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智能型超声波液位计在核电厂的应用
点击次数:453 发布时间:2015-08-19

1 超声波液位计的测量原理及其应用
1.1 超声式传感器的基本理论介绍
声波是一种机械波。声的发生是由于发声物体的机械振动引起周围弹性介质中质点的振动由近及远的传播,这就是声波。声波的频率高低不同,频率超过 20000HZ 的叫超声波,而频率低于 20Hz 的叫次声波。超声波的频率zui高可达 10 11 Hz。超声波传感器是近年来发展起来的新型传感器,可广泛应用于非接触性测量的场合,如液体界面检测、流量测量,水下作业、煤烟浓度、积雪厚度监测等多个领域,而秦山二厂热管道水位的测量就是超声波传感器在液位测量中的典型应用。
1.1.1 超声波的发生
超声波是由超声波发生器产生的。超声波发生器主要是电声型,它是将电磁能转换成机械能。其结构分为两部分:一部分是产生高频电流或电压的电源;另一部分是换能器,他的作用是将电磁振荡变换成机械振荡而产生超声波。
压电式换能器:某些晶体受到外力作用发生形变时,在它的表面上会出现电荷,这种效应称之为压电效应。具有压电效应的晶体称为压电晶体。压电效应是可逆的,逆压电效应就是在晶体切片的两对面上加交变电场(或电压),晶体切片就产生伸长与缩短现象,这种现象叫电致伸缩。
而压电式换能器就是利用电致伸缩现象制成的,在压电材料切片上施加交变电压,使它产生电致伸缩振动而产生超声波。根据共振原理,当外加交变电压频率等于晶片的固有频率时,产生共振,这时产生的超声波zui强。
1.1.2 超声波的接收
在超声波技术中,除了需要能产生一定的频率和强度的超声波发生器以外,还需要能接收超声波的接收器。压电式超声波接收器是利用正压电效应进行工作的。当超声波作用到压电晶片上时,使晶片伸缩,在晶片上的两个界面上变产生交变电荷。这种电荷先被转换成电压经过放大后送到测量电路,zui后记录或显示出结果。他的结构和超声波发生器基本相同,有时就用同一个换能器兼作发生器和接收器两种用途。秦山二厂的超声波液位计探头采用的就是同一个压电换能器,兼作发生器和接收器两种功能。
1.2 超声波液位计主管道液位测量中的应用
物位检测面临的对象不同,检测条件和检测环境也不相同,检测方法很多,归纳起来主要有直读式、静压式、浮力式、声学式、光学式等几种。其中超声波物位传感器属于声学式的一种,利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。超声波液位测量有许多优点 : 它不仅能够定点和连续测液位,而且能方便地提供遥测或遥控所需的信号。
与其他测位技术相比,它不需要特别防护,安装和维护较方便, 而且结构、 方法都较简单。超声波液位测量的方法有很多,如脉冲回波法、共振法、频差法以及声衰减法。其
中应用zui广泛的是脉冲回波法。它的基本工作原理是:超声换能器由脉冲激励信号发出超声波,声波在介质中传播到达液面时,经液面反射形成发射波,再经介质传播返回到换能器,换能器把声信号转换成电信号。由二次仪表测出超声波从发射到接收所需的时间,再根据介质中超声波传播速度和换能器的安装高度,就可计算液位高度。
2 超声波液位计测量系统的系统组成和使用方法
2.1 测量系统的系统结构组成
秦山第二核电厂采用的超声波液位计测量系统主要由探头安装支撑件,压电式超声波传感器探头,就地连接单元,过程处理单元,远程数据显示仪以及各部分连接电缆组成。本套智能超声波液位计测量系统是用来测量一回路主管道排水时主管道内水位的显示,实时反应主管道内水位的高度,为运行人员提供参考,尤其是十年安全壳打压期间需要一回路水位排的尽量低以保障安全壳打压试验更顺利进行,因此该液位计承担着及其重要的作用。
2.1.1 压电式超声波传感器探头
超声波传感器探头是本套测量系统的核心部件,它的好坏直接决定了测量系统能否正常使用,超声波探头通过一个支撑组件垂直于主管道的水平面安装在主管道的表面上。
机组正常运行期间,维修人员需要拆下现场的超声波探头以防止主管道温度过高导致超声波探头失效的情况出现(超声波可测量的zui高温度不超过 70℃)。
在探头的安装过程中,要保持探头的安装方向与管道的水平方向垂直,同时在压电式传感器的表面要涂抹上均匀的声耦合剂以保证探头的信号能正常的发送接收,同时在探头安装前保证管道的接触面清洁没有杂质。
其中超声波传感器接收过程处理单元提供高频励磁脉冲信号然后把这些脉冲信号转换成超声波信号。同时超声波信号从管道表面和冷却剂表面反射回来的信号通过传感器转换成相应的电信号送到过程处理单元进行分析和处理。
2.1.2 过程处理单元
过程处理单元承担了超声波液位计测量系统的信号分析,数据采集,数据处理,数据输出等过程内容。通过连续测量的方式实现以下的功能:
(1)液位数据即时显示(每秒刷新一次数据)。
(2)提供两个继电器输出报警分别对应成“高水位"和“低水位"。
(3) 提供4-20mA或者0-20mA电流输出。
(4)提供 RS232 接口与计算机进行数据通信。
(5)通过内部的继电器电路实时跟踪探头是否安装,并提供相应的报警。
(6)提供设备故障的报警信息。
过程处理单元主要由处理模块,MADC组件,键盘输入 / 显示模块,电源分配模块以及算法软件等几个单元模块组成
2.2 超声波液位计测量系统的使用
在超声波液位测量系统投运之前需要确认以下几点工作内容 , 确认无误后方能执行后续的系统投运工作以保证测量工作的有效性。
(1)主管道的保温层已经拆除。
(2)主管道上面的探头支撑件完好无损坏。
(3)主管道与传感器安装的接触面表面必须清洁。
(4) 各单元直接的连接电缆已经连接好。
(5)系统电源指示灯亮,系统电源没有问题。
(6)过程处理单元接地良好(用兆欧表做绝缘测试)。
2.2.1 系统启动和停止
通过过程处理单元柜上面的电源开关按钮进行系统启动工作,之后系统开始执行初始化工作,同时, 系统对内部存储器执行测试,测试 OK 后就地指示灯亮。之后对系统等各个
子项进行测试,测试合格后系统处于 STAND-BY 模式。
2.2.2 系统参数设置以及仿真测试
在 STAND-BY 模式下通过键盘操作进入到 2(参数设置)里面对相应的参数进行设置。
运行参数中可以根据实际的工况参数 (如液位高报定值,液位低报定值,满水时液位,空管液位,管壁厚度以及材料)对相关参数进行设置。
参数设置完成后按 B 退出回到 STAND-BY 菜单。进行仿真测试(通过按键选择2),仿真测试的内容是模拟现场的实际水位信号去测试模拟量输出,液位高低报警,远方显示等功能是否正常。整个仿真测试的事件总共持续 30S。仿真测试分为手动仿真测试和自动仿真测试两种供用户在不同场合选择,仿真测试完成合格后就可以进行校验操作。
2.2.3 探头安装及系统校验
在校验前,首先确认现场探头已经安装就位,且探头安装满足使用要求,同时确认主管道旁边的余热排出泵已经停运。之后操作人员执行自动校验操作,出现两个选项
(1)PREVIOUS CALIBRATION(之前的校验)。
(2)NEW CALIBRATION(新的校验)。
在每次超声波液位计测量系统投运时,探头都要重新安装一遍,因此现场探头的位置以及管道内实际的情况与之前都有偏差,需要重新进行标定校验, 因此只能执行2选项,此时系统执行一系列的计算,显示测试进行中 , 如果执行校验过程中没有故障的话,整套超声波液位计测量系统校验完成,就可以实时监控主管道内的水位情况,同时通过模拟量输出把水位的测量信号输送到主控的显示仪进行数据显示。如果校验过程中出现故障,则画面中 STATUS(状态)栏中会出现相应的故障代码,之后再根据故障代码的处理措施查找故障原因,故障排除后再次执行新的校验直到系统正常使用为止。

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