本应用说明探讨了如何使用非侵入式直接液位测量方法测量容器或管道中的液位。应用说明中还介绍了如何使用存在/不存在测试法确定密封容器中是否存在液体。
测量液位的方法
测量液位的一种简单方法是使用量液计或校准好的浮子进行直接观察。但是，在某些情况下，不适合使用这种方法，如封闭的容器不能被打开，或者容器内的液体不能暴露在空气中。超声液位测量通常是一种很好的解决方案，适用于对大量正在灌装的容器进行快速、自动的液位测量。
超声液位测量还适用于以下应用：
- 测量化学处理应用中的腐蚀性或反应性流体的液位。在这种应用中，由于安全原因不能打开容器，或者由于化学品的性质或化学处理过程的特点，不能在液体中安装浮标水位计。
- 探测管道中是否存在积液，特别是在维护过程中，检测被打开或切开的管道时。
- 检查装配线上各种汽车部件的液位，如油箱、变速箱总成、发动机油底壳和差速器等。对于这些部件中的液位，需要进行快速、可靠、非侵入式测量。在某些情况下，测厚仪与自动机械手配合使用，可以定位探头，以对装满液体的容器进行在线测量。测厚仪的检测结果用于激活喷标器，以标出液位超出了公差的容器。
- 测量石油加工系统中漂浮在水层之上的油层。原则上，当一种液体漂浮在另一种液体之上时，只要它们的声阻抗不同，就可以测量任何一种单层液体。
一般来说，测量液位的应用分为两类：一类需要测量实际液位（深度或高度），另一类需要探测在容器中某个所选位置处是否存在液体。下面对这两种类别的测量分别进行说明。
用于直接测量液位的设备
液位通常使用标准超声测厚仪，采用常规脉冲回波测厚技术进行测量，在需要测量更大的厚度范围时，可以使用超声探伤仪。探头根据特定的应用要求进行选择，但频率通常为1 MHz或2.25 MHz。我们建议使用以下任何一种仪器完成这项测量应用：
- 39DL PLUS和配备了单晶软件的45MG测厚仪经过设置，可以完成液位测量。除了数字显示外，它们还提供高/低报警和数据存储功能，以便记录和归档。测量范围的上限一般约为125毫米。
- EPOCH 650和EPOCH 6LT探伤仪可以测量很长的液体声程（可能超过1.25米）。
无论使用哪一种仪器，测量范围和精度都取决于具体的检测条件，而且必须根据具体情况报价。对于大多数液体，测量精度可以达到±2.5毫米。
直接测量液位的程序
通过使用耦合剂将探头耦合到容器的底部，可以测量容器内的液位。测厚仪将电脉冲传送到探头，探头便生成短超声脉冲，超声脉冲通过容器壁传输到液体中。脉冲在液体中向上传播，直至达到液面，然后在液面被反射，回到液体中，并向下传播，被探头接收。
从电子零位时间点的位置对来自液面的回波进行精确计时，这个时间要减去声波在容器壁中的传播时间。通过以下电子方式的计算，脉冲的往返传播时间被转换为液位：
h = vt/2
其中：
h = 液位
v = 液体中的声速
t = 往返传播时间
液位以数字形式显示在屏幕上。想要有效利用这种测量技术，一定要考虑以下所列因素。
- 容器的材料类型和厚度：首先要考虑流体特性和液位范围这项因素。由于容器壁的振铃效果，厚壁钢制容器会严重限制可以测量到的最低液位。塑料容器与很多液体有着相似的声学属性，因此会使来自探头的声波有效地传播到液体中，从而在很大程度上降低了振铃效果。
- 容器壁表面状况：腐蚀或带点蚀的容器表面可能会扭曲声脉冲的传输，导致测量困难或无法测量。
- 容器曲率：曲度很大的容器可能会扭曲声波脉冲，或导致探头不能与容器充分耦合，因而不能进行可靠的测量。
- 障碍物：容器底部与液面之间的声程一定要畅通无阻，不能出现如折流板或充水管之类的物理障碍物。
- 液体的声学特性：液体中超声波的衰减程度通常会决定可以测量的最高液位。一般来说，高粘度液体和带有高含量固体物质的液体非常容易使超声波发生衰减。
- 温度效应：液体的温度变化会引起液体声速的变化。如果仪器的声速校准没有被重新调整以补偿这些声速变化，则屏幕上出现的液位读数就不会正确。
- 气泡：液体中的气泡（空气或其他气体）会使声波散射，进而生成错误读数，或根本不会生成任何读数。
- 液面的波动：容器中的液体表面必须保持静止不动，才可以生成可以判读的表面回波。
- 液体成分：液体必须具有均匀的成分和一致的温度，才可以完成准确的测量。
- 探头与容器壁的耦合：探头与容器壁必须充分耦合，才可以使探头发射的声波脉冲传播到容器壁中，然后再传播到液体中。
用于确定液体存在与否的测量设备
我们建议使用探伤仪完成这种应用，如EPOCH系列。所有EPOCH系列探伤仪都适用于确定液体是否存在的脉冲回波测量。所用探头类型取决于液体的类型和声程的长度。
进行存在/不存在测量的程序
具体的检测设置取决于应用情况。一般来说，当检测应用中所涉及的容器或管道的几何形状可以使超声脉冲穿过液体层传播，并可以从远端的容器壁接收到回波时，我们建议使用简单的脉冲回波检测方法完成这类检测。液体是否存在的情况可以通过视觉报警或音频报警表明。 在脉冲回波模式下，来自探头的信号被耦合到容器壁中。如果在测量点的位置上有液体存在，则声能的一部分会传播到液体中，并穿过液体到达另一侧的容器壁，然后再从容器壁反射回来，重新进到液体中，并穿过这一侧的容器壁，回到探头。如果没有液体存在，则没有底面回波，而只会有一些由探头所接触的容器壁生成的几个回波。低频接触式探头通常用于这种检测。在下图中，一个2.25 MHz接触式探头被耦合到厚度约为45毫米的钢制容器壁上。屏幕左侧的回波代表在容器壁中出现的多次回响，且红色闸门中没有出现回波。 |
|
通过在来自远端容器壁的回波会出现的时间位置上设置闸门的方式，操作人员可以监控到液体的状态。如果液体存在，则用户会在闸门中探测到一个回波，如右侧图中所示。
在某些情况下，不能使用脉冲回波方式。在传送声波的表面与反射回波的底面之间没有清晰的声程时，对液体的监控必须要依靠振铃方式。这种方式要求容器的表面一定要平滑、干净，以确保探头一致的耦合效果。使用这种方式，仪器会辨别来自探头所耦合的容器壁的回波的变化。其信号表现形式非常像振铃图形，一种情况是声波悬浮在空气中，另一种情况是声波浸没在液体中。液体对声能的抑制作用，比空气快得多。在检测过程中，仪器会“聆听”回波类型，并绘制回波图形，操作人员根据回波图形，可以确定在容器的某个位置处是否存在液体。 |
|
这类检测一般使用延迟块探头完成。下图表明使用V206-RB延迟块探头（5 MHz）对钢制储罐进行的典型的振铃检测。上图的波形代表来自液体与底面的回波振铃图形。这里使用了DAC功能跟踪回波包络。下图的波形表明来自空气与底面的较大回波，因为储罐在这个位置上没有液体，因此声波不会再受到液体的抑制作用。通过在储罐侧壁上向上和向下移动探头，并寻找这两种图形的过渡点，操作人员可以辨别代表储罐内液面水平的位置。
|
|
