摘要：本文介紹了西門子公司的各種物位測量技術(shù)在目前中國最大氧化鋁單體項(xiàng)目—山東魏橋鋁業(yè)一、二期中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。該項(xiàng)目是目前西門子在中國乃至世界上最大物位儀表采購項(xiàng)目。 關(guān)鍵詞：氧化鋁 雷達(dá)液位計(jì) 超聲波液位計(jì) 射頻導(dǎo)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(xiàng)目，魏橋鋁業(yè)計(jì)劃分5期建成1000萬噸/年的氧化鋁生產(chǎn)裝置，每期建設(shè)四條生產(chǎn)線，每天生產(chǎn)線設(shè)計(jì)產(chǎn)能40萬噸/年，實(shí)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(yùn)行，即將全部達(dá)產(chǎn)；產(chǎn)能將達(dá)200萬噸/年。 　　西門子公司憑著良好的公司形象、務(wù)實(shí)的工作態(tài)度、可靠的產(chǎn)品性能，打敗了強(qiáng)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(dá)及其他物位計(jì)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(dá)物位計(jì)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(jì)訂單。 二、西門子物位解決方案 1、超聲波物位計(jì) 　　超聲波料位計(jì)基于回波測距原理。超聲波料位計(jì)大多采用氣介導(dǎo)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(jì)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(jià)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(jìn)的聲智能回波處理技術(shù)，可以有效地消除各種干擾；獨(dú)一無二的高精度：0.15%，同時也是目前唯一能夠達(dá)到這一精度要求的超聲波物位計(jì)。 　　超聲波液位計(jì)主要用于常溫常壓的液位測量應(yīng)用中，比如：各種污水槽等。 2、雷達(dá)物位計(jì) 　　雷達(dá)物位計(jì)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(dá)物位計(jì)是目前應(yīng)用最為廣泛的物位測量技術(shù)。 　　西門子公司的物位解決方案針對不同的應(yīng)用特點(diǎn)，提供了兩種雷達(dá)測量技術(shù)來滿足復(fù)雜的工藝要求。 采用C波段微波的脈沖測量技術(shù) 　　西門子公司的Sitrans Probe LR、LR200、LR300等型號的雷達(dá)物位計(jì)就是采用了這種技術(shù)。 　　脈沖雷達(dá)物位計(jì)，與超聲波技術(shù)相似，使用時差原理計(jì)算到介質(zhì)表面的距離。 設(shè)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(dá)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(diǎn)： 　　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(dá)被大量應(yīng)用于各種過程工藝復(fù)雜的液體測量中，比如：表面有泡沫的堿液液位、掛料嚴(yán)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(shù) 　　西門子公司的Sitrans LR400采用了該技術(shù)。 　　FMCW微波物位計(jì)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(fù)雜數(shù)學(xué)公式的間接測量方法，由頻譜計(jì)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(jìn)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(guān)系。 　由于具有波長較短的特性，因此它具有以下優(yōu)點(diǎn)： 　　具有較窄的波束寬度，可以避開障礙物 　　因?yàn)椴ㄩL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(yīng)用于量程范圍較大應(yīng)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(dǎo)納物位計(jì) 　　電容式物位計(jì)是利用電容器的測量原理進(jìn)行物位測量的儀表。射頻導(dǎo)納是一種從電容式發(fā)展起來的、防掛料、更可靠、更準(zhǔn)確、適用性更廣的料位控制技術(shù)，射頻導(dǎo)納中導(dǎo)納的含義為電學(xué)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(dǎo)納可以理解為用高頻無線電波測量導(dǎo)納。 　　西門子公司采用射頻導(dǎo)納技術(shù)的物位產(chǎn)品主要有CLS系列物位開關(guān)和LC系列物位計(jì)。 　　相對于其他公司的電容和射頻導(dǎo)納測量技術(shù)，西門子公司的射頻導(dǎo)納系列物位計(jì)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(shù)，因此具有以下優(yōu)點(diǎn)： 　　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(dǎo)電或不導(dǎo)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(dǎo)納技術(shù)被應(yīng)用很多液面泡沫相當(dāng)嚴(yán)重的儲罐的液位測量 – 雷達(dá)液位計(jì)經(jīng)常由于無法穿透厚實(shí)的泡沫而導(dǎo)致失波，而射頻導(dǎo)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(jìn)入雷達(dá)波束內(nèi)干擾雷達(dá)液位計(jì)的正常工作 —— 而射頻導(dǎo)納液位計(jì)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(jì)選擇及注意事項(xiàng) 　　目前大部分氧化鋁工藝都采用拜耳法?；镜纳a(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(guān)鍵是要選擇最合適的物位測量技術(shù)，選擇性價(jià)比最高的解決方案。 固體料位的測量要求和注意事項(xiàng)： 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(diǎn)式測量兩種。 　　點(diǎn)式測量要求比較簡單，即當(dāng)料位高于或低于某個料位時，由料位開關(guān)輸出報(bào)警信號（一般為繼電器動作信號），用于保護(hù)料倉防止料倉溢出或清空。西門子公司提供的料位開關(guān)由CLS系列射頻導(dǎo)納式料位開關(guān)、LPS/LVS機(jī)械式（阻旋/音叉）料位開關(guān)等。 　　連續(xù)式測量要求儀表對料位進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，以達(dá)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(jì)、Sitrans LR400固體型雷達(dá)等多種解決方案來滿足不同的應(yīng)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(jì)進(jìn)行測量。西門子公司的超聲波物位測量技術(shù)采用較高的頻率、聲阻匹配、陣列式系統(tǒng)等先進(jìn)的技術(shù)，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(jià)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(yīng)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(dá)測量，能過達(dá)到較好的效果。Sitrans LR400采用24GHz的FMCW微波技術(shù)，可以克服嚴(yán)重的粉塵的影響，能夠在較細(xì)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(gòu)。 　　對于像超聲波、雷達(dá)這些非接觸的物位測量技術(shù)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(jìn)料口、倉內(nèi)的加強(qiáng)圈、鋼梁等強(qiáng)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(gòu)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(zhǔn)器的選項(xiàng)（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(dá)集成了瞄準(zhǔn)器的配置無需另外選擇。 液體液位的測量要求和注意事項(xiàng)： 1、量程和精度要求。 　　在氧化鋁裝置的液位測量應(yīng)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(yīng)用的量程要求。但也有一些大量程的應(yīng)用，比如：沉降槽的高度可能將達(dá)到35m以上，則可以選擇LR400或Sitrans LU系列（最大量程可達(dá)60m）來解決大量程的應(yīng)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(jì)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(duì)精度的要求并不是很高，一般只要求達(dá)到±5～15mm即可，相反過程級的液位計(jì)要求較高的可靠性和穩(wěn)定性，因?yàn)檫^程級液位計(jì)所應(yīng)用的工況條件要復(fù)雜得多。在氧化鋁工藝中，對所有的液位計(jì)的精度要求均為過程級。對于一些比較重要的工藝點(diǎn)，一般都會選擇精度較高的雷達(dá)液位計(jì)（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(diǎn)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(dá)到150～200ºC。比如：礦漿槽、稀釋后槽等。一般在這些高溫的應(yīng)用中，不會選擇超聲波液位計(jì)，而是雷達(dá)液位計(jì)。采用PTFE材質(zhì)的天線（桿式和喇叭口天線）可以應(yīng)用在高達(dá)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(dǎo)致儀表的法蘭溫度很高，有時候會達(dá)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(jì)本身由于采用一體化的結(jié)構(gòu)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(gòu)，環(huán)境溫度可達(dá)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(diǎn)。在魏橋鋁業(yè)的氧化鋁裝置中，西門子設(shè)計(jì)了將雷達(dá)液位計(jì)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(jìn)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(dá)和射頻導(dǎo)納物位計(jì)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(dá)的選擇沒有很大的影響。而射頻導(dǎo)納液位計(jì)的測量要求液位的變化和所測電容值的變化呈線性關(guān)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(yīng)用中，射頻導(dǎo)納就不適用了。 　　對于超聲波液位計(jì)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(guān)系。因此，被測介質(zhì)的密度約達(dá)，測量效果就越好。因此，存在嚴(yán)重的揮發(fā)性氣體（煙霧）、水蒸氣的工況，超聲波液位計(jì)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(dá)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(dǎo)致一些冷凝水的產(chǎn)生而影響液位計(jì)的正常工作。經(jīng)過試驗(yàn)比較，采用桿式天線的雷達(dá)液位計(jì)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(yán)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(diǎn)，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(yán)重，目前只能通過人工的方式來清除液位計(jì)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(dá)液位計(jì)比其他接觸式測量方法已經(jīng)有很大的改進(jìn)。 5、攪拌器影響。 　　集成了聲智能回波處理技術(shù)的Sitrans LU或LR液位計(jì)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(dá)液位計(jì)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(jì)的選項(xiàng)時，必須要考慮被測介質(zhì)和揮發(fā)性氣體與液位計(jì)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(guān)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(xiàng)。 7、安裝位置和容器結(jié)構(gòu)影響。 　　同樣地，在選擇合適的安裝位置時，應(yīng)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(jìn)料口位置和波束范圍內(nèi)有較強(qiáng)的固定干擾（比如：加強(qiáng)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(dá)液位計(jì)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(yīng)用中，意外地發(fā)現(xiàn)某些工藝段的雷達(dá)液位計(jì)會受到周圍變頻器的設(shè)備的影響，從現(xiàn)象上來看，當(dāng)某些變頻器啟動時，雷達(dá)液位計(jì)會產(chǎn)生過高的噪聲而導(dǎo)致回波信號衰減，甚至丟失。最初，我們設(shè)計(jì)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(fù)雷達(dá)液位計(jì)的使用。經(jīng)過進(jìn)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(yīng)缺口不斷加大及國際氧化鋁價(jià)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(dú)立潮頭。尤其是在魏橋集團(tuán)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(kuò)大，打破了中鋁的壟斷。這不可避免地會導(dǎo)致全國氧化鋁價(jià)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(shè)備及儀表解決方案，將會幫助用戶實(shí)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(yīng)用是其中重要的環(huán)節(jié)。隨著科技的發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)的積累，在氧化鋁裝置中的物位測量技術(shù)將會越來越成熟。 參考文獻(xiàn)： 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(jì)在沉降槽上的應(yīng)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(dá)液位計(jì)在42m沉降槽上的應(yīng)用,智能儀器儀表,2004第一期,P51～52 4、薛惠,超聲波物位計(jì)在工程中的應(yīng)用,有色冶金設(shè)計(jì)與研究,2000年6月,P15～17 5、畢詩文等,氧化鋁生產(chǎn)工藝,化學(xué)工業(yè)出版社,2006年2月