超声波液位计的故障原因分析及处理

 摘要：超声波液位计是由微处理器控制的数字物位仪表。由于采用非接触的测量，被测介质几乎不受限制，被广泛用于各种 液体和固体物料高度的测量。宁波钢铁能源环保部供水系统各种水池液位基本都使用了超声波液位计，共计有 70 多台，大多采用了德国 VEGA 的产品，型号为 VEGASON61 和 VEGASON62 等，该产品使用 PVDF 的探头，带 EPDM 密封和一体式的温度传感， 用于校准声波运行时间，精度为±10 mm，ECHOFOX 采用xianjin的模糊逻辑对信号分析处理。

1 故障经过

       2010 年 3 月 31 日 1#高炉煤气洗涤水站冷水井液位及 5 月 11 日轧钢泵站浊环水池液位检测中，出现虚假高液位信 号，液位显示高于补水液位，导致系统未及时进行自动补水， 供水泵进气。其中轧钢泵站浊环水池液位低造成卷取设备高 压冷却 2#供水泵进气，现场停机，该系统压力从 0.92MPa 降 至 0.47MPa，流量从 5700m3/h 降至 3838m3/h。热轧由于水 压低，紧急停泵，造成轧钢停产。 两次故障的现象基本相同，以轧钢故障为例，从液位指 示的历史趋势数据可以发现：5 月 11 日 0：37：13 冷水井液 位从 5.02 米瞬间跳变 5.89 米，基本一直维持在 5.89 米以 上，至 9：55：23，水泵供水出现异常，运行人员擦去液位 计探头上的结露后液位指示恢复正常，显示为 3.3 米。

2 原因分析
2.1 线路干扰
       故障后对液位计的线路进行了仔细排查，PLC 柜内屏蔽 线可靠接地，且现场附近无大型电气设备启动，另外考虑线 路干扰通常会导致显示满量程，而两次故障均为显示高液位， 所以线路干扰可以排除。

2.2 液位计本体检查
       （1）仪表接线口，防护等级为 IP68，但从我们检查的 轧钢浊环、煤气洗涤冷水井、煤气洗涤热水井、高炉软水四 个地方均已在施工或更换时被破坏，水汽从此处进入仪表内 部。
       （2）仪表表头，防护等级为 IP67，此处的密封情况经 检查仍良好，表头顶部液晶显示器视窗上凝结水明显，应该 是从进线口吸入水汽造成，对仪表的准确性没有影响，但可 以反映出内部受潮严重。
       （3）仪表探头表面，是液位计测量液位的起始零点， 故障时出现虚假液位，运行人员擦去探头表面的结露后，液 位显示正常，导致我们zui初认为探头表面结露是产生虚假液 位的主要原因。实际上，轧钢浊环水液位计设置此处以下 0.4 米为盲区，被测水池蒸汽造成探头表面结露，不会因为反射 而造成虚假液位，只会对超声波的发射和接收产生一定的影 响。
       （4）仪表探头及换能器头，超声波发射及接收的核心 部分，超声波是通过换能器内超高压的压电装置，让探头上 的金属薄膜起振而产生的，因为进线口密封不好，水汽慢慢 渗入，换能器内长时间湿度很大，日积月累，易产生杂波， 也会造成超声波的减弱甚至失效。擦拭探头后液位就能恢复 正常的原因是擦拭探头时外界的振动帮助起振薄膜起振，超 高压压电装置瞬间放电的高温使换能器内的局部环境干燥， 换能器又能够正常工作，但经过一段时间后湿度增大又会引 起工作异常。
       （5）超声波回波监测，使用专用接口及软件检查了轧 钢浊环水系统冷水井、煤气洗涤水冷水井的液位计超声波状 态。见下图，图中灰色为盲区，白色为正常测量区，当正常 的液面反射波信号弱于杂波信号时，系统会将前面的杂波信 号当作反射波信号，造成虚假液位。

2.3 设备选型及安装
       轧钢浊环等地的现场环境是属于比较恶劣的，周围水汽 很大，池内水温高，蒸汽弥漫，整个环境的湿度非常高，这 种环境条件下，原设计的设备选型不够合理，超声波液位计 不是完全不能用，必须要保证设备的密封性能，设备才能可 靠运行，但选用静压或雷达波的要可靠得多。从检查情况看， 出现故障的液位计安装不够规范，超声波液位计的安装必须 固定，保证超声波的发射和接收角度相对稳定，系统本身有 一个自学习的过程，位置经常变化对液位的准确测量有很大 的影响，而由于经常擦拭探头导致煤气洗涤的液位计晃动明 显，轧钢浊环的干脆就没有固定(固定后无法擦拭探头)。

3 改进措施
       （1）按影响生产的重要程度进行分类，确认共有 9 个 比较关键的水池上增加静压式液位计：煤气洗涤水的冷水井 和热水井，层流泵站的热水井，炼钢浊环水池，轧钢浊环水 池，鼓风机净环热水井一期、二期、三期，炼轧钢漩流井， 用于显示液位、报警及联锁。
       （2）上述水池内增加导电电极液位开关，不受外界其 它因素的干扰。PLC 程序修改完善，自动补水的联锁条件为 液位开关 DI 信号与液位计的 AI 信号并联，提高补水阀与液 位联锁的可靠性，保证补水阀正常工作。
       （3）对供水作业区所有超声波液位计进行一次全面的 清查，包括超声波的发射和接收性能、设备安装规范等。

4 结语
       造成液位计虚假高液位的直接原因是因为环境湿度大， 接线口密封不好，导致水汽进入液位计内部，这是一个比较 复杂的综合作用下产生的故障。换能器长期在湿度很大的环 境下工作，积累到一定程度时，超高压的压电装置工作不正 常，产生的超声波出现衰减等现象，这些因素都会引起信噪 比降低，产生虚假液位信号。 一台检测仪表，尤其是涉及到设备起停联锁的关键设备， 一旦出现故障可能引发重大设备及生产事故，必须高度重视。