超声波和雷达液位计在沼液厌氧发酵罐液位检测中的优缺点

 

0引言

    随着社会主义新农村建设行动的开展，各级政府为提高农民的生活质量、改善农村环境，亟需需改变农村脏、乱、差的现状。利用农业秸秆、畜禽粪便等有机废弃物发酵生产沼气，既可使区域有机废弃物得到有效处理，消除了污染，又可从中获取清洁能源和有机肥，因此在农村获得广泛推广。沼气全自动化生产工艺中，厌氧发酵罐是核心设备，罐内发酵液液位检测连锁是整个罐体循环系统自动化的难点，利用现有技术提供合理的解决方案成为了促进沼气工业发展的当务之急。

 

1、厌氧发酵罐和沼液的特点

    厌氧发酵罐罐顶由薄膜构成，罐身及罐底由搪瓷焊接而成，在罐内壁布满热水管网用来加热保温，在罐内四周设有多个搅拌装置，不定时搅拌、混匀发酵液。厌氧发酵罐工艺图如图1所示。

    沼气发酵罐内静态沼液由下至上分为沉渣层、活性层、清液层、浮渣层，各层密度不均匀。发酵罐内静态沼液级分布如图2所示。

    沼液经搅拌后，介质较为浓稠，具有一定腐蚀性，且容易挂壁，管网加热会使内部温度维持在38℃左右。

 

2常用的液位检测方法及存在问题

2.1差压液位计检测法

    利用液体的压强原理，在液体的底部检测液体压强和标准大气压的压差。随着半导体技术的发展，半导体表面扩散工艺在差压式液位计平衡电桥的制作中得到了广泛应用。它通过液体底压强使半导体扩散硅薄膜产生形变，引起电桥不平衡，电路输出与液位高度相对应的电压，从而获取液位信号。[1]

    存在问题:稳定的介质密度是差压法计算液位的核心，但是厌氧发酵过程中酵液密度会随着发酵进程不断变化，取压口易产生阻塞，使差压式液位计会产生虚假液位，甚至严重影响测量准确性。

 

2.2超声波液位计检测法

    一般把振动频率超过20 kHz的声波称为超声波，属于机械波的一种，其特征是频率高、波长短、绕射现象小，且方向性强，能够成为射线而定向传播。超声波在液体中的衰减很小，因而穿透能力强，超声波液位计测量液位正是利用了它的这一特征。超声波液位计工作时，超声波换能器(探头)发出高频脉冲声波，遇到被测水面的表面被反射回来，折回的反射回波被换能器接收，转换成电信号。声波的传播时间与换能器到被测介质表面的距离成正比，声波传输距离乙与声速C和传输时间T的关系可用公式L=C*T/2表示。

    存在问题:(1)发酵液上层浮渣层易随机集结大量厚厚的渣壳，产生不可克服的虚假回波。(2)超声波液位计在检测有漂浮物的地方，会影响回波质量甚至被吸收，从而影响测量结果。(3)发酵液体部分在罐内有加热管网加热，液体表面易形成蒸汽，吊装在罐顶的探头表面易凝结水珠附着，对正常测量造成影响。

 

    此外，受液面随机结渣壳遮挡影响而无法使用的还有激光、红外等光学测距方法。

 

2.3雷达液位计检测法

    利用超高频电磁波经天线向被测容器的液面发射，当电磁波到达液面后反射回来，被同一天线接收并检测出发射波及回波的时差，从而计算出液面高度。

    存在问题:由于发酵罐内搅拌器频繁搅拌，发酵液液面波动大，反射回波散失严重，天线不能良好接受回波造成，液位信号时断时续。虽然在罐体一侧引出旁通管，直接在旁通管内检测液位的方案可以有效避免搅拌造成的液面波动，但是因为发酵液的粘稠度高以及浮渣、沉渣很多会导致上下引流管堵塞，造成旁通管和罐底完全隔离。

 

2.4导波雷达液位计检测法

    基于电磁波的时域反射原理(TDR)，电磁波发生器产生一个沿探测杆向下传送的电磁脉冲波。当电磁脉冲遇到比先前传导介质(比如空气)介电常数大的液体表面时，脉冲波会被反射。通过超高速计时电路计算脉冲从发射到反射的时间差△T，设导波雷达液位计顶部到液面的距离S=V*△T/2，如果导波雷达液位计到容器底部的距离为H，则液位L=H一S。

    存在问题:发酵液粘稠挂壁严重，当探测杆浸人发酵液中再拔出时会产生较多挂料和结垢，探头容易产生较大测量误差。同样受挂料和结垢影响的液位计还有电容液位计、音叉液位计以及浮球等机械触发型液位计。

 

3、阻抗频谱检测法及其优势

    阻抗频谱测量是一种利用能够在50一200MHz之间测量多个频率段电场和磁场强度的新技术，这使得阻抗频谱测量技术能够针对所监测的介质产生独特的信号模型。只有当测量的电磁场与介质模型匹配，它的开关才会被触发。残渣、泡沫或其他沉淀物不具备相同的信号模型，因此测量不受这些因素影响。图3中针对水基介质的测量频谱可直观表现这一特性。

    如图3所示，只有当红色外形线进人开启区域时，才表明存在有足够多的介质可激活传感器的开关输出，其他情况表明仅留下了残余，泡沫或沉积物。

 

    阻抗频谱测量方法相当于把一个定性的问题进行定量细分，并根据所需的阻抗频谱智能触发标定，很好地避免了发酵液、结壳、挂壁、密度不均等一系列物理特性造成的干扰，完美解决了目前常用的厌氧发酵罐液位检测方法中存在的问题。

    阻抗频谱检测已经作为一项成熟的液位检测技术，广泛应用于监测罐槽、管道内a性液体液位和粉末状材料物位测量，及极限监测和防干转保护。

    目前，该检测方法广泛应用于乳品和酿造行业，如牛奶、酸奶、啤酒、红酒和汽酒等液位的监测，同时在果冻、果酱、洗发水、护发素以及制造蜡烛的原蜡等浓度更高的介质上，也获得了成功应用。

 

4、结束语

    随着自动化仪表技术的发展，液位测量的方法及相应的仪表技术也在不断地改进和更新，并没有哪一种液位测量仪表能够适应所有的介质或环境，需根据测量要求和使用环境，针对每种测量方式的特点和优点，在众多仪表中选择可靠、准确、实用的液位测量仪表。常用的检测方法应用在沼液厌氧发酵罐液位检测时，均存在一定缺陷，而阻抗频谱测量方法可以从原理上解决上述问题，实现对沼液液位的准确测量，对沼气工业的发展具有十分重要的意义和作用。