侧壁式超声波液位计校准
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***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Z = ρv 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：
2、液体介质选择：
以消防设备中使用***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 1.1×103 kg/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 9.23×105 kg/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***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：
图 1 校准装置结构示意图
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***大示值误差不超过 ±1 mm，扩展不确定度为 0.5 mm。
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***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
当容器所放置的底面非水平面时，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，