深度分析 | 物位测量技术应用及发展

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       液位（Level）是从蒸汽时代开始就有的四大热工参数（温度、压力、流量、液位）之一。

       20 世纪二次大战以后，随着经济的恢复发展，电力、冶金、化工、石化、采矿、建材工业得到飞速发展，自动化程度也日益提高，上述工业过程控制中，主要检测参数仍是这四大参数，当然，其内容更丰富了。

       液位也从早期只是测量水位、发展到各类液体如：酸、碱、化工液体、各种油类的液位，并且延伸到不相容液体的界面如：油—水界面，水中的固态沉淀物界面（污泥界面）等，以及散装固体料位如：煤、矿石、砂、水泥、谷类等。

       英文仍是Level 来涵盖以上测量内容。而中文如仍用液位显然不妥，故近年来逐步用物位来作为这类参数的中文名称，具体的定义应为：不同相或不相混物料其分界面的位置称为物位。

       根据不同相物料，可细分为：液位（气—液相界面位置）、料位（气—固相界面位置），液—液相界面位置，液—固相界面位置等。

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物位仪表技术现状

       物位是过程参数中最简单的参数，借助简单工具（量尺），甚至目测就能知道物位值。

       直到20世纪50年代以前，主要还是测量液位，主要的方法是用机械原理的浮子式、浮力式及亚力式，用指针就地指示液位，或进行位式控制。

       另外就是用于目测的玻璃板（管）液位计，窥镜等，严格意义上不能算仪表，只是设备的附件。

       国际上历史有七，八十年的物位仪表公司，早期也都是生产这些现在看来很简单的产品。

       20世纪50年代起，电测技术的发展促进了电气式液位计的发展。

       除了简单的电极式液位控制器外，最先被应用的是电容式物位控制器，以及在这基础上发展的连续式电容物（液）位计。

       浮子式之类机械式液位计也被附加电气装置、使能给出电气控制信号或将测得的液位信号用电气信号远传。电动压力（差压）变送器也广泛用来测液位，使液位测量仪表从纯机械型向电气型发展。

       物位测量技术的迅速发展是从20世纪70年代后期起，由微电子技术的迅速发展而带动起来的。

       首先是微电子技术促进了工业自动化的发展。PLC、PC、DCS等的应用对物位计及其他各种现场检测仪表提出了巨大的需求。

       同时微电子技术又使非电量电测技术有了飞跃进步，发展了许多新型的物位检测方法，以及电子型的物位检测仪表，使整个物位仪表领域有了非常巨大的改观，使原来以机械式原理为主的物位仪表，发展为以应用微电子技术的智能仪表为主。

近年来发展较快的物位仪表有以下几类。

1. 电子型限位式物位控制器（物位开关）

       在物位的过程控制中，很多场合只需要将物位控制在一定范围内，而并不需要精确测量其位置；或在物位越过某一极限位置（高位或低位）时，发出控制或报警信号，这类应用的需求量很大，早期主要应用浮球式液位控制器或电接点式液位控制器。

       由于原理限制，许多场合不能应用，电子型物位控制器的发展极大地扩展了这类应用。

       最典型的产品就是振动阻尼式物位控制器（音叉物位开关），不但能应用于液体，还能应用于固体物料，有多种形式的信号输出，有些还有自诊断功能。

       此外，还有多种原理的产品，如：超声式、光导式、热导式、雷达式等等，都是微电子技术与非电量电测技术结合的产品。

2. 机-电一体化的物位仪表

       微电子技术和传统的机械原理的物位测量技术相结合，使原有的仪表性能有很大提高，如电浮筒液位计，并且发展出许多机电一体化的物位测量仪表，如：磁致伸缩液位计、伺服型浮子液位计、重锤式物位计等，应用越来越广。

3. 非接触的TOF（行程时间）测量原理

       TOF（Time of Flight行程时间或传播时间）测量原理，又称回波测距原理，是非接触测距的一种方法，是近年来发展最快、应用最广的物位测量新技术。

       原理是：安装在料仓顶部的探头向仓内发射某种能量波，能量波传播到被测物料面上时，在物料面上反射并返回探头被接受，波的来回传播时间就是距离的量度，可以据之计算出物位。

       可以应用的能量波有机械波（声或超声波）、电磁波（通常为K波段，C波段或X波段的雷达波），光波（通常为红外波段的激光）。

       相应的物位计称为：超声物位计、雷达物位计及激光物位计，都是电子型的物位计。

       这3种原理的仪表中，超声波物位计已应用了30多年，技术已成熟；雷达物位计是近十几年来发展起来的，发展速度很快，应用也越来越广；激光物位计虽然技术也已成熟，由于原理上的原因，应用面较狭。

       总体来说，这类仪表已成为物位测量中非常重要的手段，应用增长很快。

4. 大型储罐液位精密计量

       液体石油产品以及化工液体的转运、仓储管理中，许多大型储罐需高精度测量液位，以计算储量，或进行贸易结算。

       按国际惯例，用于贸易结算的液位计测量准确度需在±1mm以内，用于库存管理的液位计，测量准确度在±3mm以内，都属于计量级的液位计，量程一般为30m或更大。

       能满足这类要求的液位计有：伺服型浮子液位计，高精度雷达（微波）液位计，磁致伸缩液位计等。

       由于都是结合了微电子技术，除了能达到高精度测量液位外，都有数字通讯接口，并可以和平均温度计、压力传感器结合进行综合测量。

       目前国内对大型储罐高精度计量液位是用量油尺人工计量（按国家标准）。国际法制计量组织建议成员国允许液位计作为计量器具来使用。

       我国虽然已进口了不少计量级的液位计，但并未用作计量器具使用，因为尚未有相应准确度的检验标定装置及检验规程。

       根据我国计量器具产品监督管理工作需要，2010年国家质检总局批准国家大容量第一计量站建立国家固定储罐自动液位计型式评价实验室，开展固定储罐自动液位计型式评价工作。

       目前液位计型式评价实验装置已完成，型式评定大纲也在制定中，这有助于我国储罐液位计量的自动化。

       综上所述，电子型物位仪表已成为物位仪表中主流，即使机械原理的仪表许多也是结合了微电子技术成为机电一体型的仪表。

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流程工业等领域物位仪表应用状况

1. 水泥工业

       水泥工业是基础工业之一。主要是固体物料的采掘、加工处理、传送、储存、包装外运等过程，需用大量物位仪表。主要工作于两个领域：

       检测位置信号，用于控制泵、加料装置、报警器及其他操作器。

       检测料仓或料斗中的料位，用于库存管理。

       图1-4-1是水泥工业流程图。物位计用于生产过程中的许多部位，具体如图1-4-1所示。

图1-4-1 水泥工业流程图

初碎机

       圆锥回转破碎机是最通用的，在初碎机中有两种主要应用：

       卡车定位—超声换能器水平安装在翻斗卡车的通道上，并且接线到控制红、绿灯的电路中。当卡车工作时，超声系统连续监视它的位置。

       当它到达正确的倾倒位置时，报警继电器闭合，绿灯亮，发信号给驾驶员，卡车上的矿石可以安全的倾倒入破碎机中。

       岩石料斗—位于破碎机下面，超声物位换能器监视破碎后的石块的物位。

图1-4-2

采石场料堆

       粉碎后的石灰石从破碎机用堆取料机转运至堆场。

       超声物位换能器监测料堆的表面轮廓，对堆场中石灰石原料进行库存估计，保证库存。

       超声物位换能器安装在皮带机头监视从卸料点到料堆顶部的距离，当两者之间的距离到达编程设定点，报警被触发，发出信号，抬高或旋转皮带至新的位置。

       库存管理对于超声物位监测系统而言是一般应用。超声物位换能器坚固的结构以及方便的远程控制器监控，可以说分体超声物位测量系统是实现料堆物位监测的理想技术。

图1-4-3

图1-4-4

图1-4-5

二级粉碎机

       在这典型的噪声、潮湿和肮脏的环境中，超声物位换能器检测缓冲仓中的物位。超声物位系统也用于粉碎机的进料槽监测料槽堵塞。

生料磨机给料仓

       粉碎的矿石从二级破碎机转送到给料仓中。在给料仓目前通常采用雷达料位计监视料仓中矿石物位。

       该应用是典型的原料库存管理，雷达料位计监测料仓内储存物料的物位。

生料磨

       生料磨是典型的棒磨机，它将生料（包括添加剂）磨成细粉，然后传送到窑中。混合的生料被连续地馈送入生料磨。

       雷达料位计在辊道上的磨辊的高度，实质上是监视辊道的深度。操作员根据磨辊高度来调节加料速度，以保持恒定的辊道的深度，改善磨的效率及防止磨辊损坏辊道。

窑喂料仓

       被粉碎的物料从原料仓被传送到窑喂料仓（有时被称为连续给料仓，因为物料被不断的馈送进出这个料仓），在那里它被储存及预热，准备用于送入窑中。

       超声波料位计监测在这个料仓内的物位，但是由于粉尘很大和环境影响，近年来逐步为雷达料位计所取代。近年来，许多窑给料仓用西森自动化雷达物位计来装备，它们能克服恶劣的环境，获得了很大的成功。

       超声波也可以工作，但是取决于粉尘程度，在合适的场合是替代雷达的低价格的替代选择。

图1-4-6

熟料仓

       热窑中输出的物料被称为熟料。尺寸范围从粉到拳头大小块状，在被磨成粉之前被储存在该料仓中，因为物料直接来自热窑，温度很高。雷达料位计在熟料仓料位中的测量非常成熟。

添加剂仓和煤仓

       这些仓储存物料，用来添加到生料磨机过程中，并且和粉碎的石灰石在进入窑前混合。它们也保存物料，在熟料最终磨碎期间添加。这些料仓容纳沙、铁矿石、石灰、石膏、熟石膏或其他用于调节水泥成分的物料。

       煤仓储存在窑中燃烧的煤—燃烧产生的热有助于从生料到熟料的化学变化。超声系统监视用于库存的料仓内的物位。

图1-4-7

成品水泥库

       这些料仓储存成品水泥。一旦熟料和其他添加剂通过球磨机将它们磨成细粉，就被输送到储仓中，等待通过卡车、列车装运出去或进一步包装成袋装水泥。

       成品水泥是极细的，含水量很少，这使它容易飞扬。超声物位测量系统在这种场合的性能不是很适用，它取决于很多因素，包括料仓高度、粉尘收集系统、换能器安装位置、换能器的瞄准以及加料方式。

       在这种高粉尘应用场合，雷达料位计如：西森自动化雷达物位计可以可靠稳定的工作。

2. 环保工业

       环保工业是超声波物位计最大的市场。从水/污水系统到净水系统，超声传感器测量明渠流量、操纵泵、激励报警器及控制添加剂的库存等。

收集系统：提升站/泵站/集水井

       在市政水处理厂中，一个地下的输送收集系统将原始污水从住宅及工业用户，传送到污水处理厂。泵站（又称抽水站）遍及城镇的各个角落，在泵站内污水被收集在集水井内，并由各集水井泵送到污水处理厂。
 

图1-4-8

       超声液位计监视和控制泵站内的污水液位。正如你从附图泵站照片上看到的，在井里有许多障碍物—超声波的窄波束角和非接触的特点使它成为监视集水井液位的理想技术。

       西森自动化超声控制器结合了先进的技术，能提供比简单的泵控制更多的功能，能监视泵运行时间、泵的故障、泵启动和循环启动，以平均泵的磨损，或优先磨损某个泵。

       有独特的定时特点，附加有更多的优点。泵的ON/OFF设定点可以根据一天中的时间自动地变化，回避在峰值电价期间抽水， 以节能。

       实时时钟控制允许设定点根据一天中的时间接点改变在典型的集水井安装中，它能在峰值电价以前抽空井，然后推迟抽水，直到昂贵的电价时段过去。在大多数情况下，可以避免电力公司在高峰期间的惩罚性电价。

图1-4-9

       LUT400泵控制和物位测量系统提供最佳解决方案，以管理污水收集网络，使用液位计来监视泵状态和泵送体积，数字输入获取了现场和泵数据，提供了一个完整的综合系统。

图1-4-10

       泵站设计处理的流量是由所服务的居民产生的，但是随时间、人口的变化，要求的处理量会改变，很难提前预判。泵送体积提供真实的趋势数据，用于对收集系统效率的监视。

       保持管道从泵站到污水处理厂完全密封是不可能的，地下水渗透是不可避免的。泵送体积的监视可以提供管网信息，以测定渗漏位置。

       监测的流量数据远程传递到SCADA系统，管网容量能够被有效的使用，这允许有效资源管理和帮助诊断结构问题。

雨水池

       在某些情况下溢流常常产生，暴雨水池被用来收集污水及雨水，以防止流到临近的河流中。一旦暴雨减弱，水被抽回到收集系统中用于处理。超声液位计用于监视这些水池中液位。

图1-4-11

污水处理厂主泵站

       主泵站是位于污水处理厂的一个中心泵站—城市内的所有远程泵站最终都把它们的污水泵送到中心站。现场类似于远程泵站，但是集水井大得多，通常井内障碍物较少。

       超声液位计监视系统和控制泵，来传送污水进入处理厂以及在处理厂中保持及时处理污水。

图1-4-12

溢流、暴雨水罐

       位于污水处理厂的溢流罐提供和暴雨水池相同的功能。当污水处理厂工作于最大能力时，它们收集混合的污水和雨水，起储存作用。一旦进入处理厂的流量低于最大处理能力，溢流的水被抽入处理工厂进行处理。

进入流道（流入流槽）

       流入处理厂的流量需要被监视和控制，以保持处理厂效率。如果进入的流量超过了额定能力，将它保存到暴雨水池中（见上），以后一旦流量返回到正常值，抽水送回进入口。

       通常用明渠一次测量装置如流槽或堰，以及使用超声技术的二次测量仪表提供高精度液位测量，来监视流入的流量。

       流量数据必须记录，以便保证下列要求：

       处理厂工作于允许范围内。

       对于现场环境法规的合规报告是准确的。

隔栅

       隔栅被安装在污水处理厂进水渠道上，用来阻挡无机垃圾等废弃物。在上游侧积累的垃圾会导致下游侧水位的降低。当足够多的垃圾集聚时，启动一个耙子，清除隔栅垃圾，以保持水流畅通。在清理前垃圾是水浸泡的和晾干的。

       使用安装在隔栅两侧的两个换能器来测量隔栅上游和下游的水位。在液位差达到用户设定值时，继电器操纵耙子工作，以清除垃圾。

图1-4-13

固体物位测量

       被耙子和沉淀池除去的垃圾和砂被收集到一个用超声物位计监视的容器（或垃圾桶）中。一旦加满，超声波物位计就提供报警给用户，可以用空的桶来替换。

图1-4-14

化学罐

       化学物如：用于澄清器中的明矾或最后排放前将水消毒的氯，存放在现场日常使用。超声液位计监视这些罐中液位用于库存管理目的。

图1-4-15

最终流出物/排出流量

       所有处理厂向周围环境排放时，在数量及质量上必须符合地方法规，所以在这阶段准确度是重要的。

       一次仪表如堰或者流槽，污水流过它们，并且给出高准确度测量，所以经常使用。排放的质量必须被监视，典型的是采用取样的方式。

       为了准确测量流量，可以使用一次测量仪表和LUT400结合的明渠流量监视仪。LUT400使用已知的水头对流量的关系式，或英国及ISO标准来将高准确度的超声液位测量值转换为流量值。全部的数据记录功能被用来记录日流量积算值及流率。

图1-4-16

图1-4-17

污泥处理

       污泥是水被抽走后沉淀下来的有毒的废料，它必须小心地处理。它的处理受高度管制，所有的过程要仔细的检查。因而库存测量在污泥管理中起重要作用。超声和雷达物位计都可应用。

沼气

       消化池中产生的沼气（甲烷）通常被储存在浮顶气柜中。这些气体使用于处理厂加热或自备电厂发电。超声系统用于监视气柜浮顶高度，也就是储气量。

消化池液位

       这个应用场合用超声波来测量液位，由于甲烷影响声速，所以准确度会受到影响。目前，雷达液位计可提供更准确更低成本的测量，在这种场合成为替代超声波技术的首选技术。

图1-4-18

脱水、真空过滤器

       用超声波来监视真空过滤器中的污泥物位，当物位太低时控制泵从污泥罐中泵送更多污泥到过滤器中去。

3. 石化、化工

       石化、化工等行业主要应用液体介质，少量是固体介质。应用场合为反应罐（塔）、原料储罐、及成品储罐。以及流入市政污水管以前的污水预处理。

       反应罐等有高温、高压工况，应用的物位仪表种类为：雷达液位计、导波雷达液位计、电浮筒液位计、磁翻板液位计、电容液位计等。

图1-4-19

       典型的液体储罐是储存液体化学物、酸、碱等容器。储罐高约10m。或卧式罐，约3~4m。常用的液位仪表为：非接触的雷达、超声液位计，接触式的电容、磁致伸缩液位计。

       固体料仓区别于气体、液体储存容器，储存固体松散颗粒，在自然状态下，会形成不同的堆积形态，用气动传送，物料有一定安息角。

       储存塑料粒子或粉末等固态物料的料仓通常高而窄，高度达30m或更高，部分底部为锥形下料斗，内部可能会增加支撑结构增加了测量难度。

       常用测量仪表为：非接触的微波物位计，接触的重锤等。首选的物位计是高频的微波物位计。

       西森自动化雷达物位计采用78GHz高频率，波束角窄，并且标配气体吹扫和角度调制器，能成功地应用于该场合。

       在盐化工中，比较集中的应用了接触式和非接触式测量、液位计和固体料位计，比方说聚氯乙烯（PVC）项目。

       目前国内由于资源特点，主要采用电石法PVC工艺。物位仪表集中应用于某些工段，具体如下：

图1-4-20

原料仓

       石灰石及焦炭作为电石生产的原料，是工艺生产的源头，符合电石生产工艺要求的石灰石及焦炭经破碎后输送到原料仓，原料矿石通过链斗输送机转送到电石炉进行下一步反应，考虑到测量环境的粉尘、矿石颗粒的特点，固体雷达料位计可以实时、准确监控料仓物位。

图1-4-21

电石炉

       当配料系统自动完成原料仓矿石两种原料的称重和配比后，炉料由链斗输送机输送到电石炉顶的快速下料斗，经过炉管向电石炉内投料，反应生成乙炔，与电解生成的氯反应最终生成VCM。

       从热力学的角度来讲，取决于电极位置的布置和一氧化碳抽取装备的位置，目前国内电石炉一般都采用圆形炉，炉四周分布若干快速下料口。

       鉴于安全、稳定的考虑，固体雷达料位计可以满足现场应用要求。针对性的本安及隔爆设计，小喇叭设计，安装方便；窄波束角，有效避开安装支撑等障碍物；专业防尘罩，确保长周期、稳定运行。

烧碱装置

       作为PVC项目的配套工段，烧碱装置产出盐酸、NaOH等各类酸碱溶液，需要严格监控物料液位。该工序对于物位计的密封形式、防腐性能以及信号稳定性要求较高。

       全塑封天线，K波段高频液位雷达，整体胶封设计，配合最先进的过程信号处理技术，有效解决测量难题。

图1-4-22

图1-4-23

VCM（氯乙烯）

       氯乙烯单体是PVC工艺的产品，通常存放于大型球罐中，由于VCM易挥发，有毒，介电常数较低，且需要精确控制球罐内液位， 导波雷达系列作为高精度的接触式雷达液位计，耐极端温度和压力，很好地满足现场要求。

4. 发电

       燃煤发电厂主要的应用场合为；原煤、粉煤及飞灰。原煤仓应用较成熟，雷达、超声物位计都可应用。30米以上大量程料仓，雷达物位计为首选，其价格也有优势。

       飞灰是煤燃烧后的残留物，被回收和处理，用作硅酸盐水泥的填充物。静电除尘的小灰斗中用高温静电物位开关作为高位控制，在灰斗储满后，气动送到大灰库中。

灰库

       灰库的工况较复杂：

       仓高可达49 m。

       从顶部气动输送进料。

       从底部充气，以免板结。

       气动送料产生巨大漩涡粉尘，加上飞灰介电常数较低，使准确测量物位变得困难。早期曾用超声波物位计来测量，静态时能可靠测量，吹气时粉尘漩涡使超声波信号衰减，不能可靠测量。

       雷达波传播不受粉尘影响，但飞灰低介电常数使反射困难，故低频雷达波在料面上反射信号小，多年来一直没找到好的解决方案。

       西森自动化推出的高频雷达物位计采用78GHz高频雷达波，波束角小，能量集中，在飞灰料面上也能得到良好反射，能可靠应用，成为飞灰、成品水泥等细粉料位的首选产品。

原煤仓

       大型燃煤电厂通过燃煤产生蒸汽来发电，保证煤仓中煤的存储量，对避免中断发电和扰乱供电是至关重要的。需要连续测量煤仓中料位，包括加料和卸料时。没有连续的料位数据，对输煤管理是困难的。

       工况：煤仓用输煤皮带或加料车加料，沿轨道移动，分发煤进入每个煤仓。当某个煤仓加满时，自动移到较空的料仓继续加料。

       多年来，超声波物位计成功地应用于原煤仓料位测量。超声波探头有自清洁功能，每次发射时的机械振动使灰尘难以在换能器上积聚，可免维护。

       雷达技术的发展使在30米以上的料位测量时，雷达波的价格更低，它不像超声波物位计那样，随量程增加，价格增幅较大。故在煤仓等固态料位测量时，在15~20m以下时，超声波是首选；在30m及以上时，雷达物位计是首选。

       但随着雷达物位计的性价比越来越高，为了避免粉尘影响，固态料位的测量可能也全部采用雷达物位计。

       煤仓高料位控制通常用射频电容物位开关或阻旋物位开关。在煤加到设定的高位点时，控制加料车移动到其他料仓加料。在落煤管堵煤报警控制通常也用射频电容或阻旋物位开关。当落煤管堵塞时，报警开关给控制信号，停止进煤。

       煤仓料位的连续测量和高位控制使煤仓加料自动化，煤的处理更精确，更有效，提高了料仓的储存能力。操作人员可以透过粉尘观察煤的真实料位，保证料仓中始终有足够的煤供锅炉燃烧。

5. 油气

       高质量的油气钻井设备的控制和信息系统的客户需要一种技术来监视钻井泥浆池和罐内的液位。

       钻井泥浆是钻井时的重要因素，精确测量钻探设备中的钻井液体循环系统中的总的泥浆体积，对安全和工作效率是非常重要的。很多种技术包括机械浮子都不成功。

       钻井流体或“泥浆”被泵入钻探管中，在那里穿过接管冷却钻头，然后泥浆沿洞上升回流到地面，泥浆和形成的钻屑一起清扫钻的洞、泥浆润滑钻杆和冷却钻头。

       泥浆柱的重量防止液体进入钻井孔，防止“喷出”。通过液体静压力，它也有助于防止坍塌。液面增加表示汽、油或者其他流体进入钻井孔。如果钻井液面减少，循环不能进行，如果不加以抑制，任何一种情况都能导致喷发。

条件

       泥浆罐通常是方形或者矩形的互相联通的钢罐，使用于海上石油钻井、收纳大量钻井泥浆、流入钻井循环系统。

       在陆上钻井，这些罐被称为泥浆池，在地面上挖一个池以容纳钻井泥浆。

解决方案

       西森自动化是一体化超声波液位计，非接触的超声技术，既不对物料污染，又没有易磨损的移动部件，免维护。

       先进的回波处理不理睬运动的搅拌翼上的反射，锁定在被测液位上而不是障碍物上；采用2吋NPT的螺纹连接，安装简单。无论容器内有无介质，都可以安装和校准。

       一台标准型号液位计适用于多个容器；量程从低至30cm至高至5m以上（由于防爆场合要求，需要选用本安全认证产品）。

优点

       可靠的非接触液位测量，避免了电子机械装置有的磨损和断裂，减少了维护和更换成本，实质上节省了支出，因为提供了重要的钻井参数的监视，安全性和钻井效率都得以显著提高。