作者：韩伟华 北京迪妙声科技有限公司
丁振杰 西门子(中国)有限公司
摘要：本文介绍了西门子公司的各种物位测量技术在目前中国最大氧化铝单体项目—山东魏桥铝业一、二期中的应用经验。该项目是目前西门子在中国乃至世界上最大物位仪表采购项目。
关键词：氧化铝 雷达液位计 超声波液位计 射频导纳 脉冲 连续调频(FMCW)
一、背景
山东魏桥铝业是目前规划中亚洲最大的氧化铝单体项目，魏桥铝业计划分5期建成1000万吨/年的氧化铝生产装置，每期建设四条生产线，每天生产线设计产能40万吨/年，实际产能50万吨/年。目前，一期的第一条生产线已经与5月开始投产，第二至四条生产线已经开始试车运行，即将全部达产；产能将达200万吨/年。
图1：魏桥铝业氧化铝装置远景
西门子公司凭着良好的公司形象、务实的工作态度、可靠的产品性能，打败了强劲的对手，赢得了魏桥铝业的第一条氧化铝生产线中超过100台的雷达及其他物位计的订单。在2006年8月，西门子公司再次赢得魏桥铝业的青睐 －－- 获得了近千台的以雷达物位计为主的物位仪表订单，该订单也是目前西门子公司历史上最大的物位计订单。
二、西门子物位解决方案
1、超声波物位计
超声波料位计基于回波测距原理。超声波料位计大多采用气介导声的方式，即利用在空气中传播的超声脉冲在被测物体上被反射，并接收其回波，超声脉冲来回传播的时间与声脉冲传播距离成正比，测出声脉冲行程时间，就可据之算出物位。
西门子公司的物位系列产品中，超声波液位计产品的种类非常多，其中Probe LU一体化超声波因其较高的性价比，是最受欢迎的物位产品之一，它提供了6m和12m的不同量称以满足不同的量程需要；集成了最先进的声智能回波处理技术，可以有效地消除各种干扰；独一无二的高精度：0.15%，同时也是目前唯一能够达到这一精度要求的超声波物位计。
超声波液位计主要用于常温常压的液位测量应用中，比如：各种污水槽等。
2、雷达物位计
雷达物位计是一种基于回波测距原理的物位测量方式。它是一种电磁波，在传播的过程不需要传输媒介的传递，因此基本上不需要考虑挥发性气体和蒸汽、温度、压力（真空）、甚至粉尘的影响。在氧化铝装置中，雷达物位计是目前应用最为广泛的物位测量技术。
西门子公司的物位解决方案针对不同的应用特点，提供了两种雷达测量技术来满足复杂的工艺要求。
采用C波段微波的脉冲测量技术
西门子公司的Sitrans Probe LR、LR200、LR300等型号的雷达物位计就是采用了这种技术。
脉冲雷达物位计，与超声波技术相似，使用时差原理计算到介质表面的距离。 设备传输固定频率的脉冲，然后接收并建立回波图形。信号的传播时间 直接与到介质的距离成一定比例。但是与超声波使用声波不同，雷达使 用的是电磁波。它利用好几万个脉冲来 “扫描”容器并得到完整的回波图。
C波段微波一般是指频率为6GHz的微波。由于采用较小的微波频率，因此其波长较长。它具有以下优点：
天线的挂料具有较好的抵御能力
对波动的液体表面有更好的性能
低频率具有更好的泡沫穿透力
因此，C波段脉冲雷达被大量应用于各种过程工艺复杂的液体测量中，比如：表面有泡沫的碱液液位、挂料严重的赤泥槽、带有搅拌器的液面波动较大的沉降槽等。
采用K波段微波的连续调频(FMCW)测量技术
西门子公司的Sitrans LR400采用了该技术。
FMCW微波物位计采用线性的调制的高频信号，一般都是采用10GHz（X波段）或24GHz（K波段）微波信号。它是一种基于复杂数学公式的间接测量方法，由频谱计算出物位距离。天线发射出被线性调制的连续高频微波信号并进行扫描，同时接收返回信号。发射微波信号和返回的微波信号之间的频率差与到介质表面的距离成一定比例关系。
由于具有波长较短的特性，因此它具有以下优点：
具有较窄的波束宽度，可以避开障碍物
因为波长较短，在倾斜的固体表面有更好的反射
可以使用更小的天线
Sitrans LR400主要应用于量程范围较大应用中，比如：分离槽等；粉尘较大的粉状固体测量，比如：成品氧化铝料仓（如图2，3）、铝土矿原料仓、石灰石粉料仓等。
3、射频导纳物位计
电容式物位计是利用电容器的测量原理进行物位测量的仪表。射频导纳是一种从电容式发展起来的、防挂料、更可靠、更准确、适用性更广的料位控制技术，射频导纳中导纳的含义为电学中阻抗的倒数，它由电阻性成分、电容性成分、感性成分综合而成，而射频即高频无线电波谱，所以射频导纳可以理解为用高频无线电波测量导纳。
西门子公司采用射频导纳技术的物位产品主要有CLS系列物位开关和LC系列物位计。
相对于其他公司的电容和射频导纳测量技术，西门子公司的射频导纳系列物位计采用较高的发射频率，同时采用了专利的有效屏蔽(Active-Shield)技术，因此具有以下优点：
测量精度高；
可测量介电常数最低至1.5的介质；
有效防止挂料、泡沫、蒸汽、挥发性气体等影响；
可以测量各种粘稠的导电或不导电的介质。
受安装位置的影响较小
因此，在氧化铝装置中，射频导纳技术被应用很多液面泡沫相当严重的储罐的液位测量 – 雷达液位计经常由于无法穿透厚实的泡沫而导致失波，而射频导纳收的影响较小，比如：碱液槽；还有一些由于安装位置狭窄，而容易受到各种干扰影响的位置，比如：沉降槽边上的溢出槽，直径较小，而溢出水流经常会进入雷达波束内干扰雷达液位计的正常工作 －－ 而射频导纳液位计相对来说受到溢流水流的影响要小很多。
三、氧化铝工艺中的物位计选择及注意事项
目前大部分氧化铝工艺都采用拜耳法。基本的生产工艺图，如下：
图4：氧化铝生产工艺流程图
在氧化铝工艺中，物位测量主要包括固体料位测量和液位液位测量。不同工艺对于物位测量提出了不同的要求，关键是要选择最合适的物位测量技术，选择性价比最高的解决方案。
固体料位的测量要求和注意事项：
1、 测量的要求和目的。
从固体料位的测量要求和目前来讲，可以分为连续式测量和点式测量两种。
点式测量要求比较简单，即当料位高于或低于某个料位时，由料位开关输出报警信号（一般为继电器动作信号），用于保护料仓防止料仓溢出或清空。西门子公司提供的料位开关由CLS系列射频导纳式料位开关、LPS/LVS机械式（阻旋/音叉）料位开关等。
连续式测量要求仪表对料位进行连续监控，以达到存储管理的目的，提高生产效率。西门子公司提供了Sitrans LU系列、Multiranger等超声波物位计、Sitrans LR400固体型雷达等多种解决方案来满足不同的应用需求。
2、 固体物位的特性（粒度大小、粉尘等）。
一般的讲，根据不同物料的颗粒度大小不同，可以将固体简单地分为块状固体和粉状固体。
对于块状的固体，比如：石灰石（块），可以选用超声波物位计进行测量。西门子公司的超声波物位测量技术采用较高的频率、声阻匹配、阵列式系统等先进的技术，克服了固体料面的散射和少量粉尘而引起的超声波能量衰减的影响，保证了超声波物位测量系统的较高的精度、较高的性价比、可靠的使用性能、长的使用寿命。
而对于一些粉状的固体的应用，比如：铝土矿（粉）仓、成品氧化铝(粉末)库、石灰石粉仓等，一般都采用Sitrans LR400固体型雷达测量，能过达到较好的效果。Sitrans LR400采用24GHz的FMCW微波技术，可以克服严重的粉尘的影响，能够在较细的粉料表面产生较为理想的反射效果，得到最可靠的测量效果。
3、 安装位置及料仓结构。
对于像超声波、雷达这些非接触的物位测量技术而言，选择合适的安装位置是非常重要的。
一般的讲，所选择的安装位置要尽可能避开进料口、仓内的加强圈、钢梁等强干扰；尽量不要安装在仓的中央位置，以避免多次回波的干扰。因此最好选择合适的安装位置前，能够研究一下料仓的结构图，可以避免一些使用问题的出现。
对于料堆堆角(安息角)较大的物料，选择瞄准器的选项（配件），将会得到的较好的反射效果。值得一提的是，Sitrans LR400固体型雷达集成了瞄准器的配置无需另外选择。
液体液位的测量要求和注意事项：
1、量程和精度要求。
在氧化铝装置的液位测量应用中，大部分的槽、罐的高度都在10~20米以内，采用Probe LR或LR200或Probe LU即可满足应用的量程要求。但也有一些大量程的应用，比如：沉降槽的高度可能将达到35m以上，则可以选择LR400或Sitrans LU系列(最大量程可达60m)来解决大量程的应用要求。
在液位测量中，一般将精度要求分为：贸易结算级(计量级)和过程级两种。贸易结算级的精度要求为±1mm；而过程级队精度的要求并不是很高，一般只要求达到±5~15mm即可，相反过程级的液位计要求较高的可靠性和稳定性，因为过程级液位计所应用的工况条件要复杂得多。在氧化铝工艺中，对所有的液位计的精度要求均为过程级。对于一些比较重要的工艺点，一般都会选择精度较高的雷达液位计（一般精度都在0.1%以上）。
2、过程温度、环境温度。
在氧化铝工艺中的很多液位测量点都存在着过程温度和环境温度较高的现象，很多位置的过程温度甚至能够达到150~200ºC。比如：矿浆槽、稀释后槽等。一般在这些高温的应用中，不会选择超声波液位计，而是雷达液位计。采用PTFE材质的天线（杆式和喇叭口天线）可以应用在高达200 ºC温度环境中，基本上可以满足氧化铝工艺中的所 有测量的要求。
很多位置由于现场存在大量高温蒸汽，或者过程较高导致仪表的法兰温度很高，有时候会达到50~60ºC，甚至80~90ºC（如图7），比如：热水槽、矿浆槽等。在这些情况下，除了有些液位计本身由于采用一体化的结构可以耐较高的环境温度外 – Sitrans Probe LR/LU 和LR200均采用一体化结构，环境温度可达80~85ºC，一般还会采用在法兰间加隔热垫片等办法。
图8：“透过”罐顶测量液位
在极端的高温并找不到合适的安装位置的情况下 – 比如：原料磨工艺段的原料浆液位测量点。在魏桥铝业的氧化铝装置中，西门子设计了将雷达液位计安装在容器顶部以上，利用辐射热自然降温的原理，避开容器内的高温，并采用声智能的陷阱回波处理软件消除容器顶部的干扰，“透过”容器对槽内的液位进行测量，并取得非常好的效果，也为客户解决了一个难题（如图8）。
3、被测介质的介电常数和密度。
对于雷达和射频导纳物位计而言，被测介质的介电常数大小是比较重要。而由于在氧化铝工艺中，绝大部分介质的介电常数均大于3，因此基本上对雷达的选择没有很大的影响。而射频导纳液位计的测量要求液位的变化和所测电容值的变化呈线性关系，因此对于介质的介电常数要求是稳定的。所以在一些介电常数会发生较大变化的应用中，射频导纳就不适用了。
对于超声波液位计而言，被测介质的密度的大小与超声波反射能量的大小有直接的关系。因此，被测介质的密度约达，测量效果就越好。因此，存在严重的挥发性气体（烟雾）、水蒸气的工况，超声波液位计的性能会受到影响。
4、槽、罐内是否有水蒸汽、挂料以及结疤等。
虽然说水蒸气对雷达波的影响非常小，但是在通常情况下由于水蒸气的作用（如图9），会导致一些冷凝水的产生而影响液位计的正常工作。经过试验比较，采用杆式天线的雷达液位计抵御由于水蒸气产生的冷凝水的影响较小。
工艺中有很多浆料的液位测量中会经常出现挂料的现象。比如：赤泥槽。由于的浆料的介电常数一般都较大，其影响不可以忽略。采用喇叭口的天线可以较大程度的将挂料的影响减到最小，在极端的情况，可以采用带自清洗装置（水或压缩气）的喇叭天线来消除挂料的影响。
严重的结疤问题是氧化铝工艺中一直没有解决得很好的难点，尤其是在晶种槽的液位测量。这个工艺中的结疤现象非常严重，目前只能通过人工的方式来清除液位计探头上疤，对于现场工人来说，工作量较大。但是非接触式的雷达液位计比其他接触式测量方法已经有很大的改进。
5、搅拌器影响。
集成了声智能回波处理技术的Sitrans LU或LR液位计也可以有效地克服搅拌的干扰，比如：分解槽等。
6、腐蚀兼容性。
雷达液位计的天线一般可以选择PTFE和PPS等，超声波的探头材质一般有PVDF和ETFE等。在选择液位计的选项时，必须要考虑被测介质和挥发性气体与液位计探头材质的腐蚀兼容性问题。比如：硫酸罐、碱液槽等液位测量，根据不同浓度的要求，查阅相关的材料腐蚀兼容性数据，已确定采用何种材质。对于一些会产生腐蚀性挥发气体的介质，比如：发烟硫酸，为防止对不锈钢法兰和变送器表头的腐蚀和渗透，可以选择一体化垫片的选项。
7、安装位置和容器结构影响。
同样地，在选择合适的安装位置时，应尽可能地避开容器的中央位置以减少多次回波干扰；避开进料口位置和波束范围内有较强的固定干扰（比如：加强圈、人梯、横梁等）的干扰；保持比罐比一定的距离，一般为遵守10：1的原则，即离罐壁的距离不小于罐的高度（量程），而最佳的安装位置是在容器直径的1/3~1/4处；容器的安装立管高度一般不可以大于雷达液位计的屏蔽段的长度，而立管的直径一般需大于50mm，最佳直径是150mm。
8、系统接地问题。
在魏桥氧化铝装置的应用中，意外地发现某些工艺段的雷达液位计会受到周围变频器的设备的影响，从现象上来看，当某些变频器启动时，雷达液位计会产生过高的噪声而导致回波信号衰减，甚至丢失。最初，我们设计选用了一些过滤器加装在电路回路上（如图10,11），使噪声得到了抑制，恢复雷达液位计的使用。经过进一步的了解和研究发现，这种干扰是由于控制系统在安装时姐地不良造成的。在我们的建议下，客户改善了接地措施，这一问题得到了解决。我们的努力也赢得了客户的好感。
四、结束语
近两年来，在国内供应缺口不断加大及国际氧化铝价格持续上升的双重作用下，我国氧化铝行业出现了一轮投资热潮，电解铝大省山东更是独立潮头。尤其是在魏桥集团等几大民营企业的推动下，非中铝的氧化铝产能迅速扩大，打破了中铝的垄断。这不可避免地会导致全国氧化铝价格的走低，以及残酷的市场竞争。
如何有效地控制成本，提高生产效率是每一家氧化铝企业不得不面对的问题：选择最优化的、合适的、成熟的自动化系统设备及仪表解决方案，将会帮助用户实现最优的自动化控制带来极大的好处。
在氧化铝工艺中，物位仪表的应用是其中重要的环节。随着科技的发展和经验的积累，在氧化铝装置中的物位测量技术将会越来越成熟。
参考文献：
1、阎永胜. 氧化铝工艺物位仪表及选型,仪器仪表用户, 2004.No.3,文章编号:1671-1041（2004）03-0077-02,P77~78
2、王丽杰,韩红芳.几种液位计在沉降槽上的应用,自动化与仪器仪表,2005第一期,P48~49,70
3、郝仙庭,史登跃,雷达液位计在42m沉降槽上的应用,智能仪器仪表,2004第一期,P51~52
4、薛惠,超声波物位计在工程中的应用,有色冶金设计与研究,2000年6月,P15~17
5、毕诗文等,氧化铝生产工艺,化学工业出版社,2006年2月