外贴式式超声波液位计是一种新颖的液位测量装置，主要用于测量密封液态气体容器内液位高度。它测量时安置在罐体侧壁上与被测液体不接触，可以测量有毒、有害、腐蚀性的介质液位，不需在罐体和管线上钻孔，不受罐内高压的影响，即使对有泡沫介质的液位也可以测量。但如何校准外贴式超声波液位计也成为一个需要解决的问题。
超声波液位计工作原理
超声波液位汁是液位计的重要类型，常见的超声波液位计安装于容器上部或底部，探头向被测液体发射一束超声波脉冲。声波被液体表面反射，部分反射回波由探头接收并转换为电信号。从超声波发射到被重新被接收，其时间与探头至被测液面的距离成正比，根据已知的声速便可以计算出液面位置。外贴式超声波液位计则不然，它的工作原理是基于超声波脉冲对液体有和无状态下的不同反应，也就是根据超声波脉冲反射回波信号的大小不同判定液面位置。如果容器内壁是液体，那么部分声能将被吸收，少量被反射回来。如果内壁是气体，反射回波将大得多。
所以按照JJG971-2002液位计检定规程，常见超声波液位计校准是通过液位计水箱检定装置或模拟液位的方法来实现，外贴式超声波液位计则无法按此校准，主要是改变液位对于外贴式超声波液位计是没有意义的，因为外贴式超声波液位计实际上测量的不是液位，而是壁面内侧液体的有无，通过不断的判定来寻找液面。
外贴式超声波液位计校准方法
我们的外贴式超声波液位计校准方法主要是立足于模拟实际工作状况，即以充有一定液体的圆桶配以钢直尺确定液位进行校准。外贴式超声波液位计校准装置原理简单，制作的难点在于圆筒壁厚、直径和材质的确定。
超声波在不同介质界面的反射、透射，主要决定于两种介质的声阻抗。声阻抗Zi=ρv1，其中ρ为密度，v1为各自的声速。当超声波垂直于界面入射时，声强反射系数R和声强入射系数T与声阻有函数关系如下式：
其中Zsol为固体声阻抗，Zliq为液体声阻抗。
可见适当的液体和桶材质的选择，以获得大的反射信号变化是外贴式超声波液位计校准有效实施的重要环节。液体介质我们选用最常见的水为原料，水的声阻抗 1.48×106Pa.s/m。存储液态气体的罐体，常见材质主要是铁、钢、铜和铝。常温下，铁的阻抗为45.0×106Pa.s/m，钢的阻抗为46.5×105Pa .s/m，铜的阻抗为41.8×106Pa.s/m，铝的阻抗为16.9×106Pa.s/m，代入式
可见铝得到更大的回波信号差，更能理想的校准结果。
对于桶壁厚和直径，我们查阅了GB11640-2111《铝合金无缝气瓶》，GB5099-1994《钢质无缝气瓶》 和GB5842-2006《液化石油气钢瓶》。发现对于实际气瓶产品，壁厚、筒的直径应满足一定的关系，不同材质和用途有不同。但一定的最小厚度是有要求的。另外超声波探头在工作中都是有一定盲区的，在盲区内是探头是无法分辨出回波信号的。桶壁过薄有可能会产生这种状况，从而令仪器产生误读。同时桶的直径也应考虑便于探头的耦合固定
综上，我们选取了3.0mm壁厚，筒外直径300mm，深1000mm的铝桶作为容器。外贴式超声波液位计校准时，将圆桶放置于水平面上，在圆桶中装入水，用钢直尺(精度等级1级)确定液面高度，将外贴式超声波液位计探头贴在外壁寻找界面位置，记录高度；重复3次。改变位置4次，高度分别为200mm、400mm、600mm、800mm,以检研对不同液位的检测能力。如图2所示：
图1 外贴式超声波液位计校准示意图
测量结果分析
以英国某品牌外贴式超声波液位计为例进行分析。
上表是外贴式超声波液位计在不同液位下的10次测试结果，取表中标准差的最大值作为A类标准不确定度分量uA。对于B类不确定度，因为外贴式超声波液位计的显示不是相应的液位值，所以只考虑钢直尺测量误差uB。钢直尺精度等级1级，示值误差小于等于±0.2mm，按均匀分布估计测量误差。各不确定度分量独立无关，取包含因子k=2，则测量结果的扩展不确定度为
可见我们装置的测试结果对于外贴式超声波液位计校准是满足需要的。
通过分析和比较，我们得到了简易有效的外贴式超声波液位计校准装置。我们最后还应注意要这种外贴式超声波液位计是不存累计误差的，外贴式超声波液位计校准中改变液位测量，只能增加稳定性，而不能说明更多性能。
作者：安兆亮 上海计量测试研究院
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