側(cè)壁式超聲波液位計(jì)校準(zhǔn)
側(cè)壁式超聲波液位計(jì)是一種利用超聲波在不同介質(zhì)中傳播特性不同的原理，從外部確定容器內(nèi)液體界面位置的儀表，廣泛應(yīng)用于檢測(cè)船用消防設(shè)備中高壓鋼瓶?jī)?nèi)的二氧化碳或其他滅火劑，以及其他各類金屬密閉罐體（包括帶壓容器）中儲(chǔ)存介質(zhì)的容量。對(duì)該類儀表進(jìn)行可靠的校準(zhǔn)溯源，確保其工作正常，能夠保障船用消防系統(tǒng)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，在行船安全方面將起到關(guān)鍵性作用，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，目前國(guó)內(nèi)尚無專用的校準(zhǔn)裝置。上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院建有液位計(jì) 2 m 水槽標(biāo)準(zhǔn)裝置，水槽壁由有機(jī)玻璃制成，外徑較大且罐壁相對(duì)較薄，受儀器檢測(cè)盲區(qū)影響，實(shí)際無法使用此裝置開展校準(zhǔn)。國(guó)外也有生產(chǎn)廠家（如 Coltraco）使用玻璃罐配合鋼直尺進(jìn)行校準(zhǔn)。雖然該方法具有直觀、簡(jiǎn)單和易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，但玻璃與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的罐壁材料（鋼）在改變超聲波傳播阻抗上仍有差別，也不易保存，并且使用鋼直尺進(jìn)行定位測(cè)量會(huì)受人為因素影響，測(cè)量不確定度較大。也有技術(shù)人員[1]提出使用鋁桶配合鋼直尺的方案對(duì)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，但鋁桶同樣與實(shí)際使用環(huán)境有所不同，不能準(zhǔn)確反映被檢儀表的實(shí)際工作情況。
通過對(duì)被檢儀表工作原理的研究，可設(shè)計(jì)一種新型側(cè)壁式超聲波液位計(jì)校準(zhǔn)裝置，用于解決該類儀表的校準(zhǔn)問題。由于目前行業(yè)內(nèi)常用的側(cè)壁式液位計(jì)***大允許誤差通常為 ±10 mm，參照液位計(jì)檢定規(guī)程 JJG 971-2002 中對(duì)檢定設(shè)備的要求，所設(shè)計(jì)裝置的擴(kuò)展不確定度應(yīng)不超過 2.5 mm。
1、側(cè)壁式超聲波液位計(jì)的工作原理：
目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常見的反射式超聲波液位計(jì)多安裝于容器內(nèi)頂部，通過探頭向液面發(fā)射超聲波脈沖并接收反射信號(hào)，根據(jù)聲速與時(shí)間間隔計(jì)算出液位高度。而側(cè)壁式超聲波液位計(jì)則采用非介入測(cè)量的方法，基于超聲波脈沖在不同介質(zhì)中傳播特性不同的原理，通過在容器側(cè)壁上外貼探頭的方式判定容器內(nèi)對(duì)應(yīng)空間是否有液體，以此來確定液位高度[2]。
根據(jù)聲學(xué)理論，超聲波在不同介質(zhì)之間的反射與折射主要取決于兩種介質(zhì)的聲阻抗 Z，其表達(dá)式為Z = ρv 式中：ρ — 介質(zhì)密度； v — 聲波在該介質(zhì)中傳播速度。
當(dāng)超聲波垂直于界面入射時(shí)，通過聲阻抗可以得到兩個(gè)重要的系數(shù)，分別為聲強(qiáng)反射率 R 與聲強(qiáng)透射率 T，其表達(dá)式為：
2、液體介質(zhì)選擇：
以消防設(shè)備中使用***多的二氧化碳?xì)馄繛槔鳛橐何挥?jì)的被檢對(duì)象。由于常溫常壓條件下無法直接獲得液態(tài)二氧化碳，因此在實(shí)際檢測(cè)時(shí)需要另選一種液體介質(zhì)模擬鋼瓶中的液態(tài)二氧化碳。此種液體介質(zhì)的聲阻抗需要盡可能接近液態(tài)二氧化碳的聲阻抗，從而能夠更加真實(shí)地模擬探測(cè)儀檢測(cè)時(shí)超聲回波信號(hào)的變化情況并以此判斷液面位置。
根據(jù)相關(guān)資料可知[5]，二氧化碳?xì)馄恐械膲毫耙簹獗壤龑㈦S著環(huán)境溫度的變化而變化，常溫下鋼瓶中的液態(tài)二氧化碳密度約為 1.1×103 kg/m3，而聲波在此介質(zhì)中的傳播速度為 839 m/s，則液態(tài)二氧化碳的聲阻抗為 9.23×105 kg/m2s。
通過對(duì)表 1 所示的幾種常用液體介質(zhì)的聲學(xué)特性進(jìn)行比較，可得同樣條件下酒精的聲阻抗***接近液態(tài)二氧化碳，因此選用酒精作為液體介質(zhì)對(duì)被檢儀表進(jìn)行校準(zhǔn)。同時(shí)，為了真實(shí)還原被檢儀器的測(cè)量狀態(tài)，采用鋼作為罐體容器的材料。
表 1 常用液體介質(zhì)的聲阻抗
3、裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與誤差分析：
圖 1 校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)對(duì)裝置結(jié)構(gòu)以及測(cè)量方法的分析，此裝置主要系統(tǒng)誤差由以下幾部分組成：
1）激光測(cè)距儀的基本誤差：
為便于觀察水平儀及激光測(cè)距儀的讀數(shù)，裝置的整體高度設(shè)為 1.2 m，其中容器高度為 0.8 m，激光測(cè)距儀的實(shí)際有效測(cè)量范圍約為 0.3 ~ 1.1 m。為達(dá)到裝置不確定度設(shè)計(jì)要求，選擇了一款測(cè)量準(zhǔn)確度較高的激光測(cè)距傳感器，其測(cè)量范圍小于 3 m，分辨力 0.1 mm，經(jīng)測(cè)長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)驗(yàn)證，在有效測(cè)量范圍內(nèi)的***大示值誤差不超過 ±1 mm，擴(kuò)展不確定度為 0.5 mm。
由激光傳播的準(zhǔn)直性可知，激光束的出射角度偏差會(huì)傳遞到***終的測(cè)距結(jié)果中。如圖 2 所示，L為實(shí)際液面距離，L′為測(cè)得液面距離，由激光傳播的角度偏差 θ 引起的測(cè)距誤差 ε 為
圖 2 激光出射角度偏差
當(dāng)容器所放置的底面非水平面時(shí)，由于容器壁與水平面不完全垂直會(huì)造成實(shí)際液面與探頭表面不在同一水平高度，進(jìn)而將產(chǎn)生測(cè)量誤差。與激光出射角度偏差類似，此誤差也可通過采用輔助補(bǔ)償方法限制在可以忽略的程度，即在容器底部安裝基座，利用高度可調(diào)的腳架調(diào)節(jié)容器壁的垂直度，使其不超過 6′。
綜上所述，可知所設(shè)計(jì)裝置的系統(tǒng)誤差及測(cè)量不確定度主要由激光測(cè)距儀的測(cè)量誤差決定，由此推算，該套裝置的總擴(kuò)展不確定度可以達(dá)到 2.5 mm以內(nèi)，符合預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)要求。
4、結(jié)語(yǔ)：
本文介紹了一種基于激光非接觸測(cè)距方法的新型側(cè)壁式超聲波液位計(jì)校準(zhǔn)裝置，真實(shí)還原了被檢儀表對(duì)二氧化碳鋼瓶進(jìn)行液位檢測(cè)時(shí)的工作狀態(tài)。與已有的校準(zhǔn)裝置相比 , 此裝置不僅測(cè)量方法簡(jiǎn)便，