基于超声波的管道积液检测方法研究*

衣 粟，张英杰，张国庆，吴 畏，孙洪彬，王培东

（山东省特种设备检验研究院有限公司，山东 济南 250101）

1 概述

在石油、化工及天然气等工业生产中需管道运输气体介质[1]。然而由于管道周围环境与管壁温度不同会产生热交换，致使管道内的气体析出液体产生积液[2-3]，进而使管道气液比变小从而降低输送效率，同时酸性积液会使管道发生电化学反应锈蚀管道，威胁健康的生产过程[4]。因此研究适宜可行的积液测量方法及清管方案对于管道运输系统的安全运行具有重要意义。

目前液位的测量方法主要有电容式、浮子式、磁致伸缩式、雷达液位法及层析成像方法[5]。超声波法相较于上述的方法具有非接触式测量、环境影响小、对于腐蚀性液体的测量寿命长以及测量方便、价格低廉等优势。为此本文提出了基于超声波的管道液位检测方法，并在管道中开展了实验。结果表明，本文提出的方法可以有效检测管道内的积液。

2 超声波液位检测原理

超声波具有穿透能力强、可以在不同介质的分界面产生反射的特点，采用脉冲回波法获取液位信息[6]，通过非接触的方式测量液位。超声波液位检测系统图如图1所示。

超声波液位检测原理为：利用超声波系统驱动超声波传感器产生超声波；超声波经过管道外壁和积液传播并会在积液表面反射被超声波传感器所接收。假定超声波的声速为v，超声波在液体中的传输时间为t，则液位高度可表示为：

图1 超声波测量液位系统图

通过公式（2-1）可知，当波速一定的情况下，液体的高度不同时，波在液体中的传播时间不同，因此可以通过液面的回波时间实现液位高度的测量。系统可以对超声波信号进行高速采样与存储，并利用阈值法对所采样数据进行分析，根据数据中是否有积液的回波信号辨识管道内积液状况。

3 超声波液位检测系统设计

图2 高压驱动及超声波发射电路图

图3 超声波接收电路图

硬件电路的功能模块主要包括超声波发射电路和超声波接收电路。

3.1 超声波发射电路设计

超声波发射电路为超声波传感器提供高压脉冲激励信号，当该脉冲激励信号作用于传感器时，会使传感器发生逆压电效应进而产生超声波。超声波发射电路如图2所示，整体设计思路为：2.5MHz的脉冲信号通过超声波发射电路对PWM脉冲进行反向和升压处理，得到一组高压脉冲激励信号作用于超声波传感器。

3.2 超声波接收电路设计

超声波接收电路的作用是通过对超声波接收信号进行处理，提取有效信号而减小噪声干扰，从而更好的实现对信号的采集。接收电路对接收信号进行限幅、放大、带通滤波处理后，通过USB采集卡实现对信号的连续高速采集。信号放大电路和带通滤波电路设计如图3所示。信号放大电路可以提高信号的带负载能力，带通滤波的作用是抑制其他频率的噪声信号。

4 实验研究与分析

4.1 实验平台搭建

实验平台主要包括液位检测电路板、超声波传感器、测量管道、12V的开关电源、示波器、上位机等。实验选用长2060mm，直径500mm，壁厚10mm的水管作为待测容器，以水作为超声波传播的液体介质进行实验。

实验通过向管道内注水模拟管道积液，不断增加液位高度进行数据采集与积液判断。根据实验测得无积液和有积液下信号图分别如图4（a）和（b）所示，由两图对比可以看出，在有积液的情况下，可以看到明显的回波信号。

4.2 测试结果分析

在2.4cm范围内对多个液位高度进行测量，每一个液位高度下进行多次重复性测量实验，实验结果如表1所示。表格中第一列为液位实际高度值，其他各列中的数据为同液位高度下的3次等精度测量结果。

对表1中测量结果进行分析修正，首先计算得到每次测量结果的测量误差，误差分布图如图5所示。从图中可以看出，在2.4cm的范围内所测的各液位值的测量误差都在0.3cm以内，该实验结果显示系统的测量精确度较高。

图4 实验测试信号图

表1 液位测量实验结果

图5 测量误差分布图

进一步，利用标准偏差分析系统的测量不确定度。首先，计算得到每个液位下测量结果的算术平均值x¯。

计算结果如表2所示，系统单次测量结果偏离算术平均值很小，即系统可重复性好，测量不确定度低。

表2 液位测量性能指标分析

5 结束语

本文提出了基于超声波的管道积液检测方法。设计开发了超声波系统，通过对管道内的液位进行测量，结果表明提出的方法可以实现液位的非接触测量，并且经过多组对比试验证明该系统方法具有较好的稳定性。