罐區(qū)儲槽、儲罐是化工企業(yè)中重要的設(shè)備。由于其容積大，需用液位數(shù)據(jù)進(jìn)行物料計(jì)量以獲得儲存量，故其液位測量儀表要求具有較高的測量度和測量重復(fù)性。
云南云天化股份有限公司分公司( 以下簡稱公司) 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(nèi)硫酸計(jì)量采用測量液位再折算為質(zhì)量的方式。根據(jù)6# 硫酸槽幾何尺寸及硫酸密度計(jì)算得出，每1 cm 高度的硫酸對應(yīng)質(zhì)量為5. 71 t。因此，液位測量的準(zhǔn)確性對槽存計(jì)算結(jié)果影響相當(dāng)大。
6#硫酸槽液位的檢測曾使用過浮標(biāo)液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)( 差壓變送器方式) 、人工皮尺測量等方式，但效果都不好。浮標(biāo)液位計(jì)存在易機(jī)械變形、精度低、信號不能遠(yuǎn)傳等缺點(diǎn)。靜壓式液位計(jì)測量方式不僅受溫度、密度變化影響大且儀表維護(hù)、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(jié)合公司使用超聲波儀表多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對6#硫酸槽的液位測量改用了超聲波儀表測量。由于硫酸計(jì)量僅為公司內(nèi)部結(jié)算( 超聲波液位計(jì)0. 2%的精度已足夠) ，但從近幾年的運(yùn)行情況來看，測量效果并不理想。筆者分析分公司在硫酸槽液位測量過程中使用超聲波液位計(jì)時(shí)存在液位偏差的原因并提出改進(jìn)措施。由于硫酸儲槽內(nèi)部存在溫度梯度，影響了超聲波傳輸速度，導(dǎo)致液位測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，影響測量結(jié)果。將超聲波液位計(jì)更換成雷達(dá)液位計(jì)后解決了問題，應(yīng)用效果良好。
1超聲波液位計(jì)測量存在問題及分析
1. 1 測量原理及特點(diǎn)
超聲波液位測量的原理如圖1 所示。根據(jù)超聲波的聲學(xué)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(jù)超聲波發(fā)射及
圖1 硫酸儲槽超聲波液位測量示意接收的時(shí)間間隔，計(jì)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(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 ma 信號送到dcs 系統(tǒng)上監(jiān)控。計(jì)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(shí)間，s。
采用超聲波液位計(jì)測量，其為明顯的一個(gè)特點(diǎn)是非接觸式測量。由于超聲波是機(jī)械波的一種，即是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的一種傳播過程，其特點(diǎn)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(qiáng)，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(zhì)或界面就會(huì)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(jì)在6#硫酸槽應(yīng)用爭議較多，特別制定了對該液位計(jì)進(jìn)行定期檢查、標(biāo)校的規(guī)定，但多次檢查發(fā)現(xiàn)超聲波液位計(jì)并*。硫酸生產(chǎn)廠認(rèn)為超聲波液位測量與現(xiàn)場浮標(biāo)液位計(jì)不符，并導(dǎo)致硫酸產(chǎn)量計(jì)量虧損( 多統(tǒng)計(jì)為570t /月) 。現(xiàn)場浮標(biāo)液位計(jì)精度不能與超聲波液位計(jì)相比，但因爭議太大，故協(xié)調(diào)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(jìn)行觀察，并從dcs 系統(tǒng)中調(diào)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(jìn)或出的硫酸，其液位應(yīng)無變化，液位歷史趨勢曲線應(yīng)近似為一條直線。但
圖2 硫酸儲槽液位歷史趨勢曲線
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(shí)間段有關(guān)。每日液位在07 ∶ 00到10 ∶ 00 上升到大值，從10 ∶ 00 液位開始緩慢下降，到15 ∶ 30 至18 ∶ 00 下降到低值，從19 ∶ 00 左右開始緩慢上升，到次日07 ∶ 00 至10 ∶ 00 基本到大值，如此循環(huán)。晝夜溫差越大，上述現(xiàn)象越明顯，液位變化大約15 cm，如果折算為硫酸質(zhì)量則約為85. 65 t，這種誤差引起了生產(chǎn)上下游環(huán)節(jié)計(jì)量結(jié)算的爭議。這也說明了采用超聲波液位計(jì)測量硫酸槽液位確實(shí)存在一定的問題。
1. 3 問題分析
首先對儀表進(jìn)行了常規(guī)檢查，超聲波物位計(jì)沒有問題。進(jìn)一步采用了替換法: 即用正常工作于其他液位測量點(diǎn)的超聲波物位計(jì)與6# 硫酸槽的超聲波液位計(jì)進(jìn)行對調(diào)，結(jié)果是6#硫酸槽的超聲波液位計(jì)用于其他液位測量能正常工作，而換過來的超聲波液位計(jì)測量結(jié)果仍如圖2 相似。這就證明了超聲波液位計(jì)本身*，問題應(yīng)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(jì)。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(shí)若雨水進(jìn)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(rèn)為當(dāng)溫度每變化1 ℃，將可能引起0. 2%～ 0. 4%的波速變化，同時(shí)會(huì)引起測量結(jié)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(jì)影響的因素，目前幾乎所有超聲波液位計(jì)在探頭內(nèi)均集成有溫度探頭，用以測量環(huán)境溫度，并自動(dòng)校正溫度影響，e+h 超聲波液位計(jì)也不例外。
考慮到液位的變化具有規(guī)律性，將檢查的重點(diǎn)放在了現(xiàn)場環(huán)境溫度。由于超聲波液位計(jì)帶有溫度補(bǔ)償功能，環(huán)境溫度變化對液位測量準(zhǔn)確性的影響應(yīng)是很小的甚至可以忽略，經(jīng)過計(jì)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(shí)間為16 ∶ 00 即當(dāng)天液位下降到低點(diǎn)時(shí)，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(nèi)部，其內(nèi)部溫度要高于外殼，也即超聲波所測量的溫度應(yīng)該大于42. 8 ℃。
次日10 ∶ 00 左右( 即當(dāng)天液位上升到高點(diǎn)時(shí)，室外環(huán)境溫度較低，約為15 ℃) 測得硫酸槽內(nèi)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(jì)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(jì)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(yīng)用的超聲波液位計(jì)具有溫度補(bǔ)償功能，根據(jù)表1，超聲波所測得的溫度為42. 8℃，按t = 42. 8 ℃時(shí)的c 值為357. 18 m/s。
根據(jù)( 1) 式和( 2) 式得超聲波液位計(jì)所顯示的液位為: e－357. 18×t /2。
根據(jù)上面的分析，由于硫酸槽內(nèi)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(jì)算c 值為353. 7 m/s。
根據(jù)( 1) 式和( 2) 式得超聲波液位計(jì)實(shí)際的液位應(yīng)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(dāng)d = 8 m 時(shí)，則δ = 1. 74×16 /353. 7 = 0. 078 m，也即超聲波顯示的液位比實(shí)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(yīng)該更大一些。同理可推算在超聲波液位計(jì)在上午將顯示偏高約5 cm。綜合估算，超聲波液位計(jì)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(shí)的溫度不一致，溫度補(bǔ)償功能采用了錯(cuò)誤的數(shù)值進(jìn)行補(bǔ)償，導(dǎo)致了液位測量不準(zhǔn)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(nèi)液面越低，誤差也越大。在生產(chǎn)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(jī)會(huì)。
由于溫度梯度的存在，導(dǎo)致超聲波液位計(jì)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*可以滿足應(yīng)用，但作為大容器的內(nèi)部計(jì)量結(jié)算顯然是不夠的。
2 解決措施
根據(jù)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(jì)的正常工作，但實(shí)際中卻很難做到這一點(diǎn)，原因是硫酸槽內(nèi)液位的高低、環(huán)境氣溫等因素均會(huì)影響到硫酸槽內(nèi)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(jìn)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(gè)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(diǎn)是顯而易見的。而在無接觸式測量中，20 世紀(jì)90 年代以來進(jìn)入市場的雷達(dá)物位計(jì)，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(dá)液位計(jì)。
fmｒ－244 雷達(dá)液位計(jì)采用二線制技術(shù)，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(yuǎn)程操作、設(shè)置fmｒ－244; 采用其算法的pulsemaster 軟件讓fmｒ－244 在有效回波的辨識方面更勝*，測量精度為± 3 mm;fmｒ－244 操作頻率高達(dá)26 ghz，有效減少了干擾回波［3］。在安裝上，fmｒ－244 的限制條件并不多，安裝簡單，且該臺雷達(dá)液位計(jì)價(jià)格僅與1 臺超聲波液位計(jì)相當(dāng)。
目前此雷達(dá)物位計(jì)在6# 硫酸槽應(yīng)用半年多時(shí)間，測量效果明顯，在無硫酸進(jìn)出庫時(shí)，其液位測量穩(wěn)定，波動(dòng)僅為幾毫米，*了生產(chǎn)應(yīng)用要求。而且在硫酸的計(jì)量上未再發(fā)生過一次爭議，應(yīng)用相當(dāng)成功。需注意，使用過程中雷達(dá)液位計(jì)探頭上若結(jié)冷凝水或被雨水淋到會(huì)影響測量，需要定期擦拭其探頭并作好現(xiàn)場防護(hù)。
同是采用“俯視式”回波測距原理，雷達(dá)液位計(jì)可以正常工作，但超聲波液位計(jì)卻不能正常工作，原因在于雷達(dá)液位計(jì)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(zhì)特性影響，而超聲波液位計(jì)發(fā)射的為超聲波，超聲波是機(jī)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(jì)的溫度補(bǔ)償功能消除，但由于溫度梯度的影響，超聲波液位計(jì)卻無能為力。
3 結(jié)語
由于超聲波液位計(jì)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(yīng)用中，它會(huì)受到各種因素如安裝位置、溫度、壓力、濕度被測介質(zhì)表面的泡沫、浪涌等的影響。因此針對測量介質(zhì)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(guān)重要。在此例中，超聲波液位計(jì)本身*，但物理環(huán)境導(dǎo)致超聲波液位計(jì)產(chǎn)生了不準(zhǔn)確的測量結(jié)果，在改用雷達(dá)液位計(jì)后，應(yīng)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*的ff 總線型雷達(dá)液位計(jì)，均取得較好的效果。