側(cè)壁式超聲波液位計校準(zhǔn)
側(cè)壁式超聲波液位計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)用于檢測船用消防設(shè)備中高壓鋼瓶內(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）中儲存介質(zhì)的容量。對該類儀表進(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)效益與社會效益，目前國內(nèi)尚無專用的校準(zhǔn)裝置。上海市計量測試技術(shù)研究院建有液位計 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較薄，受儀器檢測盲區(qū)影響，實際無法使用此裝置開展校準(zhǔn)。國外也有生產(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、簡單和易實現(xiàn)的特點，但玻璃與現(xiàn)場應(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)行定位測量會受人為因素影響，測量不確定度較大。也有技術(shù)人員[1]提出使用鋁桶配合鋼直尺的方案對儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，但鋁桶同樣與實際使用環(huán)境有所不同，不能準(zhǔn)確反映被檢儀表的實際工作情況。
通過對被檢儀表工作原理的研究，可設(shè)計一種新型側(cè)壁式超聲波液位計校準(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***大允許誤差通常為 ±10 mm，參照液位計檢定規(guī)程 JJG 971-2002 中對檢定設(shè)備的要求，所設(shè)計裝置的擴(kuò)展不確定度應(yīng)不超過 2.5 mm。
1、側(cè)壁式超聲波液位計的工作原理：
目前工業(yè)現(xiàn)場常見的反射式超聲波液位計多安裝于容器內(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，根據(jù)聲速與時間間隔計算出液位高度。而側(cè)壁式超聲波液位計則采用非介入測量的方法，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，通過聲阻抗可以得到兩個重要的系數(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)馄繛槔鳛橐何挥嫷谋粰z對象。由于常溫常壓條件下無法直接獲得液態(tài)二氧化碳，因此在實際檢測時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，從而能夠更加真實地模擬探測儀檢測時超聲回波信號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)對被檢儀表進(jìn)行校準(zhǔn)。同時，為了真實還原被檢儀器的測量狀態(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)計與誤差分析：
圖 1 校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)對裝置結(jié)構(gòu)以及測量方法的分析，此裝置主要系統(tǒng)誤差由以下幾部分組成：
1）激光測距儀的基本誤差：
為便于觀察水平儀及激光測距儀的讀數(shù)，裝置的整體高度設(shè)為 1.2 m，其中容器高度為 0.8 m，激光測距儀的實際有效測量范圍約為 0.3 ~ 1.1 m。為達(dá)到裝置不確定度設(shè)計要求，選擇了一款測量準(zhǔn)確度較高的激光測距傳感器，其測量范圍小于 3 m，分辨力 0.1 mm，經(jīng)測長實驗室校準(zhǔn)驗證，在有效測量范圍內(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傳遞到***終的測距結(jié)果中。如圖 2 所示，L為實際液面距離，L′為測得液面距離，由激光傳播的角度偏差 θ 引起的測距誤差 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，由于容器壁與水平面不完全垂直會造成實際液面與探頭表面不在同一水平高度，進(jìn)而將產(chǎn)生測量誤差。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)計裝置的系統(tǒng)誤差及測量不確定度主要由激光測距儀的測量誤差決定，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：
本文介紹了一種基于激光非接觸測距方法的新型側(cè)壁式超聲波液位計校準(zhǔn)裝置，真實還原了被檢儀表對二氧化碳鋼瓶進(jìn)行液位檢測時的工作狀態(tài)。與已有的校準(zhǔn)裝置相比 , 此裝置不僅測量方法簡便，