲波的接收。同一塊壓電晶體既負責超聲波的發射，也負責接收。因此，在發射狀態與接收狀態之間，需要一段時間使得壓電晶體從振蕩狀態恢復到靜止狀態，然后才能開始接收反射的超聲波信號，根據時域反射原理，這段時間代表了空間的一段距離，即盲區。在盲區內，超聲波液位計是不能進行測量的。一般超聲波液位計的測量范圍約大，其盲區就越大。

不同的超聲波頻率使用于不同量程的超聲波液位計。一般規律是量程越小，超聲波頻率越高；量程越大，超聲波頻率越低。這是因為超聲波的能量在發射和返回經過的介質中被衰減，低頻長波的能量較大，可保證超聲波的能量在長時間傳播過程中不至于衰減的太多。若超聲波能量太強，則被測頁面會產生大量空化氣泡，反而會降低回波的質量，影響測量精度。需根據測量范圍的大小，選取合適的超聲波液位計。

2.1 回波曲線
超聲波液位計迅速連續地發射脈沖，并掃描它們的反射回波。收到回波的能量將根據它們的飛行時間排列。代表這種序列的圖形就稱為包絡曲線（如圖1所示）。


回波曲線包含初始脈沖、衰減以及一個或多個回波，它們以飛行時間的長短為序排列。要提高液位測量的可靠性，就要擴大真實液位信號與其它所有干擾信號的區別。

2.2 回波抑制曲線
超聲波脈沖在容器內飛行傳輸過程中，遇到爬梯、梁、管道、焊縫、攪拌葉片等結構物時，也會產生回波，即雜波干擾信號。為了從回波曲線中甄別出真實的液位回波信號，超聲波液位計通常會設置一條隨時間變化（即空間上的距離變化）的濾波曲線，確定當回波信號超出閾值時，才被認定為有效回波，進而進入算法識別模塊后續處理。該回波抑制曲線，又稱為TVT時變閾值、干擾抑制曲線、罐體映像等，其目的在于通過閾值門限，濾除無用干擾雜波。如圖2所示。

3 超聲波液位計典型故障分析
超聲波液位計沒有可動部件，結構上主要分為超聲波探頭、信號變送處理、人機界面3個部分。根據結構上這3個部分的集成情況，分為一體式和分體式兩種。從采用的接線方式上，可劃分為兩線制、三線制和四線制。兩線制為供電與信號輸出共用，采用24V直流電源供電，同時供電線路也作為mA信號的輸出線路；三線制為供電回路與信號回路獨立，采用24V直流電源供電，供電負端與信號負端共用一根芯線；四線制則為供電回路與信號回路完全隔離，使用直流或者交流電源供電，獨立信號回路回傳液位信號。
三門核電從品牌上主要使用的超聲波液位計有3類，E+H FMU系列、Vega系列和西門子系列。其中，E+H的FMU系列和Vega系列采用兩線制，西門子LUT400系列則采用四線制，使用220VAC電源供電，獨立mA信號輸出。
3.1 VEGA液位變送器跳滿
在海水淡化系統調試過程中發現，清水池A液位變送器（VEGASON 62）超聲波液位變送器顯示滿液位，而真實液位約3m左右。三門核電水處理系統的儲液罐多處于室外，當室內外溫差大時，超聲波探頭極易產生凝露，曾多次出現儀表輸出滿量程。對于清水池A液位變送器跳滿，維護人員拆卸該液位計檢查探頭，發現探頭并無明顯凝露，且安裝處無干擾源，因此懷疑為儀表回波抑制曲線未設置或設置不合適。
使用Pactware軟件，結合Hart調制解調器，連接超聲波液位計進行回波曲線診斷。發現回波曲線在接近滿罐液位處存在結構件導致的小干擾反射信號（如圖3所示），

且此臺超聲波液位計并未設置回波抑制曲線，導致該小干擾信號被當成真實液位信號顯示。
通過診斷軟件，查看該超聲波液位計的回波曲線，即可比較方便的定位故障機理。因此只需對接近滿罐處的雜波設置回波抑制曲線，濾除該雜波信號即可。超聲波液位計的干擾抑制***好在空罐情況下設置，可對整個測量范圍內的結構干擾進行抑制。處理本次故障時，因清水池液位已有3m左右，干擾抑制的范圍應該盡量接近當前液位，但不能超過該液位。通過回波曲線查看，真實液位回波距離在3.29m左右，對該超聲波液位計設距離3m內的自動回波抑制后，讀取回波曲線（見圖4），發現滿罐處的小干擾信號被有效濾除，液位計顯示真實液位。



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