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液面水平的超声测量


使用EPOCH XT仪器测量液面水平

应用:

使用无损方式测量容器或管道中的液面水平(直接液面水平测量),或探测封闭的容器中是否存在液体(存在/不存在检测)。

背景:

测量液面水平的最简单方式是使用一个量液计或校准好的浮子进行直接观察测量。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。在需要快速、自动地对大量的正在被填装容器中的液面水平进行测量时,超声液面水平测量方法通常是一个非常好的解决方案。超声液面水平测量方法还可以有效地用于以下一些具体的情况:

  • 测量化学处理应用中的腐蚀性或反应性流体的液面水平。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静态液体,特别是在管道维护的过程中,要将管道打开或切开才能对管道进行检查时。
  • 核查组装线上各种汽车组件中的液面水平,如:燃料箱、变速器组装件、发动机油盘、差速器等。针对这些组件中的液体,要求进行快速、可靠、无损的测量。在某些情况下,要为在线测量填充好的容器而定位探头,需要将仪器与自动化机械手配合起来使用。仪器的检测结果用于激活喷标器,以标出液体水平超出了公差的容器。
  • 测量石油处理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,测量液面水平的应用分为两类:一类需要测量实际的液面水平(深度或高度),另一类要求探测在容器壁的某个所选位置上容器内是否存在液体。下面分别对这两种类别的测量分别进行说明。

设备(对液面水平直接进行测量):

对液面水平的测量通常采用常规脉冲回波厚度测量技术,并使用标准的超声测厚仪,或具有较大的厚度测量范围的探伤仪完成。需要基于具体的应用要求选择探头,但是探头的频率通常为1 MHz或2.25 MHz。我们建议用户使用以下所述的任何一种仪器完成这项测量应用:

  • 带有单晶软件的38DL PLUS型号测厚仪和45MG型号测厚仪:这些精确测厚仪经过设置可以测量液面的水平,不仅具有数字式显示功能,还提供了高/低报警功能,以及将数据记录下来并使数据文档化的数据存储功能。测量范围的上限一般约为125毫米。
  • EPOCH 650EPOCH 6LT探伤仪:这些测厚仪可以测量很长的液体中声程(可以达到1.25米以上)。

无论使用哪一种仪器,测量的范围和精确度都要根据具体的检测条件而确定,而且必须根据个别情况而选择。对于大多数液体,测量精确度可以达到±2.5毫米。

测量程序(对液面水平直接进行测量):

通过使用耦合剂将探头耦合到容器的底部,可以测量容器内液体平面的高度。测厚仪将一个电脉冲传送到探头,探头便生成一个短超声脉冲,然后这个短超声脉冲被传送到容器壁并进入到液体中。脉冲在液体中向上传播,直到达到液面水平。然后脉冲在液面上被反射回到液体中,并向下传播,然后被探头接收。

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,所计算的时间不包含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面水平:

h = vt/2

其中:
h = 液面水平
v = 液体中的声速
t = 往返传播时间

液面水平以数字形式显示在屏幕上。要有效利用这种测量技术,一定要考虑以下所列的各种因素。

1. 容器的材料类型和厚度:在确定液体属性和液体平面范围时,要首先考虑这些因素。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面水平。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。
2. 容器壁的表面条件:受到腐蚀或点蚀的容器表面会扭曲声波脉冲的传播,而且会使测量难以或无法进行。
3. 容器的曲度:曲度很大的容器可能会扭曲声波脉冲,或不能使探头与容器充分耦合,因而不能进行可靠的测量。
4. 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。
5. 液体的声学特性:液体中的超声衰减性能通常会决定可以测量的最高液面水平。一般来说,高粘度液体和带有高含量固体物质的液体最容易使超声声束衰减。
6. 温度影响:液体中的温度变化会引起液体的声速变化。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,则屏幕上出现的液面水平读数就不会正确。
7. 气泡:液体中的气泡(空气或其它气体)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。
8. 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。
9. 液体的组成成分:液体中的任何位置必须具有均匀的成分和一致的温度,才可以完成精确的测量。
10. 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。

设备(了解液体存在与否的测量):

我们建议使用一台探伤仪完成这种应用,如:奥林巴斯的EPOCH系列,所有EPOCH系列仪器都适用于探测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。

测量程序(了解液体存在与否的测量):

EPOCH 650仪器的液面水平屏幕具体的检测设置要取决于具体的应用。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,我们建议用户使用简单的脉冲回波检测方法完成这类检测应用。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应用。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。

EPOCH 650仪器的液面水平屏幕 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,以确保放置在容器表面的探头具有一致的耦合效果。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。下图表明使用一个V206-RB延迟块探头(5 MHz)对钢制储罐进行的典型的振铃检测。左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。右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。

振铃检测屏幕振铃检测屏幕
Olympus IMS

应用所使用的产品
EPOCH 6LT便携式超声探伤仪经过优化,可使检测人员单手完成操作,并在需要借助绳索进行攀爬和对便携性能有很高要求的应用中,出色地完成检测任务。EPOCH 6LT仪器的重量很轻,且其设计符合人体工程学的要求,操作人员手持仪器可以安全地进行检测操作,也可以在需要借助绳索进行攀爬的应用中将仪器绑缚在腿上进行检测。
EPOCH 650仪器是一款常规超声探伤仪,具有优质的检测性能和广泛的适用性:可用于许多检测应用。这款简单直观、坚固耐用的仪器脱胎于广受欢迎的EPOCH 600探伤仪:EPOCH 650仪器添加了一些EPOCH 600探伤仪没有的功能。

45MG是一款配备有标准测量功能和多个软件选项的高级超声测厚仪。这款独特的厚度测量工具可与我们的全系列双晶和单晶测厚仪探头兼容。

用途广泛的38DL PLUS测厚仪既可与双晶探头一起使用,测量被腐蚀管道的厚度,也可与单晶探头一起使用,对薄材料或多层材料进行非常精确的厚度测量。
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