超声波液位计故障分析及维护策略分析及维护策略之一

1 前言
超声波液位计作为一种非接触式物位测量仪表，具有测量精度高、安装简便、基本免维护等特点，常用于测量各种容器内液体的液位。在核电机组运行中，如安全壳地坑、疏水箱等容器由于其内部介质放射性高，使用超声波液位计作为测量仪表极大简化了后续仪表的维护工作，人员数量也得到有效控制。超声波液位计的测量准确与否与仪表的安装、调校有着较大关系。本文基于智能型超声波液位计的调试诊断方法，对三门核电核岛系统中超声波液位计的典型故障进行分析，并提出相应的解决方法和维护策略。

2 超声波液位计测量原理
当声波以垂直角度入射至介面时，其反射系数为两种介质的声阻抗差与声阻抗和的比值的平方。当两种介质的声阻抗相差较大时，即在界面处形成所谓的硬边界，这是入射波的介质速度在碰到分界面时好像弹性碰撞一样，变成反向速度，反射波质点速度与入射波质点速度相位改变180°。以空气/水界面为例，水的声阻抗与空气的声阻抗相差4个数量级，相差悬殊，因此当声波射入空气/水界面时，声波几乎全部被反射。

超声波液位计的测量原理及为回波测距，利用测量声波从发射至接受的时间间隔，结合补偿后的声波声速得到声波传输的距离h。1/2h即为超声波探头距离界面的距离。利用已知的仪表安装高度与超声波至界面的距离作差，即可获得当前储液装置内的液位高度。

超声波探头使用***多的是由压电晶片（或压电陶瓷）制成的换能器。超声波的接收和反射是基于压电晶片的压电效应和逆压电效应。其工作原理是：当压电晶片受发射脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，此即逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，此为正压电效应。前者是超声波的发射，后者为超声波的接收。同一块压电晶体既负责超声波的发射，也负责接收。因此，在发射状态与接收状态之间，需要一段时间使得压电晶体从振荡状态恢复到静止状态，然后才能开始接收反射的超声波信号，根据时域反射原理，这段时间代表了空间的一段距离，即盲区。在盲区内，超声波液位计是不能进行测量的。一般超声波液位计的测量范围约大，其盲区就越大。

不同的超声波频率使用于不同量程的超声波液位计。一般规律是量程越小，超声波频率越高；量程越大，超声波频率越低。这是因为超声波的能量在发射和返回经过的介质中被衰减，低频长波的能量较大，可保证超声波的能量在长时间传播过程中不至于衰减的太多。若超声波能量太强，则被测页面会产生大量空化气泡，反而会降低回波的质量，影响测量精度。需根据测量范围的大小，选取合适的超声波液位计。

2.1 回波曲线
超声波液位计迅速连续地发射脉冲，并扫描它们的反射回波。收到回波的能量将根据它们的飞行时间排列。代表这种序列的图形就称为包络曲线（如图1所示）。


回波曲线包含初始脉冲、衰减以及一个或多个回波，它们以飞行时间的长短为序排列。要提高液位测量的可靠性，就要扩大真实液位信号与其它所有干扰信号的区别。

2.2 回波抑制曲线
超声波脉冲在容器内飞行传输过程中，遇到爬梯、梁、管道、焊缝、搅拌叶片等结构物时，也会产生回波，即杂波干扰信号。为了从回波曲线中甄别出真实的液位回波信号，超声波液位计通常会设置一条随时间变化（即空间上的距离变化）的滤波曲线，确定当回波信号超出阈值时，才被认定为有效回波，进而进入算法识别模块后续处理。该回波抑制曲线，又称为TVT时变阈值、干扰抑制曲线、罐体映像等，其目的在于通过阈值门限，滤除无用干扰杂波。如图2所示。

3 超声波液位计典型故障分析
超声波液位计没有可动部件，结构上主要分为超声波探头、信号变送处理、人机界面3个部分。根据结构上这3个部分的集成情况，分为一体式和分体式两种。从采用的接线方式上，可划分为两线制、三线制和四线制。两线制为供电与信号输出共用，采用24V直流电源供电，同时供电线路也作为mA信号的输出线路；三线制为供电回路与信号回路独立，采用24V直流电源供电，供电负端与信号负端共用一根芯线；四线制则为供电回路与信号回路完全隔离，使用直流或者交流电源供电，独立信号回路回传液位信号。
三门核电从品牌上主要使用的超声波液位计有3类，E+H FMU系列、Vega系列和西门子系列。其中，E+H的FMU系列和Vega系列采用两线制，西门子LUT400系列则采用四线制，使用220VAC电源供电，独立mA信号输出。
3.1 VEGA液位变送器跳满
在海水淡化系统调试过程中发现，清水池A液位变送器（VEGASON 62）超声波液位变送器显示满液位，而真实液位约3m左右。三门核电水处理系统的储液罐多处于室外，当室内外温差大时，超声波探头极易产生凝露，曾多次出现仪表输出满量程。对于清水池A液位变送器跳满，维护人员拆卸该液位计检查探头，发现探头并无明显凝露，且安装处无干扰源，因此怀疑为仪表回波抑制曲线未设置或设置不合适。
使用Pactware软件，结合Hart调制解调器，连接超声波液位计进行回波曲线诊断。发现回波曲线在接近满罐液位处存在结构件导致的小干扰反射信号（如图3所示），

且此台超声波液位计并未设置回波抑制曲线，导致该小干扰信号被当成真实液位信号显示。
通过诊断软件，查看该超声波液位计的回波曲线，即可比较方便的定位故障机理。因此只需对接近满罐处的杂波设置回波抑制曲线，滤除该杂波信号即可。超声波液位计的干扰抑制***好在空罐情况下设置，可对整个测量范围内的结构干扰进行抑制。处理本次故障时，因清水池液位已有3m左右，干扰抑制的范围应该尽量接近当前液位，但不能超过该液位。通过回波曲线查看，真实液位回波距离在3.29m左右，对该超声波液位计设距离3m内的自动回波抑制后，读取回波曲线（见图4），发现满罐处的小干扰信号被有效滤除，液位计显示真实液位。



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