张　芃章天霈 胡安伦 / 上海市计量测试技术研究院

侧壁式超声波液位计校准装置

介绍了侧壁式超声波液位计的工作原理，设计了一种针对此类仪表的新型校准装置。通过采用激光测距方法，最大程度还原了被检仪表的工作环境，不仅操作方法简便，且测量误差较低，可对广泛用于检测密封容器的侧壁式超声波液位计及类似仪表开展准确有效的校准溯源。

侧壁式超声波液位计；校准装置；激光测距

0　引言

侧壁式超声波液位计是一种利用超声波在不同介质中传播特性不同的原理，从外部确定容器内液体界面位置的仪表，广泛应用于检测船用消防设备中高压钢瓶内的二氧化碳或其他灭火剂，以及其他各类金属密闭罐体（包括带压容器）中储存介质的容量。对该类仪表进行可靠的校准溯源，确保其工作正常，能够保障船用消防系统的可靠运转，在行船安全方面将起到关键性作用，具有十分重要的经济效益与社会效益，目前国内尚无专用的校准装置。上海市计量测试技术研究院建有液位计2 m水槽标准装置，水槽壁由有机玻璃制成，外径较大且罐壁相对较薄，受仪器检测盲区影响，实际无法使用此装置开展校准。国外也有生产厂家（如Coltraco）使用玻璃罐配合钢直尺进行校准。虽然该方法具有直观、简单和易实现的特点，但玻璃与现场应用的罐壁材料（钢）在改变超声波传播阻抗上仍有差别，也不易保存，并且使用钢直尺进行定位测量会受人为因素影响，测量不确定度较大。也有技术人员［1］提出使用铝桶配合钢直尺的方案对仪表进行校准，但铝桶同样与实际使用环境有所不同，不能准确反映被检仪表的实际工作情况。

通过对被检仪表工作原理的研究，可设计一种新型侧壁式超声波液位计校准装置，用于解决该类仪表的校准问题。由于目前行业内常用的侧壁式液位计最大允许误差通常为±10 mm，参照液位计检定规程JJG 971-2002中对检定设备的要求，所设计装置的扩展不确定度应不超过2.5 mm。

1　侧壁式超声波液位计的工作原理

目前工业现场常见的反射式超声波液位计多安装于容器内顶部，通过探头向液面发射超声波脉冲并接收反射信号，根据声速与时间间隔计算出液位高度。而侧壁式超声波液位计则采用非介入测量的方法，基于超声波脉冲在不同介质中传播特性不同的原理，通过在容器侧壁上外贴探头的方式判定容器内对应空间是否有液体，以此来确定液位高度［2］。

根据声学理论，超声波在不同介质之间的反射与折射主要取决于两种介质的声阻抗Z，其表达式为

式中：ρ — 介质密度；

v — 声波在该介质中传播速度

当超声波垂直于界面入射时，通过声阻抗可以得到两个重要的系数，分别为声强反射率R与声强透射率T，其表达式为［3］

其中，Z1、Z2分别为两种介质的声阻抗，R + T = 1。

由于罐体容器的材料多为钢板，其声阻抗约为4.5×106kg/m2s。另外通过查阅相关资料可知，液态介质声阻抗约为0.8 ～ 1.5×106kg/m2s，而气体约为0.4 ～ 4×102kg/m2s，远小于固体与液体介质的声阻抗［4］。根据式（2）、（3），可知金属与液体界面的透射作用更强，故当超声波脉冲穿过金属外壁进入液体介质中，大部分回波将被吸收，少量被反射，声能衰减快；若进入气体，则大部分回波将被反射，声能衰减较慢。侧壁式超声波液位计即通过接收反射回波信号的能量强度来确定实际的液面位置。

2　液体介质选择

由于超声波在不同介质中的传播特性不尽相同，这对仪表性能将造成一定影响。为能准确确认被检仪表的性能，需要选用正确的液体介质。

以消防设备中使用最多的二氧化碳气瓶为例作为液位计的被检对象。由于常温常压条件下无法直接获得液态二氧化碳，因此在实际检测时需要另选一种液体介质模拟钢瓶中的液态二氧化碳。此种液体介质的声阻抗需要尽可能接近液态二氧化碳的声阻抗，从而能够更加真实地模拟探测仪检测时超声回波信号的变化情况并以此判断液面位置。

根据相关资料可知［5］，二氧化碳气瓶中的压力及液气比例将随着环境温度的变化而变化，常温下钢瓶中的液态二氧化碳密度约为1.1×103kg/m3，而声波在此介质中的传播速度为839 m/s，则液态二氧化碳的声阻抗为9.23×105kg/m2s。

通过对表1所示的几种常用液体介质的声学特性进行比较，可得同样条件下酒精的声阻抗最接近液态二氧化碳，因此选用酒精作为液体介质对被检仪表进行校准。同时，为了真实还原被检仪器的测量状态，采用钢作为罐体容器的材料。

表1　常用液体介质的声阻抗

3　装置结构设计与误差分析

考虑到侧壁式液位计工作时将探头垂直贴在钢瓶外壁上，当其定位到罐体内的液面时，探头中心所处位置应与液面处于同一水平面。因此设计一套激光定位装置，利用支架在容器外获得水平基准面，并在容器内外两侧分别安装高准确度激光测距仪，当仪表指示液位时，通过比较此基准面到钢瓶内液面和探头表面的距离，实现被检仪表的校准。装置结构如图1所示，定位支架为T形结构，配备一块水平金属板，该金属板通过一根竖直支架与钢桶内壁固定。

图1　校准装置结构示意图

校准时，需将整套装置放在水平面上，然后向容器中注入液体至不同的高度，分别测出激光测距仪到液面上浮子的距离L0与到探头的距离L。由于L所测得的只是激光束到探头上表面的距离，而超声波信号的发射与接收点应位于探头的中心，因此探头实测的液面位置到激光测距仪的距离应为L + r，r为探头的半径。另外，注意到浮子表面与实际液面并非严格处于同一水平高度，受材料影响浮子表面会略高于液面位置，故计算液面高度时需要加上两者的差值。该差值d可以通过浮子与液体介质的浮力关系求得，或直接通过实验测出。由此可得被检仪器的测量误差表达式为

根据对装置结构以及测量方法的分析，此装置主要系统误差由以下几部分组成：

1）激光测距仪的基本误差

为便于观察水平仪及激光测距仪的读数，装置的整体高度设为1.2 m，其中容器高度为0.8 m，激光测距仪的实际有效测量范围约为0.3 ～ 1.1 m。为达到装置不确定度设计要求，选择了一款测量准确度较高的激光测距传感器，其测量范围小于3 m，分辨力0.1 mm，经测长实验室校准验证，在有效测量范围内的最大示值误差不超过±1 mm，扩展不确定度为0.5 mm。

2）激光出射角度偏差

由激光传播的准直性可知，激光束的出射角度偏差会传递到最终的测距结果中。如图2所示，L为实际液面距离，L′为测得液面距离，由激光传播的角度偏差θ引起的测距误差ε为

图2　激光出射角度偏差

由式（5）可得，当最大测量距离L = 1.1 m、角度偏差θ = 10′时，产生的测量误差ε仅为0.005 mm，远小于激光测距仪的示值误差，而所用水平仪的最大允许误差为6′，因此由激光出射角度偏差引起的不确定度相比于激光测距仪可以忽略不计。另外在安装激光测距仪时，通过利用可调螺丝进行对中调节，也可保证两道激光束均沿竖直方向传播。

3）容器的垂直度误差

当容器所放置的底面非绝对水平面时，由于容器壁与水平面不完全垂直会造成实际液面与探头表面不在同一水平高度，进而将产生测量误差。与激光出射角度偏差类似，此误差也可通过采用辅助补偿方法限制在可以忽略的程度，即在容器底部安装基座，利用高度可调的脚架调节容器壁的垂直度，使其不超过6′。

综上所述，可知所设计装置的系统误差及测量不确定度主要由激光测距仪的测量误差决定，由此推算，该套装置的总扩展不确定度可以达到2.5 mm以内，符合预期的技术指标要求。

4　结语

本文介绍了一种基于激光非接触测距方法的新型侧壁式超声波液位计校准装置，真实还原了被检仪表对二氧化碳钢瓶进行液位检测时的工作状态。与已有的校准装置相比， 此装置不仅测量方法简便，还能够节省用液量，在提高测量准确性与效率方面具有很大的优势。本装置投入使用后，可对侧壁式超声波液位计及类似仪表进行更加有效的校准溯源，这对于测量密闭罐体内介质容量及船用消防系统的安全保障都具有十分重要的意义。

［1］ 安兆亮，胡央丽.侧向贴壁式超声波液位计校准方法探索［J］.声学技术，2010，29（6）：366-367.

［2］ 马志敏，郝毫毫，鲁立中.超声波壁外透射衰减式定点液位测量方法研究［J］.仪表技术与传感，2003，9：45-49.

［3］ 冯若，姚锦钟，关立勋，等.超声手册［M］.南京：南京大学出版社，1999.

［4］ 马志敏，王敏，刘珍秧.大型压力容器定点液位的超声非介入式检测［J］.无损检测，2003，25（12）：626-627.

［5］ 全国气体标准化技术委员会. GB/T 6052-2011［S］. 北京：中国标准出版社，2012.

Study on the calibration equipment for sidewall ultrasonic level meter

Zhang Peng，Zhang Tianpei，Hu Anlun
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

With the introduction of the operational principle of sidewall ultrasonic level meter， a novel calibration equipment used for this kind of instrument is proposed in this paper. The designed equipment is able to largely reproduce the operating environment of the tested instrument via the method of laser ranging. Meanwhile， this equipment is easy to operate and has lower measurement error， therefore it can be used to conduct precise and effective calibration work on sidewall ultrasonic level meter or similar instruments， which are widely used in the test of sealed containers.

sidewall ultrasonic level meter； calibration equipment； laser ranging