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    1. 超聲波液位計在硫酸槽液位測量結果偏差原因分析及解決措施_淮安潤中儀表科技有限公司
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      超聲波液位計在硫酸槽液位測量結果偏差原因分析及解決措施

      發表時間:2019-06-03 ??點擊次數:643? 技術支持:1560-1403-222
         罐區儲槽、儲罐是化工企業中重要的設備。由于其容積大,需用液位數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措施。由于硫酸儲槽內部存在溫度梯度,影響了超聲波傳輸速度,導致液位測量結果出現偏差,影響測量結果。將超聲波液位計更換成雷達液位計后解決了問題,應用效果良好。
       
        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,根據超聲波發射及

      超聲波液位計
        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,再由變送器轉換為標準的4~20 mA 信號送到DCS 系統上監控。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中的一種傳播過程,其特點是頻率高、波長短、繞射現象小及方向性好,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、標校的規定,但多次檢查發現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場浮標液位計不符,并導致硫酸產量計量虧損( 多統計為570t /月) ?,F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,故協調停用6#硫酸槽,將其液位控制在一定高度,隨后連續幾天對此液位進行觀察,并從DCS 系統中調出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

      超聲波液位計

        圖2 硫酸儲槽液位歷史趨勢曲線
      是從圖2 中可以看出: 液位有明顯的規律性變化,其變化的規律性與時間段有關。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。晝夜溫差越大,上述現象越明顯,液位變化大約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節計量結算的爭議。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
        *先對儀表進行了常規檢查,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境上。
        影響超聲波測量的外部環境因素主要有溫度、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律性,將檢查的重點放在了現場環境溫度。由于超聲波液位計帶有溫度補償功能,環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。
        在檢查硫酸槽環境溫度過程中,發現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 熱電偶與溫度數顯儀測量的溫度( 時間為16 ∶ 00 即當天液位下降到低點時,室外環境溫度28~30 ℃) 見表1。

      表格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( 即當天液位上升到高點時,室外環境溫度較低,約為15 ℃) 測得硫酸槽內溫度如下表2。

      表格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,減小了發現問題的機會。
      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,在罐區中用量迅速增加,成為近10 年罐區液位測量**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、供電及與現有系統兼容; 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,FMR-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場防護。
      同是采用“俯視式”回波測距原理,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的FF 總線型雷達液位計,均取得較好的效果。


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