超聲波液位計的故障原因分析及處理

 摘要：超聲波液位計是由微處理器控制的數字物位儀表。由于采用非接觸的測量，被測介質幾乎不受限制，被廣泛用于各種 液體和固體物料高度的測量。寧波鋼鐵能源環保部供水系統各種水池液位基本都使用了超聲波液位計，共計有 70 多臺，大多采用了德國 VEGA 的產品，型號為 VEGASON61 和 VEGASON62 等，該產品使用 PVDF 的探頭，帶 EPDM 密封和一體式的溫度傳感， 用于校準聲波運行時間，精度為±10 mm，ECHOFOX 采用先進的模糊邏輯對信號分析處理。

1 故障經過

       2010 年 3 月 31 日 1#高爐煤氣洗滌水站冷水井液位及 5 月 11 日軋鋼泵站濁環水池液位檢測中，出現虛假高液位信 號，液位顯示高于補水液位，導致系統未及時進行自動補水， 供水泵進氣。其中軋鋼泵站濁環水池液位低造成卷取設備高 壓冷卻 2#供水泵進氣，現場停機，該系統壓力從 0.92MPa 降 至 0.47MPa，流量從 5700m3/h 降至 3838m3/h。熱軋由于水 壓低，緊急停泵，造成軋鋼停產。 兩次故障的現象基本相同，以軋鋼故障為例，從液位指 示的歷史趨勢數據可以發現：5 月 11 日 0：37：13 冷水井液 位從 5.02 米瞬間跳變 5.89 米，基本一直維持在 5.89 米以 上，至 9：55：23，水泵供水出現異常，運行人員擦去液位 計探頭上的結露后液位指示恢復正常，顯示為 3.3 米。

2 原因分析
2.1 線路干擾
       故障后對液位計的線路進行了仔細排查，PLC 柜內屏蔽 線可靠接地，且現場附近無大型電氣設備啟動，另外考慮線 路干擾通常會導致顯示滿量程，而兩次故障均為顯示高液位， 所以線路干擾可以排除。

2.2 液位計本體檢查
       （1）儀表接線口，防護等級為 IP68，但從我們檢查的 軋鋼濁環、煤氣洗滌冷水井、煤氣洗滌熱水井、高爐軟水四 個地方均已在施工或更換時被破壞，水汽從此處進入儀表內 部。
       （2）儀表表頭，防護等級為 IP67，此處的密封情況經 檢查仍良好，表頭頂部液晶顯示器視窗上凝結水明顯，應該 是從進線口吸入水汽造成，對儀表的準確性沒有影響，但可 以反映出內部受潮嚴重。
       （3）儀表探頭表面，是液位計測量液位的起始零點， 故障時出現虛假液位，運行人員擦去探頭表面的結露后，液 位顯示正常，導致我們zui初認為探頭表面結露是產生虛假液 位的主要原因。實際上，軋鋼濁環水液位計設置此處以下 0.4 米為盲區，被測水池蒸汽造成探頭表面結露，不會因為反射 而造成虛假液位，只會對超聲波的發射和接收產生一定的影 響。
       （4）儀表探頭及換能器頭，超聲波發射及接收的核心 部分，超聲波是通過換能器內超高壓的壓電裝置，讓探頭上 的金屬薄膜起振而產生的，因為進線口密封不好，水汽慢慢 滲入，換能器內長時間濕度很大，日積月累，易產生雜波， 也會造成超聲波的減弱甚至失效。擦拭探頭后液位就能恢復 正常的原因是擦拭探頭時外界的振動幫助起振薄膜起振，超 高壓壓電裝置瞬間放電的高溫使換能器內的局部環境干燥， 換能器又能夠正常工作，但經過一段時間后濕度增大又會引 起工作異常。
       （5）超聲波回波監測，使用專用接口及軟件檢查了軋 鋼濁環水系統冷水井、煤氣洗滌水冷水井的液位計超聲波狀 態。見下圖，圖中灰色為盲區，白色為正常測量區，當正常 的液面反射波信號弱于雜波信號時，系統會將前面的雜波信 號當作反射波信號，造成虛假液位。

2.3 設備選型及安裝
       軋鋼濁環等地的現場環境是屬于比較惡劣的，周圍水汽 很大，池內水溫高，蒸汽彌漫，整個環境的濕度非常高，這 種環境條件下，原設計的設備選型不夠合理，超聲波液位計 不是完全不能用，必須要保證設備的密封性能，設備才能可 靠運行，但選用靜壓或雷達波的要可靠得多。從檢查情況看， 出現故障的液位計安裝不夠規范，超聲波液位計的安裝必須 固定，保證超聲波的發射和接收角度相對穩定，系統本身有 一個自學習的過程，位置經常變化對液位的準確測量有很大 的影響，而由于經常擦拭探頭導致煤氣洗滌的液位計晃動明 顯，軋鋼濁環的干脆就沒有固定(固定后無法擦拭探頭)。

3 改進措施
       （1）按影響生產的重要程度進行分類，確認共有 9 個 比較關鍵的水池上增加靜壓式液位計：煤氣洗滌水的冷水井 和熱水井，層流泵站的熱水井，煉鋼濁環水池，軋鋼濁環水 池，鼓風機凈環熱水井一期、二期、三期，煉軋鋼漩流井， 用于顯示液位、報警及聯鎖。
       （2）上述水池內增加導電電極液位開關，不受外界其 它因素的干擾。PLC 程序修改完善，自動補水的聯鎖條件為 液位開關 DI 信號與液位計的 AI 信號并聯，提高補水閥與液 位聯鎖的可靠性，保證補水閥正常工作。
       （3）對供水作業區所有超聲波液位計進行一次全面的 清查，包括超聲波的發射和接收性能、設備安裝規范等。

4 結語
       造成液位計虛假高液位的直接原因是因為環境濕度大， 接線口密封不好，導致水汽進入液位計內部，這是一個比較 復雜的綜合作用下產生的故障。換能器長期在濕度很大的環 境下工作，積累到一定程度時，超高壓的壓電裝置工作不正 常，產生的超聲波出現衰減等現象，這些因素都會引起信噪 比降低，產生虛假液位信號。 一臺檢測儀表，尤其是涉及到設備起停聯鎖的關鍵設備， 一旦出現故障可能引發重大設備及生產事故，必須高度重視。