超聲波液位計(jì)故障分析及維護(hù)策略分析及維護(hù)策略之一

1 前言
超聲波液位計(jì)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(hù)等特點(diǎn)，常用于測量各種容器內(nèi)液體的液位。在核電機(jī)組運(yùn)行中，如安全殼地坑、疏水箱等容器由于其內(nèi)部介質(zhì)放射性高，使用超聲波液位計(jì)作為測量儀表極大簡化了后續(xù)儀表的維護(hù)工作，人員數(shù)量也得到有效控制。超聲波液位計(jì)的測量準(zhǔn)確與否與儀表的安裝、調(diào)校有著較大關(guān)系。本文基于智能型超聲波液位計(jì)的調(diào)試診斷方法，對三門核電核島系統(tǒng)中超聲波液位計(jì)的典型故障進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決方法和維護(hù)策略。

2 超聲波液位計(jì)測量原理
當(dāng)聲波以垂直角度入射至介面時(shí)，其反射系數(shù)為兩種介質(zhì)的聲阻抗差與聲阻抗和的比值的平方。當(dāng)兩種介質(zhì)的聲阻抗相差較大時(shí)，即在界面處形成所謂的硬邊界，這是入射波的介質(zhì)速度在碰到分界面時(shí)好像彈性碰撞一樣，變成反向速度，反射波質(zhì)點(diǎn)速度與入射波質(zhì)點(diǎn)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(gè)數(shù)量級，相差懸殊，因此當(dāng)聲波射入空氣/水界面時(shí)，聲波幾乎全部被反射。

超聲波液位計(jì)的測量原理及為回波測距，利用測量聲波從發(fā)射至接受的時(shí)間間隔，結(jié)合補(bǔ)償后的聲波聲速得到聲波傳輸?shù)木嚯xh。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(dāng)前儲(chǔ)液裝置內(nèi)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(yīng)和逆壓電效應(yīng)。其工作原理是：當(dāng)壓電晶片受發(fā)射脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，此即逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，此為正壓電效應(yīng)。前者是超聲波的發(fā)射，后者為超聲波的接收。同一塊壓電晶體既負(fù)責(zé)超聲波的發(fā)射，也負(fù)責(zé)接收。因此，在發(fā)射狀態(tài)與接收狀態(tài)之間，需要一段時(shí)間使得壓電晶體從振蕩狀態(tài)恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)，然后才能開始接收反射的超聲波信號，根據(jù)時(shí)域反射原理，這段時(shí)間代表了空間的一段距離，即盲區(qū)。在盲區(qū)內(nèi)，超聲波液位計(jì)是不能進(jìn)行測量的。一般超聲波液位計(jì)的測量范圍約大，其盲區(qū)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(jì)。一般規(guī)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?yàn)槌暡ǖ哪芰吭诎l(fā)射和返回經(jīng)過的介質(zhì)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(shí)間傳播過程中不至于衰減的太多。若超聲波能量太強(qiáng)，則被測頁面會(huì)產(chǎn)生大量空化氣泡，反而會(huì)降低回波的質(zhì)量，影響測量精度。需根據(jù)測量范圍的大小，選取合適的超聲波液位計(jì)。

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


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

2.2 回波抑制曲線
超聲波脈沖在容器內(nèi)飛行傳輸過程中，遇到爬梯、梁、管道、焊縫、攪拌葉片等結(jié)構(gòu)物時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生回波，即雜波干擾信號。為了從回波曲線中甄別出真實(shí)的液位回波信號，超聲波液位計(jì)通常會(huì)設(shè)置一條隨時(shí)間變化（即空間上的距離變化）的濾波曲線，確定當(dāng)回波信號超出閾值時(shí)，才被認(rèn)定為有效回波，進(jìn)而進(jìn)入算法識(shí)別模塊后續(xù)處理。該回波抑制曲線，又稱為TVT時(shí)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(jì)典型故障分析
超聲波液位計(jì)沒有可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)上主要分為超聲波探頭、信號變送處理、人機(jī)界面3個(gè)部分。根據(jù)結(jié)構(gòu)上這3個(gè)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(shí)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(dú)立，采用24V直流電源供電，供電負(fù)端與信號負(fù)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(dú)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(jì)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(dú)立mA信號輸出。
3.1 VEGA液位變送器跳滿
在海水淡化系統(tǒng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，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(shí)液位約3m左右。三門核電水處理系統(tǒng)的儲(chǔ)液罐多處于室外，當(dāng)室內(nèi)外溫差大時(shí)，超聲波探頭極易產(chǎn)生凝露，曾多次出現(xiàn)儀表輸出滿量程。對于清水池A液位變送器跳滿，維護(hù)人員拆卸該液位計(jì)檢查探頭，發(fā)現(xiàn)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(shè)置或設(shè)置不合適。
使用Pactware軟件，結(jié)合Hart調(diào)制解調(diào)器，連接超聲波液位計(jì)進(jìn)行回波曲線診斷。發(fā)現(xiàn)回波曲線在接近滿罐液位處存在結(jié)構(gòu)件導(dǎo)致的小干擾反射信號（如圖3所示），

且此臺(tái)超聲波液位計(jì)并未設(shè)置回波抑制曲線，導(dǎo)致該小干擾信號被當(dāng)成真實(shí)液位信號顯示。
通過診斷軟件，查看該超聲波液位計(jì)的回波曲線，即可比較方便的定位故障機(jī)理。因此只需對接近滿罐處的雜波設(shè)置回波抑制曲線，濾除該雜波信號即可。超聲波液位計(jì)的干擾抑制***好在空罐情況下設(shè)置，可對整個(gè)測量范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)干擾進(jìn)行抑制。處理本次故障時(shí)，因清水池液位已有3m左右，干擾抑制的范圍應(yīng)該盡量接近當(dāng)前液位，但不能超過該液位。通過回波曲線查看，真實(shí)液位回波距離在3.29m左右，對該超聲波液位計(jì)設(shè)距離3m內(nèi)的自動(dòng)回波抑制后，讀取回波曲線（見圖4），發(fā)現(xiàn)滿罐處的小干擾信號被有效濾除，液位計(jì)顯示真實(shí)液位。



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