罐区储槽、储罐是化工企业中重要的设备。由于其容积大，需用液位数据进行物料计量以获得储存量，故其液位测量仪表要求具有较高的测量精确度和测量重复性。

 

        云南云天化股份有限公司红磷分公司(以下简称红磷公司)硫酸罐区 6 # 硫酸槽是一台直径为 20m、高近 11 m 的中型储槽，储槽内硫酸计量采用测量液位再折算为质量的方式。根据 6 # 硫酸槽几何尺寸及硫酸密度计算得出，每 1 cm 高度的硫酸对应质量为 5. 71 t。因此，液位测量的准确性对槽存计算结果影响相当大。

 

        6 # 硫酸槽液位的检测曾使用过浮标液位计、静压式液位计(差压变送器方式)、人工皮尺测量等方式，但效果都不好。浮标液位计存在易机械变形、精度低、信号不能远传等缺点。静压式液位计测量方式不仅受温度、密度变化影响大且仪表维护、拆校不方便，存在安全隐患。人工皮尺测量原始而又繁琐，且测量误差大。结合红磷公司使用德国 E+H超声波仪表多年的应用经验，对 6 # 硫酸槽的液位测量改用了 E+H 超声波仪表测量。由于硫酸计量仅为红磷公司内部结算(超声波液位计 0. 2%的精度已足够)，但从近几年的运行情况来看，测量效果并不理想。笔者对超声波液位计应用中存在的问题进行了分析，并提出解决措施。

 

1 超声波液位测量存在问题及分析

1. 1 测量原理及特点

        超声波液位测量的原理如图 1 所示。根据超声波的声学特性，由超声波物位变送器利用换能器(探头)中的压电晶体发射超声波，并接收从物位表面反射回来的回波，根据超声波发射及接收的时间间隔，计算超声波的传输距离，再用总高度(空高)减去超声波传输距离，即可得到需要测量的物位，再由变送器转换为标准的 4～20 mA 信号送到 DCS 系统上监控。计算公式如下:

L = E － D = E － ct/2 (1)

式中:L———硫酸液位高度，m;

E———空高，m;

D———超声波的传输距离即探头到液面高度，m;

c———超声波在空气中的传播速度，m/s;

t———超声波脉冲由发送到接收的时间，s。

 

        采用超声波液位计测量，其zui为明显的一个特点是非接触式测量。由于超声波是机械波的一种，即是机械振动在弹性介质中的一种传播过程，其特点是频率高、波长短、绕射现象小及方向性好，能够成为射线而定向传播。超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，尤其是在对光不透明的固体中，超声波可穿透几十米的长度，碰到杂质或界面就会有显著的反射，超声波测量物位就是利用了它的这一特征［1－2］ 。

 

1. 2 存在问题

        多年来，超声波液位计在 6 # 硫酸槽应用争议较多，特别制定了对该液位计进行定期检查、标校的规定，但多次检查发现超声波液位计并无故障。硫酸生产厂认为超声波液位测量与现场浮标液位计不符，并导致硫酸产量计量亏损(zui多统计为 570t/月)。现场浮标液位计精度不能与超声波液位计相比，但因争议太大，故协调停用 6 # 硫酸槽，将其液位控制在一定高度，随后连续几天对此液位进行观察，并从 DCS 系统中调出 6 # 硫酸槽液位的历史趋势曲线，见图 2。

        停用的 6 # 硫酸槽并无进或出的硫酸，其液位应无变化，液位历史趋势曲线应近似为一条直线。但是从图 2 中可以看出:液位有明显的规律性变化，其变化的规律性与时间段有关。每日液位在 07 ∶ 00到 10∶ 00 上升到zui大值，从 10 ∶ 00 液位开始缓慢下降，到 15∶ 30 至 18 ∶ 00 下降到zui低值，从 19 ∶ 00 左右开始缓慢上升，到次日 07 ∶ 00 至 10 ∶ 00 基本到zui大值，如此循环。昼夜温差越大，上述现象越明显，液位变化zui大约 15 cm，如果折算为硫酸质量则约为 85. 65 t，这种误差引起了生产上下游环节计量结算的争议。这也说明采用超声波液位计测量硫酸槽液位确实存在一定的问题。

 

1. 3 问题分析

        首先对仪表进行了常规检查，超声波物位计没有问题。进一步采用了替换法:即用正常工作于其他液位测量点的超声波物位计与 6 # 硫酸槽的超声波液位计进行对调，结果是 6 # 硫酸槽的超声波液位计用于其他液位测量能正常工作，而换过来的超声波液位计测量结果仍如图 2 相似。这就证明了超声波液位计本身没有故障，问题应该出在周围的测量环境上。

 

        影响超声波测量的外部环境因素主要有温度、湿度、气压、粉尘、泡沫、搅拌装置、雾气及蒸汽等［2］ 。湿度及气压影响微乎其微，可以忽略不计。6 # 硫酸槽也不存在粉尘、泡沫及搅拌装置等因素影响。硫酸雾和蒸汽在下雨时若雨水进入槽中偶尔有之，影响不大。至于温度，对超声波的传播速度影响较大，一般认为当温度每变化 1 ℃，将可能引起0. 2%～ 0. 4%的波速变化，同时会引起测量结果变化 0. 2%～0. 4%。但是制造商已考虑到温度变化对超声波液位计影响的因素，目前几乎所有超声波液位计在探头内均集成有温度探头，用以测量环境温度，并自动校正温度影响，E+H 超声波液位计也不例外。

 

        考虑到液位的变化具有规律性，将检查的重点放在了现场环境温度。由于超声波液位计带有温度补偿功能，环境温度变化对液位测量准确性的影响应是很小的甚至可以忽略，经过计算其影响仅为微米级，不是主要的影响因素。在检查硫酸槽环境温度过程中，发现硫酸槽由液面到超声波探头的空间温度不一致，存在较大的温度梯度。采用 Pt100 热电偶与温度数显仪测量的温度(时间为 16 ∶ 00 即当天液位下降到zui低点时，室外环境温度 28～30 ℃)见表 1。

        由表 1 可以看出，在下午超声波探头外壳的温度为 42. 8 ℃，由于温度元件集成于探头内部，其内部温度要高于外壳，也即超声波所测量的温度应该大于 42. 8 ℃。

 

        次日 10 ∶ 00 左右(即当天液位上升到zui高点时，室外环境温度较低，约为 15 ℃)测得硫酸槽内温度如下表 2。

        由表 2 可以看出，在早上情况刚好相反:探头处的温度仅为 15 ℃，而硫酸温度为 28 ℃。通过定量计算，分析是温度梯度引起的液位测量值的变化。

 

资料表明，超声波在空气中的传播速度受温度的影响，超声波在空气中的传播速度与温度的计算公式如下:

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

式中:T———温度，℃;

c———超声波传播速度，m/s。

 

        由于在硫酸槽应用的超声波液位计具有温度补偿功能，根据表 1，超声波所测得的温度为 42. 8℃，按 T=42. 8 ℃时的 c 值为 357. 18 m/s。

 

        根据(1)式和(2)式得超声波液位计所显示的液位为:E－357. 18×t/2。

        根据上面的分析，由于硫酸槽内存在温度梯度，超声波的传播并不是恒定的 357. 18 m/s，而是变化的，其平均值要小于 357. 18 m/s，按 37 ℃计算c 值为 353. 7 m/s。

 

        根据(1)式和(2)式得超声波液位计实际的液位应为:E－353. 7×t/2。

        两者之间的误差值 δ:δ =(E－353. 7×t/2)－(E－357. 18×t/2)= 1. 74t m。

 

        此处 t = 2D/353. 7，D 为超声波传输距离。当D = 8 m 时，则 δ = 1. 74×16/353. 7= 0. 078 m，也即超声波显示的液位比实际偏低 7. 8 cm，但由于超声波所测的温度要大于 42. 8 ℃，因此误差应该更大一些。同理可推算在超声波液位计在上午将显示偏高约 5 cm。综合估算，超声波液位计的测量显示变化幅值约 15 cm 是有可能的。

 

        综上分析，液面到超声波探头的空间存在温度梯度是影响 6 # 硫酸槽液位测量问题的主要因素，即由于探头测量的温度与真实的温度不一致，温度补偿功能采用了错误的数值进行补偿，导致了液位测量不准确。且昼夜温差越大，误差越大(典型的南方冬天气候);硫酸槽内液面越低，误差也越大。在生产过程中，由于 6 # 硫酸槽处于使用过程中，减小了发现问题的机会。

 

        由于温度梯度的存在，导致超声波液位计测量误差为 15 cm，对于高超过 10 m 的容器而言，其相对误差不过 1. 5%，如只作为一般过程液位测量显示完全可以满足应用，但作为大容器的内部计量结算显然是不够的。

 

2 解决措施

        根据上述分析，如果能解决温度梯度的问题，就可以保证超声波液位计的正常工作，但实际中却很难做到这一点，原因是硫酸槽内液位的高低、环境气温等因素均会影响到硫酸槽内温度的分布，无论是在硫酸槽加装温度测量元件还是在 DCS 系统中改进算法以消除温度梯度对超声波测量的影响都是困难的。一个可行的解决方案是对液位测量仪表重新选型。

 

        在仪表的选型上，无接触式液位测量与接触式液位测量方式相比，优点是显而易见的。而在无接触式测量中，20 世纪 90 年代以来进入市场的雷达物位计，由于其精度较高，可靠性也高，使用方便，在罐区中用量迅速增加，成为近 10 年罐区液位测量首选仪表。通过综合对比，在 6 # 硫酸槽选用了 1 台E+H 公司的 Micropiolt M 系列 FMＲ－244 一体式智能型雷达液位计。

 

        FMＲ－244 雷达液位计采用二线制技术，易于布线、供电及与现有系统兼容;支持 HAＲT 通信的功能使得可以很方便地远程操作、设置 FMＲ－244;采用其转力算法的 PulseMaster 软件让 FMＲ－244 在有效回波的辨识方面更胜一筹，测量精度为±3 mm;FMＲ－244 操作频率高达 26 GHz，有效减少了干扰回波［3］ 。在安装上，FMＲ－244 的限制条件并不多，安装简单，且该台雷达液位计价格仅与 1 台超声波液位计相当。

 

        目前此雷达物位计在 6 # 硫酸槽应用半年多时间，测量效果明显，在无硫酸进出库时，其液位测量稳定，波动仅为几毫米，完全满足了生产应用要求。而且在硫酸的计量上未再发生过一次争议，应用相当成功。需注意，使用过程中雷达液位计探头上若结冷凝水或被雨水淋到会影响测量，需要定期擦拭其探头并作好现场防护。

 

        同是采用“俯视式”回波测距原理，高频雷达液位计可以正常工作，但超声波液位计却不能正常工作，原因在于雷达液位计发射的是微波，微波是一种电磁波，以光速传播且不受介质特性影响，而超声波液位计发射的为超声波，超声波是机械波，其在空气中的传播速度受温度影响大 ［1］ 。虽然温度影响可以通过超声波液位计的温度补偿功能消除，但由于温度梯度的影响，超声波液位计却无能为力。

 

3 结语

        由于超声波液位计的非接触测量原理，从理论上讲，它适用于各种工艺过程中的物位测量，但在应用中，它会受到各种因素如安装位置、温度、压力、湿度被测介质表面的泡沫、浪涌等的影响。因此针对测量介质的特性及物理环境，选用合适的仪表以及正确的安装对的仪表的正常工作至关重要。在此例中，超声波液位计本身无故障，但物理环境导致超声波液位计产生了不准确的测量结果，在改用雷达液位计后，应用效果良好。并且在后来 800kt/a 硫酸装置上，对更大容量的7 # ，8 # 硫酸槽及液硫槽采用了更xianjin的 FF 总线型雷达液位计，均取得较好的效果。

 

相关产品推荐：数显液位计