罐區(qū)儲槽、儲罐是化工企業(yè)中重要的設備。由于其容積大，需用液位數(shù)據進行物料計量以獲得儲存量，故其液位測量儀表要求具有較高的測量精確度和測量重復性。

 

        云南云天化股份有限公司紅磷分公司(以下簡稱紅磷公司)硫酸罐區(qū) 6 # 硫酸槽是一臺直徑為 20m、高近 11 m 的中型儲槽，儲槽內硫酸計量采用測量液位再折算為質量的方式。根據 6 # 硫酸槽幾何尺寸及硫酸密度計算得出，每 1 cm 高度的硫酸對應質量為 5. 71 t。因此，液位測量的準確性對槽存計算結果影響相當大。

 

        6 # 硫酸槽液位的檢測曾使用過浮標液位計、靜壓式液位計(差壓變送器方式)、人工皮尺測量等方式，但效果都不好。浮標液位計存在易機械變形、精度低、信號不能遠傳等缺點。靜壓式液位計測量方式不僅受溫度、密度變化影響大且儀表維護、拆校不方便，存在安全隱患。人工皮尺測量原始而又繁瑣，且測量誤差大。結合紅磷公司使用德國 E+H超聲波儀表多年的應用經驗，對 6 # 硫酸槽的液位測量改用了 E+H 超聲波儀表測量。由于硫酸計量僅為紅磷公司內部結算(超聲波液位計 0. 2%的精度已足夠)，但從近幾年的運行情況來看，測量效果并不理想。筆者對超聲波液位計應用中存在的問題進行了分析，并提出解決措施。

 

1 超聲波液位測量存在問題及分析

1. 1 測量原理及特點

        超聲波液位測量的原理如圖 1 所示。根據超聲波的聲學特性，由超聲波物位變送器利用換能器(探頭)中的壓電晶體發(fā)射超聲波，并接收從物位表面反射回來的回波，根據超聲波發(fā)射及接收的時間間隔，計算超聲波的傳輸距離，再用總高度(空高)減去超聲波傳輸距離，即可得到需要測量的物位，再由變送器轉換為標準的 4～20 mA 信號送到 DCS 系統(tǒng)上監(jiān)控。計算公式如下:

L = E － D = E － ct/2 (1)

式中:L———硫酸液位高度，m;

E———空高，m;

D———超聲波的傳輸距離即探頭到液面高度，m;

c———超聲波在空氣中的傳播速度，m/s;

t———超聲波脈沖由發(fā)送到接收的時間，s。

 

        采用超聲波液位計測量，其zui為明顯的一個特點是非接觸式測量。由于超聲波是機械波的一種，即是機械振動在彈性介質中的一種傳播過程，其特點是頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小及方向性好，能夠成為射線而定向傳播。超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強，尤其是在對光不透明的固體中，超聲波可穿透幾十米的長度，碰到雜質或界面就會有顯著的反射，超聲波測量物位就是利用了它的這一特征［1－2］ 。

 

1. 2 存在問題

        多年來，超聲波液位計在 6 # 硫酸槽應用爭議較多，特別制定了對該液位計進行定期檢查、標校的規(guī)定，但多次檢查發(fā)現(xiàn)超聲波液位計并無故障。硫酸生產廠認為超聲波液位測量與現(xiàn)場浮標液位計不符，并導致硫酸產量計量虧損(zui多統(tǒng)計為 570t/月)?，F(xiàn)場浮標液位計精度不能與超聲波液位計相比，但因爭議太大，故協(xié)調停用 6 # 硫酸槽，將其液位控制在一定高度，隨后連續(xù)幾天對此液位進行觀察，并從 DCS 系統(tǒng)中調出 6 # 硫酸槽液位的歷史趨勢曲線，見圖 2。

        停用的 6 # 硫酸槽并無進或出的硫酸，其液位應無變化，液位歷史趨勢曲線應近似為一條直線。但是從圖 2 中可以看出:液位有明顯的規(guī)律性變化，其變化的規(guī)律性與時間段有關。每日液位在 07 ∶ 00到 10∶ 00 上升到zui大值，從 10 ∶ 00 液位開始緩慢下降，到 15∶ 30 至 18 ∶ 00 下降到zui低值，從 19 ∶ 00 左右開始緩慢上升，到次日 07 ∶ 00 至 10 ∶ 00 基本到zui大值，如此循環(huán)。晝夜溫差越大，上述現(xiàn)象越明顯，液位變化zui大約 15 cm，如果折算為硫酸質量則約為 85. 65 t，這種誤差引起了生產上下游環(huán)節(jié)計量結算的爭議。這也說明采用超聲波液位計測量硫酸槽液位確實存在一定的問題。

 

1. 3 問題分析

        首先對儀表進行了常規(guī)檢查，超聲波物位計沒有問題。進一步采用了替換法:即用正常工作于其他液位測量點的超聲波物位計與 6 # 硫酸槽的超聲波液位計進行對調，結果是 6 # 硫酸槽的超聲波液位計用于其他液位測量能正常工作，而換過來的超聲波液位計測量結果仍如圖 2 相似。這就證明了超聲波液位計本身沒有故障，問題應該出在周圍的測量環(huán)境上。

 

        影響超聲波測量的外部環(huán)境因素主要有溫度、濕度、氣壓、粉塵、泡沫、攪拌裝置、霧氣及蒸汽等［2］ 。濕度及氣壓影響微乎其微，可以忽略不計。6 # 硫酸槽也不存在粉塵、泡沫及攪拌裝置等因素影響。硫酸霧和蒸汽在下雨時若雨水進入槽中偶爾有之，影響不大。至于溫度，對超聲波的傳播速度影響較大，一般認為當溫度每變化 1 ℃，將可能引起0. 2%～ 0. 4%的波速變化，同時會引起測量結果變化 0. 2%～0. 4%。但是制造商已考慮到溫度變化對超聲波液位計影響的因素，目前幾乎所有超聲波液位計在探頭內均集成有溫度探頭，用以測量環(huán)境溫度，并自動校正溫度影響，E+H 超聲波液位計也不例外。

 

        考慮到液位的變化具有規(guī)律性，將檢查的重點放在了現(xiàn)場環(huán)境溫度。由于超聲波液位計帶有溫度補償功能，環(huán)境溫度變化對液位測量準確性的影響應是很小的甚至可以忽略，經過計算其影響僅為微米級，不是主要的影響因素。在檢查硫酸槽環(huán)境溫度過程中，發(fā)現(xiàn)硫酸槽由液面到超聲波探頭的空間溫度不一致，存在較大的溫度梯度。采用 Pt100 熱電偶與溫度數(shù)顯儀測量的溫度(時間為 16 ∶ 00 即當天液位下降到zui低點時，室外環(huán)境溫度 28～30 ℃)見表 1。

        由表 1 可以看出，在下午超聲波探頭外殼的溫度為 42. 8 ℃，由于溫度元件集成于探頭內部，其內部溫度要高于外殼，也即超聲波所測量的溫度應該大于 42. 8 ℃。

 

        次日 10 ∶ 00 左右(即當天液位上升到zui高點時，室外環(huán)境溫度較低，約為 15 ℃)測得硫酸槽內溫度如下表 2。

        由表 2 可以看出，在早上情況剛好相反:探頭處的溫度僅為 15 ℃，而硫酸溫度為 28 ℃。通過定量計算，分析是溫度梯度引起的液位測量值的變化。

 

資料表明，超聲波在空氣中的傳播速度受溫度的影響，超聲波在空氣中的傳播速度與溫度的計算公式如下:

c = 331. 5 + 0. 6T (2)

式中:T———溫度，℃;

c———超聲波傳播速度，m/s。

 

        由于在硫酸槽應用的超聲波液位計具有溫度補償功能，根據表 1，超聲波所測得的溫度為 42. 8℃，按 T=42. 8 ℃時的 c 值為 357. 18 m/s。

 

        根據(1)式和(2)式得超聲波液位計所顯示的液位為:E－357. 18×t/2。

        根據上面的分析，由于硫酸槽內存在溫度梯度，超聲波的傳播并不是恒定的 357. 18 m/s，而是變化的，其平均值要小于 357. 18 m/s，按 37 ℃計算c 值為 353. 7 m/s。

 

        根據(1)式和(2)式得超聲波液位計實際的液位應為:E－353. 7×t/2。

        兩者之間的誤差值 δ:δ =(E－353. 7×t/2)－(E－357. 18×t/2)= 1. 74t m。

 

        此處 t = 2D/353. 7，D 為超聲波傳輸距離。當D = 8 m 時，則 δ = 1. 74×16/353. 7= 0. 078 m，也即超聲波顯示的液位比實際偏低 7. 8 cm，但由于超聲波所測的溫度要大于 42. 8 ℃，因此誤差應該更大一些。同理可推算在超聲波液位計在上午將顯示偏高約 5 cm。綜合估算，超聲波液位計的測量顯示變化幅值約 15 cm 是有可能的。

 

        綜上分析，液面到超聲波探頭的空間存在溫度梯度是影響 6 # 硫酸槽液位測量問題的主要因素，即由于探頭測量的溫度與真實的溫度不一致，溫度補償功能采用了錯誤的數(shù)值進行補償，導致了液位測量不準確。且晝夜溫差越大，誤差越大(典型的南方冬天氣候);硫酸槽內液面越低，誤差也越大。在生產過程中，由于 6 # 硫酸槽處于使用過程中，減小了發(fā)現(xiàn)問題的機會。

 

        由于溫度梯度的存在，導致超聲波液位計測量誤差為 15 cm，對于高超過 10 m 的容器而言，其相對誤差不過 1. 5%，如只作為一般過程液位測量顯示完全可以滿足應用，但作為大容器的內部計量結算顯然是不夠的。

 

2 解決措施

        根據上述分析，如果能解決溫度梯度的問題，就可以保證超聲波液位計的正常工作，但實際中卻很難做到這一點，原因是硫酸槽內液位的高低、環(huán)境氣溫等因素均會影響到硫酸槽內溫度的分布，無論是在硫酸槽加裝溫度測量元件還是在 DCS 系統(tǒng)中改進算法以消除溫度梯度對超聲波測量的影響都是困難的。一個可行的解決方案是對液位測量儀表重新選型。

 

        在儀表的選型上，無接觸式液位測量與接觸式液位測量方式相比，優(yōu)點是顯而易見的。而在無接觸式測量中，20 世紀 90 年代以來進入市場的雷達物位計，由于其精度較高，可靠性也高，使用方便，在罐區(qū)中用量迅速增加，成為近 10 年罐區(qū)液位測量首選儀表。通過綜合對比，在 6 # 硫酸槽選用了 1 臺E+H 公司的 Micropiolt M 系列 FMＲ－244 一體式智能型雷達液位計。

 

        FMＲ－244 雷達液位計采用二線制技術，易于布線、供電及與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容;支持 HAＲT 通信的功能使得可以很方便地遠程操作、設置 FMＲ－244;采用其轉力算法的 PulseMaster 軟件讓 FMＲ－244 在有效回波的辨識方面更勝一籌，測量精度為±3 mm;FMＲ－244 操作頻率高達 26 GHz，有效減少了干擾回波［3］ 。在安裝上，F(xiàn)MＲ－244 的限制條件并不多，安裝簡單，且該臺雷達液位計價格僅與 1 臺超聲波液位計相當。

 

        目前此雷達物位計在 6 # 硫酸槽應用半年多時間，測量效果明顯，在無硫酸進出庫時，其液位測量穩(wěn)定，波動僅為幾毫米，完全滿足了生產應用要求。而且在硫酸的計量上未再發(fā)生過一次爭議，應用相當成功。需注意，使用過程中雷達液位計探頭上若結冷凝水或被雨水淋到會影響測量，需要定期擦拭其探頭并作好現(xiàn)場防護。

 

        同是采用“俯視式”回波測距原理，高頻雷達液位計可以正常工作，但超聲波液位計卻不能正常工作，原因在于雷達液位計發(fā)射的是微波，微波是一種電磁波，以光速傳播且不受介質特性影響，而超聲波液位計發(fā)射的為超聲波，超聲波是機械波，其在空氣中的傳播速度受溫度影響大 ［1］ 。雖然溫度影響可以通過超聲波液位計的溫度補償功能消除，但由于溫度梯度的影響，超聲波液位計卻無能為力。

 

3 結語

        由于超聲波液位計的非接觸測量原理，從理論上講，它適用于各種工藝過程中的物位測量，但在應用中，它會受到各種因素如安裝位置、溫度、壓力、濕度被測介質表面的泡沫、浪涌等的影響。因此針對測量介質的特性及物理環(huán)境，選用合適的儀表以及正確的安裝對的儀表的正常工作至關重要。在此例中，超聲波液位計本身無故障，但物理環(huán)境導致超聲波液位計產生了不準確的測量結果，在改用雷達液位計后，應用效果良好。并且在后來 800kt/a 硫酸裝置上，對更大容量的7 # ，8 # 硫酸槽及液硫槽采用了更xianjin的 FF 總線型雷達液位計，均取得較好的效果。

 

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