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。利用已知的超声波液位计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。
超声波探头使用最多的是由压电晶片(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。
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。
图1 超声波液位计回波曲线
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。
图2 超声波液位计回波抑制曲线
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m A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。
国外品牌E+H FMU系列、Vega系列、KROHNE系列和西门子系列在国内有较高知名度；国产超声波液位计品牌众多，产品品质参差不齐。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。
1、VEGA超声波液位计跳满
在某企业海水淡化系统调试过程中发现，清水池A超声波液位计(VEGASON 62)显示满液位，而真实液位约3m左右。该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，曾多次出现超声波液位计输出满量程。对于清水池A超声波液位计跳满，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。
图3 VEGA超声波液位计跳满曲线
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最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，超声波液位计显示真实液位。
图4 VEGA超声波液位计回波曲线
2、西门子超声波液位计跳变
某企业废水、废液处理系统以及非能动堆芯冷却系统中采用了西门子超声波液位计测量部分容器内液位。该批超声波液位计为分体式液位计，变送器型号为LUT400，超声波探头元件为STH，总计使用了19台。在调试和预运行过程中，该批次超声波液位计出现了多次不同原因的跳变现象。
①因安装原因导致跳变
超声波探头在正常工作时，受发射脉冲激励产生振动，从而发出超声波脉冲信号。在超声波换能器正常工作时，探头表面能感受到机械振动。STH型探头尺寸约为Φ51mm，而在废水、废液系统中，超声波液位计是安装于罐体上方立管上。立管尺寸为2英寸，部分探头在安装时与立管壁存在挤压，摩擦现象，导致探头元件中的超声波换能器在脉冲振动时与管壁干涉，晶体振动不自由。从回波曲线上来看，元件收到挤压、摩擦的情况下，超声波液位计初始脉冲基波信号强度收到很大影响。另外根据STH手册技术规格书，该型探头元件的发射角为12°，过高的安装立管导致不能满足超声波束发射角要求。进而使得超声波的回波质量进一步恶化。从而导致部分液位计跳变频繁。
采取截短立管，并对立管内壁进行打磨处理后，超声波回波曲线质量得到明显增强，跳变现象基本消除。
②空罐下跳变
废液系统中，废液暂存箱收集来自反应堆安全壳冷却、乏燃料池衬里泄露、设备和区域去污等废水，共2台不锈钢水箱用于废液后续处理前的暂存。每个废液暂存箱设置一台西门子超声波液位计监测液位。调试期间设置超声波液位计测量量程为0.468-5.777m，电流输出设置为4mA对应0.533m，20m A对应5.309m。超声波液位计调试完成后，液位在测量范围内显示准确，但在液体排空时，液位出现频繁跳变。
检查发现，罐体底部为锥形底，在罐体液位排空时，存在聚焦反射现象。空罐下，超声波回音曲线在反射时因罐底聚焦反射现象，导致在某一个距离上回波强度会超出回波抑制曲线，且聚焦反射后被放大的回波信号并不固定，随机出现在某个高度，从而造成识别算法在无真实液位回波的情况下，将被随机放大的回波作为“真实”液位信号，导致频繁跳变。
从故障液位计回波曲线(见图5)上可以看出，空罐时因罐底聚焦反射现象产生的部分回波信号误识别为真实液位回波，但故障回波幅值实际较真实液位回波的幅值相差较大，只需提升回波曲线的阈值，确保空罐情况下的干扰杂波不超出抑制曲线，保证此时超声波液位计出现丢波报警，输出报警电流，即可彻底解决该故障。维护人员通过设置自动回波抑制，使液位计智能学习空罐的超声返波信号。考虑到故障信号存在的随机性，在自动学习的回波抑制曲线基础上，手动适当增加了抑制曲线高度幅值。经验证，该方法有效解决了超声波液位计空罐跳变故障，重新设置抑制曲线后，回波曲线如图6所示。
图5 故障超声波液位计回波曲线
图6 超声波液位计设置抑制曲线后的回波曲线
③互相干扰导致的液位跳变
放射性废液处理系统中的安全壳地坑液位测量使用3台西门子LUT400型分体式超声波液位计测量，显示流入地坑的一回路泄漏量。由于地坑位置限制，3台超声波液位计元件部分安装紧凑，1-WLS-LT034/036超声波元件安装法兰位于低侧，1-WLS-LT035(安全壳地坑液位变送器2)位置与1-WLS-LT034(安全壳地坑液位变送器1)和1-WLS-LT036(安全壳地坑液位变送器3)错开，位于高侧；如图7所示。
图7 安装在现场的分体式超声波液位计
在执行安全壳地坑液位进水试验期间，发现3台超声波液位计频繁跳变。现场检查每个超声波元件的安装符合安装规范，周边也无变频器、电机等干扰源。检查线路接线，均无问题。地坑液位的这三台超声波元件的安装位置较近，元件安装法兰几乎挨在一起。判断可能由于超声波元件中的换能器产生的高频脉冲声波互相干扰，导致对某一元件而言，接受超声波返波信号时会同时接收到其它2台液位计返回的高频脉冲信号，从而导致液位计软件算法在判断真实回波的时候出现偏差，导致液位跳变的情况出现。
针对上述可能的故障原因，对安全壳地坑重新进行了充排水试验，并在充排水期间，使用Pactware诊断软件实时监测1-WLS-LT035的超声波回音曲线。试验发现，在安全壳地坑液位较低时，1-WLS-LT035的超声波回音曲线质量较好，液位返波清晰，幅值较大。随着液位逐渐上升，在真实液位返波下方逐渐开始出现一个虚假返波，随着液位继续上升，回音曲线中真实液位返波下方开始出现第二个虚假返波。这两个虚假返波随着液位不断上升，在回音曲线中的位置也同时在上升。整个地坑冲水过程中，随着液位上升，真实回波的质量在变差，信号强度逐渐变弱，然而两个虚假回波的信号质量却在不断增强。在液位接近于0.7-1m左右时(LT035设置液位量程为0.178-1.194m)时，复现了液位跳变的情况。此时智能液位计算法认定的有效液面返波开始在真实液位返波和虚假返波之间不断切换，从而导致液位跳变故障的产生。地坑充排水试验验证了液位波动是由于3台超声波液位计高频脉冲声波互相干扰；如图8所示。
图8 几台超声波液位计高频脉冲声波互相干扰的回波曲线
针对超声波液位计彼此干扰问题，最妥善的处理方式为更换超声波液位计安装位置，物理上分隔3台超声波元件，以减轻声波的互相干扰，或者更换液位计选型，选择声波沿固定导波杆传播的导波雷达液位计。现场设备已经安装，不具备改造条件的情况，从软件识别算法和回波抑制着手消除液位计跳变缺陷。从安全壳地坑充排水试验结果分析，回音曲线中真实液位返波随着液位上升，信号幅值降低，质量变差，在一定液位时信号质量会低于虚假返波的质量导致智能识别算法选择虚假返波作为真实液面的返波。但是在整个过程中，真实波始终位于虚假返波之前。因此可改变超声波液位计的识别算法，从第一个且信号最强的波(blf，best of first and largest echo)更改为第一个真实波(tf，true first echo)。从而使得识别算法始终选择第一个脉冲声波返波作为真实液位的返波信号，杜绝因虚假干扰返波的存在导致识别算法在真假返波选择切换。使用tf识别算法，需要关注的是尽量避免在真实液面返波前方出现虚假回波干扰，如果真实返波前方出现了虚假回波，会导致超声波液位计频繁出现高漂的现象。因此，在更改识别算法之外，需适当提高回波抑制曲线的增益(hover level)，尽量滤除真实返波前方的假波，同时又能使得在整个液位量程中，真实返波可以超出抑制曲线，被算法识别。经过多次尝试，将增益从60%增加为71%后，WLS-LT035液位跳变的故障排除，保持观察72h，期间未再出现过液位跳变现场。问题得到彻底解决。在其他2台超声波液位计LT034和LT036上也有出现，采取同样方案处理后，地坑液位跳变的故障消除。
目前，采用回波测距原理的 超声波液位计发展迅速，因其价格经济、无介质接触、精度高、安装维护方便而得到广泛运用。各行业也开始广泛运用国外及国产品牌的超声波液位计。
在系统设备调试中，若能熟练掌握使用超声波液位计的诊断软件，识别回波曲线中存在的问题，对于处理此类型液位计的故障将会事半功倍。
作者：郭明、王超
相关阅读
超声波液位计安装规范及使用须知
超声波液位计常见故障及故障处理方法
如何根据超声波液位计回波图形判断超声波故障原因
