摘要：本文介紹了西門子公司的各種物位測量技術在目前中國最大氧化鋁單體項目—山東魏橋鋁業(yè)一、二期中的應用經(jīng)驗。該項目是目前西門子在中國乃至世界上最大物位儀表采購項目。 關鍵詞：氧化鋁 雷達液位計 超聲波液位計 射頻導納 脈沖 連續(xù)調(diào)頻（FMCW） 一、背景 　　山東魏橋鋁業(yè)是目前規(guī)劃中亞洲最大的氧化鋁單體項目，魏橋鋁業(yè)計劃分5期建成1000萬噸/年的氧化鋁生產(chǎn)裝置，每期建設四條生產(chǎn)線，每天生產(chǎn)線設計產(chǎn)能40萬噸/年，實際產(chǎn)能50萬噸/年。目前，一期的第一條生產(chǎn)線已經(jīng)與5月開始投產(chǎn)，第二至四條生產(chǎn)線已經(jīng)開始試車運行，即將全部達產(chǎn)；產(chǎn)能將達200萬噸/年。 　　西門子公司憑著良好的公司形象、務實的工作態(tài)度、可靠的產(chǎn)品性能，打敗了強勁的對手，贏得了魏橋鋁業(yè)的第一條氧化鋁生產(chǎn)線中超過100臺的雷達及其他物位計的訂單。在2006年8月，西門子公司再次贏得魏橋鋁業(yè)的青睞 ——- 獲得了近千臺的以雷達物位計為主的物位儀表訂單，該訂單也是目前西門子公司歷史上最大的物位計訂單。 二、西門子物位解決方案 1、超聲波物位計 　　超聲波料位計基于回波測距原理。超聲波料位計大多采用氣介導聲的方式，即利用在空氣中傳播的超聲脈沖在被測物體上被反射，并接收其回波，超聲脈沖來回傳播的時間與聲脈沖傳播距離成正比，測出聲脈沖行程時間，就可據(jù)之算出物位。 　　西門子公司的物位系列產(chǎn)品中，超聲波液位計產(chǎn)品的種類非常多，其中Probe LU一體化超聲波因其較高的性價比，是最受歡迎的物位產(chǎn)品之一，它提供了6m和12m的不同量稱以滿足不同的量程需要；集成了最先進的聲智能回波處理技術，可以有效地消除各種干擾；獨一無二的高精度：0.15%，同時也是目前唯一能夠達到這一精度要求的超聲波物位計。 　　超聲波液位計主要用于常溫常壓的液位測量應用中，比如：各種污水槽等。 2、雷達物位計 　　雷達物位計是一種基于回波測距原理的物位測量方式。它是一種電磁波，在傳播的過程不需要傳輸媒介的傳遞，因此基本上不需要考慮揮發(fā)性氣體和蒸汽、溫度、壓力（真空）、甚至粉塵的影響。在氧化鋁裝置中，雷達物位計是目前應用最為廣泛的物位測量技術。 　　西門子公司的物位解決方案針對不同的應用特點，提供了兩種雷達測量技術來滿足復雜的工藝要求。 采用C波段微波的脈沖測量技術 　　西門子公司的Sitrans Probe LR、LR200、LR300等型號的雷達物位計就是采用了這種技術。 　　脈沖雷達物位計，與超聲波技術相似，使用時差原理計算到介質(zhì)表面的距離。 設備傳輸固定頻率的脈沖，然后接收并建立回波圖形。信號的傳播時間 直接與到介質(zhì)的距離成一定比例。但是與超聲波使用聲波不同，雷達使 用的是電磁波。它利用好幾萬個脈沖來 “掃描”容器并得到完整的回波圖。 　　C波段微波一般是指頻率為6GHz的微波。由于采用較小的微波頻率，因此其波長較長。它具有以下優(yōu)點： 　　天線的掛料具有較好的抵御能力 　　對波動的液體表面有更好的性能 　　低頻率具有更好的泡沫穿透力 　　因此，C波段脈沖雷達被大量應用于各種過程工藝復雜的液體測量中，比如：表面有泡沫的堿液液位、掛料嚴重的赤泥槽、帶有攪拌器的液面波動較大的沉降槽等。 　　采用K波段微波的連續(xù)調(diào)頻（FMCW）測量技術 　　西門子公司的Sitrans LR400采用了該技術。 　　FMCW微波物位計采用線性的調(diào)制的高頻信號，一般都是采用10GHz（X波段）或24GHz（K波段）微波信號。它是一種基于復雜數(shù)學公式的間接測量方法，由頻譜計算出物位距離。天線發(fā)射出被線性調(diào)制的連續(xù)高頻微波信號并進行掃描，同時接收返回信號。發(fā)射微波信號和返回的微波信號之間的頻率差與到介質(zhì)表面的距離成一定比例關系。 　由于具有波長較短的特性，因此它具有以下優(yōu)點： 　　具有較窄的波束寬度，可以避開障礙物 　　因為波長較短，在傾斜的固體表面有更好的反射 　　可以使用更小的天線 　　Sitrans LR400主要應用于量程范圍較大應用中，比如：分離槽等；粉塵較大的粉狀固體測量，比如：成品氧化鋁料倉（如圖2，3）、鋁土礦原料倉、石灰石粉料倉等。 3、射頻導納物位計 　　電容式物位計是利用電容器的測量原理進行物位測量的儀表。射頻導納是一種從電容式發(fā)展起來的、防掛料、更可靠、更準確、適用性更廣的料位控制技術，射頻導納中導納的含義為電學中阻抗的倒數(shù)，它由電阻性成分、電容性成分、感性成分綜合而成，而射頻即高頻無線電波譜，所以射頻導納可以理解為用高頻無線電波測量導納。 　　西門子公司采用射頻導納技術的物位產(chǎn)品主要有CLS系列物位開關和LC系列物位計。 　　相對于其他公司的電容和射頻導納測量技術，西門子公司的射頻導納系列物位計采用較高的發(fā)射頻率，同時采用了專利的有效屏蔽（Active-Shield）技術，因此具有以下優(yōu)點： 　　測量精度高； 　　可測量介電常數(shù)最低至1.5的介質(zhì)； 　　有效防止掛料、泡沫、蒸汽、揮發(fā)性氣體等影響； 　　可以測量各種粘稠的導電或不導電的介質(zhì)。 　　受安裝位置的影響較小 　　因此，在氧化鋁裝置中，射頻導納技術被應用很多液面泡沫相當嚴重的儲罐的液位測量 – 雷達液位計經(jīng)常由于無法穿透厚實的泡沫而導致失波，而射頻導納收的影響較小，比如：堿液槽；還有一些由于安裝位置狹窄，而容易受到各種干擾影響的位置，比如：沉降槽邊上的溢出槽，直徑較小，而溢出水流經(jīng)常會進入雷達波束內(nèi)干擾雷達液位計的正常工作 —— 而射頻導納液位計相對來說受到溢流水流的影響要小很多。 三、氧化鋁工藝中的物位計選擇及注意事項 　　目前大部分氧化鋁工藝都采用拜耳法。基本的生產(chǎn)工藝圖，如下： 　　在氧化鋁工藝中，物位測量主要包括固體料位測量和液位液位測量。不同工藝對于物位測量提出了不同的要求，關鍵是要選擇最合適的物位測量技術，選擇性價比最高的解決方案。 固體料位的測量要求和注意事項： 1、 測量的要求和目的。 　　從固體料位的測量要求和目前來講，可以分為連續(xù)式測量和點式測量兩種。 　　點式測量要求比較簡單，即當料位高于或低于某個料位時，由料位開關輸出報警信號（一般為繼電器動作信號），用于保護料倉防止料倉溢出或清空。西門子公司提供的料位開關由CLS系列射頻導納式料位開關、LPS/LVS機械式（阻旋/音叉）料位開關等。 　　連續(xù)式測量要求儀表對料位進行連續(xù)監(jiān)控，以達到存儲管理的目的，提高生產(chǎn)效率。西門子公司提供了Sitrans LU系列、Multiranger等超聲波物位計、Sitrans LR400固體型雷達等多種解決方案來滿足不同的應用需求。 2、 固體物位的特性（粒度大小、粉塵等）。 　　一般的講，根據(jù)不同物料的顆粒度大小不同，可以將固體簡單地分為塊狀固體和粉狀固體。 　　對于塊狀的固體，比如：石灰石（塊），可以選用超聲波物位計進行測量。西門子公司的超聲波物位測量技術采用較高的頻率、聲阻匹配、陣列式系統(tǒng)等先進的技術，克服了固體料面的散射和少量粉塵而引起的超聲波能量衰減的影響，保證了超聲波物位測量系統(tǒng)的較高的精度、較高的性價比、可靠的使用性能、長的使用壽命。 　　而對于一些粉狀的固體的應用，比如：鋁土礦（粉）倉、成品氧化鋁（粉末）庫、石灰石粉倉等，一般都采用Sitrans LR400固體型雷達測量，能過達到較好的效果。Sitrans LR400采用24GHz的FMCW微波技術，可以克服嚴重的粉塵的影響，能夠在較細的粉料表面產(chǎn)生較為理想的反射效果，得到最可靠的測量效果。 3、 安裝位置及料倉結(jié)構。 　　對于像超聲波、雷達這些非接觸的物位測量技術而言，選擇合適的安裝位置是非常重要的。 　　一般的講，所選擇的安裝位置要盡可能避開進料口、倉內(nèi)的加強圈、鋼梁等強干擾；盡量不要安裝在倉的中央位置，以避免多次回波的干擾。因此最好選擇合適的安裝位置前，能夠研究一下料倉的結(jié)構圖，可以避免一些使用問題的出現(xiàn)。 　　對于料堆堆角（安息角）較大的物料，選擇瞄準器的選項（配件），將會得到的較好的反射效果。值得一提的是，Sitrans LR400固體型雷達集成了瞄準器的配置無需另外選擇。 液體液位的測量要求和注意事項： 1、量程和精度要求。 　　在氧化鋁裝置的液位測量應用中，大部分的槽、罐的高度都在10～20米以內(nèi)，采用Probe LR或LR200或Probe LU即可滿足應用的量程要求。但也有一些大量程的應用，比如：沉降槽的高度可能將達到35m以上，則可以選擇LR400或Sitrans LU系列（最大量程可達60m）來解決大量程的應用要求。 　　在液位測量中，一般將精度要求分為：貿(mào)易結(jié)算級（計量級）和過程級兩種。貿(mào)易結(jié)算級的精度要求為±1mm；而過程級隊精度的要求并不是很高，一般只要求達到±5～15mm即可，相反過程級的液位計要求較高的可靠性和穩(wěn)定性，因為過程級液位計所應用的工況條件要復雜得多。在氧化鋁工藝中，對所有的液位計的精度要求均為過程級。對于一些比較重要的工藝點，一般都會選擇精度較高的雷達液位計（一般精度都在0.1%以上）。 2、過程溫度、環(huán)境溫度。 　　在氧化鋁工藝中的很多液位測量點都存在著過程溫度和環(huán)境溫度較高的現(xiàn)象，很多位置的過程溫度甚至能夠達到150～200ºC。比如：礦漿槽、稀釋后槽等。一般在這些高溫的應用中，不會選擇超聲波液位計，而是雷達液位計。采用PTFE材質(zhì)的天線（桿式和喇叭口天線）可以應用在高達200 ºC溫度環(huán)境中，基本上可以滿足氧化鋁工藝中的所 有測量的要求。 　　很多位置由于現(xiàn)場存在大量高溫蒸汽，或者過程較高導致儀表的法蘭溫度很高，有時候會達到50～60ºC，甚至80～90ºC（如圖7），比如：熱水槽、礦漿槽等。在這些情況下，除了有些液位計本身由于采用一體化的結(jié)構可以耐較高的環(huán)境溫度外 – Sitrans Probe LR/LU 和LR200均采用一體化結(jié)構，環(huán)境溫度可達80～85ºC，一般還會采用在法蘭間加隔熱墊片等辦法。 　　在極端的高溫并找不到合適的安裝位置的情況下 – 比如：原料磨工藝段的原料漿液位測量點。在魏橋鋁業(yè)的氧化鋁裝置中，西門子設計了將雷達液位計安裝在容器頂部以上，利用輻射熱自然降溫的原理，避開容器內(nèi)的高溫，并采用聲智能的陷阱回波處理軟件消除容器頂部的干擾，“透過”容器對槽內(nèi)的液位進行測量，并取得非常好的效果，也為客戶解決了一個難題（如圖8）。 3、被測介質(zhì)的介電常數(shù)和密度。 　　對于雷達和射頻導納物位計而言，被測介質(zhì)的介電常數(shù)大小是比較重要。而由于在氧化鋁工藝中，絕大部分介質(zhì)的介電常數(shù)均大于3，因此基本上對雷達的選擇沒有很大的影響。而射頻導納液位計的測量要求液位的變化和所測電容值的變化呈線性關系，因此對于介質(zhì)的介電常數(shù)要求是穩(wěn)定的。所以在一些介電常數(shù)會發(fā)生較大變化的應用中，射頻導納就不適用了。 　　對于超聲波液位計而言，被測介質(zhì)的密度的大小與超聲波反射能量的大小有直接的關系。因此，被測介質(zhì)的密度約達，測量效果就越好。因此，存在嚴重的揮發(fā)性氣體（煙霧）、水蒸氣的工況，超聲波液位計的性能會受到影響。 4、槽、罐內(nèi)是否有水蒸汽、掛料以及結(jié)疤等。 　　雖然說水蒸氣對雷達波的影響非常小，但是在通常情況下由于水蒸氣的作用（如圖9），會導致一些冷凝水的產(chǎn)生而影響液位計的正常工作。經(jīng)過試驗比較，采用桿式天線的雷達液位計抵御由于水蒸氣產(chǎn)生的冷凝水的影響較小。 　　工藝中有很多漿料的液位測量中會經(jīng)常出現(xiàn)掛料的現(xiàn)象。比如：赤泥槽。由于的漿料的介電常數(shù)一般都較大，其影響不可以忽略。采用喇叭口的天線可以較大程度的將掛料的影響減到最小，在極端的情況，可以采用帶自清洗裝置（水或壓縮氣）的喇叭天線來消除掛料的影響。 　　嚴重的結(jié)疤問題是氧化鋁工藝中一直沒有解決得很好的難點，尤其是在晶種槽的液位測量。這個工藝中的結(jié)疤現(xiàn)象非常嚴重，目前只能通過人工的方式來清除液位計探頭上疤，對于現(xiàn)場工人來說，工作量較大。但是非接觸式的雷達液位計比其他接觸式測量方法已經(jīng)有很大的改進。 5、攪拌器影響。 　　集成了聲智能回波處理技術的Sitrans LU或LR液位計也可以有效地克服攪拌的干擾，比如：分解槽等。 6、腐蝕兼容性。 　　雷達液位計的天線一般可以選擇PTFE和PPS等，超聲波的探頭材質(zhì)一般有PVDF和ETFE等。在選擇液位計的選項時，必須要考慮被測介質(zhì)和揮發(fā)性氣體與液位計探頭材質(zhì)的腐蝕兼容性問題。比如：硫酸罐、堿液槽等液位測量，根據(jù)不同濃度的要求，查閱相關的材料腐蝕兼容性數(shù)據(jù)，已確定采用何種材質(zhì)。對于一些會產(chǎn)生腐蝕性揮發(fā)氣體的介質(zhì)，比如：發(fā)煙硫酸，為防止對不銹鋼法蘭和變送器表頭的腐蝕和滲透，可以選擇一體化墊片的選項。 7、安裝位置和容器結(jié)構影響。 　　同樣地，在選擇合適的安裝位置時，應盡可能地避開容器的中央位置以減少多次回波干擾；避開進料口位置和波束范圍內(nèi)有較強的固定干擾（比如：加強圈、人梯、橫梁等）的干擾；保持比罐比一定的距離，一般為遵守10：1的原則，即離罐壁的距離不小于罐的高度（量程），而最佳的安裝位置是在容器直徑的1/3～1/4處；容器的安裝立管高度一般不可以大于雷達液位計的屏蔽段的長度，而立管的直徑一般需大于50mm，最佳直徑是150mm。 8、系統(tǒng)接地問題。 　　在魏橋氧化鋁裝置的應用中，意外地發(fā)現(xiàn)某些工藝段的雷達液位計會受到周圍變頻器的設備的影響，從現(xiàn)象上來看，當某些變頻器啟動時，雷達液位計會產(chǎn)生過高的噪聲而導致回波信號衰減，甚至丟失。最初，我們設計選用了一些過濾器加裝在電路回路上（如圖10,11），使噪聲得到了抑制，恢復雷達液位計的使用。經(jīng)過進一步的了解和研究發(fā)現(xiàn)，這種干擾是由于控制系統(tǒng)在安裝時姐地不良造成的。在我們的建議下，客戶改善了接地措施，這一問題得到了解決。我們的努力也贏得了客戶的好感。 四、結(jié)束語 　　近兩年來，在國內(nèi)供應缺口不斷加大及國際氧化鋁價格持續(xù)上升的雙重作用下，我國氧化鋁行業(yè)出現(xiàn)了一輪投資熱潮，電解鋁大省山東更是獨立潮頭。尤其是在魏橋集團等幾大民營企業(yè)的推動下，非中鋁的氧化鋁產(chǎn)能迅速擴大，打破了中鋁的壟斷。這不可避免地會導致全國氧化鋁價格的走低，以及殘酷的市場競爭。 　　如何有效地控制成本，提高生產(chǎn)效率是每一家氧化鋁企業(yè)不得不面對的問題：選擇最優(yōu)化的、合適的、成熟的自動化系統(tǒng)設備及儀表解決方案，將會幫助用戶實現(xiàn)最優(yōu)的自動化控制帶來極大的好處。 在氧化鋁工藝中，物位儀表的應用是其中重要的環(huán)節(jié)。隨著科技的發(fā)展和經(jīng)驗的積累，在氧化鋁裝置中的物位測量技術將會越來越成熟。 參考文獻： 1、閻永勝. 氧化鋁工藝物位儀表及選型,儀器儀表用戶, 2004.No.3,文章編號:1671-1041（2004）03-0077-02,P77～78 2、王麗杰,韓紅芳.幾種液位計在沉降槽上的應用,自動化與儀器儀表,2005第一期,P48～49,70 3、郝仙庭,史登躍,雷達液位計在42m沉降槽上的應用,智能儀器儀表,2004第一期,P51～52 4、薛惠,超聲波物位計在工程中的應用,有色冶金設計與研究,2000年6月,P15～17 5、畢詩文等,氧化鋁生產(chǎn)工藝,化學工業(yè)出版社,2006年2月