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(fù)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(nèi)硫酸計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、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(biāo)液位計存在易機械變形、精度低、信號不能遠(yuǎn)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(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)合紅磷公司使用超聲波儀表多年的應(yīng)用經(jīng)驗，對6#硫酸槽的液位測量改用了超聲波儀表測量。由于硫酸計量僅為紅磷公司內(nèi)部結(jié)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。筆者分析紅磷分公司在硫酸槽液位測量過程中使用超聲波液位計時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。將超聲波液位計更換成雷達(dá)液位計后解決了問題，應(yīng)用效果良好。
 
　　1 超聲波液位計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(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(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)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(zhì)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(yīng)用爭議較多，特別制定了對該液位計進(jìn)行定期檢查、標(biāo)校的規(guī)定，但多次檢查發(fā)現(xiàn)超聲波液位計并無故障。硫酸生產(chǎn)廠認(rèn)為超聲波液位測量與現(xiàn)場浮標(biāo)液位計不符，并導(dǎo)致硫酸產(chǎn)量計量虧損( 多統(tǒng)計為570t /月) ?，F(xiàn)場浮標(biāo)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(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)計量結(jié)算的爭議。這也說明了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
　　*先對儀表進(jìn)行了常規(guī)檢查，超聲波物位計沒有問題。進(jìn)一步采用了替換法: 即用正常工作于其他液位測量點的超聲波物位計與6# 硫酸槽的超聲波液位計進(jìn)行對調(diào)，結(jié)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(jié)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(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。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(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，同時會引起測量結(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影響的因素，目前幾乎所有超聲波液位計在探頭內(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(zhǔn)確性的影響應(yīng)是很小的甚至可以忽略，經(jīng)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(dāng)天液位下降到低點時，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(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)天液位上升到高點時，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(yīng)用的超聲波液位計具有溫度補償功能，根據(jù)表1，超聲波所測得的溫度為42. 8℃，按T = 42. 8 ℃時的c 值為357. 18 m/s。
　　根據(jù)( 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(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 ℃計算c 值為353. 7 m/s。
　　根據(jù)( 1) 式和( 2) 式得超聲波液位計實際的液位應(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，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(yīng)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(jìn)行補償，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)問題的機會。
由于溫度梯度的存在，導(dǎo)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(yīng)用，但作為大容器的內(nèi)部計量結(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的正常工作，但實際中卻很難做到這一點，原因是硫酸槽內(nèi)液位的高低、環(huán)境氣溫等因素均會影響到硫酸槽內(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(jì)90 年代以來進(jìn)入市場的雷達(dá)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**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。
　　FMＲ－244 雷達(dá)液位計采用二線制技術(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一籌，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，F(xiàn)MＲ－244 的限制條件并不多，安裝簡單，且該臺雷達(dá)液位計價格僅與1 臺超聲波液位計相當(dāng)。
　　目前此雷達(dá)物位計在6# 硫酸槽應(yīng)用半年多時間，測量效果明顯，在無硫酸進(jìn)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(chǎn)應(yīng)用要求。而且在硫酸的計量上未再發(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)液位計探頭上若結(jié)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(hù)。
同是采用“俯視式”回波測距原理，雷達(dá)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(dá)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(zhì)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(jié)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(yīng)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(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，超聲波液位計本身無故障，但物理環(huán)境導(dǎo)致超聲波液位計產(chǎn)生了不準(zhǔn)確的測量結(jié)果，在改用雷達(dá)液位計后，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，均取得較好的效果。


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