張淑琴　閆　永

( 中色(寧夏)東方集團(tuán)有限公司，石嘴山 753000)

0　引言

多晶硅生產(chǎn)流程是一個(gè)典型的連續(xù)流程工業(yè)，具有高溫高壓、有毒易燃等惡劣生產(chǎn)環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)測(cè)量和自動(dòng)化控制要求非常嚴(yán)格，其控制效果的好壞直接影響其產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。在工藝生產(chǎn)過程中，各類反應(yīng)器、塔、罐都離不開液位的測(cè)量，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)是一種接觸式儀表，受溫度、壓力、氣體等影響非常小，具有故障報(bào)警及自診斷功能，無需進(jìn)罐就可以在線安裝、檢修，可遠(yuǎn)程修改、監(jiān)控參數(shù)，維護(hù)方便，操作簡(jiǎn)單，克服其它液位計(jì)的許多缺點(diǎn)，節(jié)省設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，有效保障設(shè)備和人身安全，提高液位指示的精準(zhǔn)性，滿足工藝需求。

寧夏陽光硅業(yè)有限公司選用了美國(guó)羅斯蒙特公司105臺(tái)3300系列導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，儀控人員在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問題，通過各種途徑和辦法逐一解決，確保項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全運(yùn)行，對(duì)提升我國(guó)多晶硅產(chǎn)業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)的水平和產(chǎn)品質(zhì)量起到積極的作用。

1　3300系列導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器

1.1　測(cè)量原理

羅斯蒙特 3300 系列導(dǎo)波雷達(dá)液位變送器是一種基于時(shí)域反射測(cè)量(TDR)原理的智能型兩線制連續(xù)液位變送器，測(cè)量原理如圖1所示。由雷達(dá)傳感器的天線發(fā)出微波，微波沿著探桿到達(dá)液面或界面后反射，其中一部分能量被反射，沿著探桿返回，返回的信號(hào)又由天線接收，由天線從發(fā)射微波到接收到微波的時(shí)間差就可以計(jì)算出微波傳播的時(shí)間,傳播時(shí)間和反射介質(zhì)界面的距離成正比，以此來計(jì)算總液位或界面位置。

圖1　導(dǎo)波雷達(dá)液位測(cè)量原理圖

1.2　結(jié)構(gòu)

羅斯蒙特3300系列的液位計(jì)是基于導(dǎo)波雷達(dá)技術(shù)的智能、回路供電的變送器和探桿組成。可提供的探桿種類有同軸、硬雙纜、硬單纜、軟雙纜和軟單纜五種，材質(zhì)為PTFE、哈氏 、316L/316等。

1.3　特點(diǎn)

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)因?yàn)椴捎脭?shù)字化取樣以及信噪比較高的先進(jìn)信號(hào)處理技術(shù)，即使在極其惡劣的工況下，也可對(duì)液體和漿狀物料進(jìn)行非?？煽康臏y(cè)量。由于導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)所反射的微波傳播不需要空氣介質(zhì)，因此其傳播速率幾乎不受溫度變化的影響。另外，微波傳播也幾乎不受空氣密度變化的影響，因此導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)能在真空或受壓狀態(tài)下正常工作；對(duì)于易揮發(fā)性氣體和惰性氣體，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量均沒有影響。但當(dāng)被測(cè)介質(zhì)處于湍流狀態(tài)，或有大量泡沫時(shí)，對(duì)微波信號(hào)有衰減；當(dāng)被測(cè)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)小到一定值時(shí)(儀表所要求的最小值)，雷達(dá)波的有效反射信號(hào)衰減過大，安裝條件不滿足要求都會(huì)導(dǎo)致液位計(jì)無法正常工作，這時(shí)候和羅斯蒙特的技術(shù)專家要多交流，確保儀表選型正確。

2　導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在多晶硅生產(chǎn)中的應(yīng)用

多晶硅生產(chǎn)裝置的氯硅烷臥式儲(chǔ)罐、循環(huán)水儲(chǔ)罐、精餾塔的塔釜和塔頂液位等都采用美國(guó)羅斯蒙特3300系列導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)法蘭連接安裝在側(cè)裝旁路管來測(cè)量介質(zhì)液位。根據(jù)容器內(nèi)外壓力平衡原理，容器和旁路管中的液位是一樣的，測(cè)出旁路管的液位就相當(dāng)于測(cè)出了容器內(nèi)的液位。

由于儀控人員在選型時(shí)特別注意導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的法蘭和探桿的長(zhǎng)短、材質(zhì)，接口尺寸，確保選擇的 3300系列法蘭和探桿長(zhǎng)度與旁通管完全匹配，所以在儀表安裝過程中，并沒有像其他多晶硅項(xiàng)目里出現(xiàn)探桿短了需重新購買，旁路管尺寸不合適造成儀表安裝傾斜，導(dǎo)致探桿易碰壁，測(cè)量不穩(wěn)定等問題，但調(diào)試過程中也出現(xiàn)了一系列的問題。

2.1　剛性探桿導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的使用

剛性探桿導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)主要測(cè)量精餾塔量程小于1500mm的塔頂和塔釜的液位，安裝在φ50mm旁通管內(nèi)，由于先安裝的旁通管，后安液位計(jì)，探桿在狹窄的空間里彎曲后進(jìn)入旁通管，易碰壁，通過選用在探桿的末端安裝PTFE定心圓盤，保證探桿在旁通管內(nèi)居中。對(duì)于探桿長(zhǎng)度小于1000mm，建議不要采用不銹鋼定心環(huán)(下部靜區(qū)為200mm)，要采用PTFE定心圓盤(下部靜區(qū)為100mm)。用于測(cè)量液氯和鹽酸的304 PTFE涂層的剛性探桿，在安裝過程中要注意不能刮破外面的PTFE涂層。經(jīng)一次調(diào)試組態(tài)后，剛性探桿測(cè)量穩(wěn)定準(zhǔn)確。

2.2　同軸探桿導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)使用

同軸探桿導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)非常適用于測(cè)量安裝位置長(zhǎng)而小的安裝噴嘴(直徑小于 150mm，高度大于直徑100mm)，見圖2。介電常數(shù)小于 2.5的液體，價(jià)格較貴，寧夏陽光硅業(yè)只用了三臺(tái)，探桿長(zhǎng)度1100mm，旁通管為φ75mm，使用效果不錯(cuò)。

圖2　導(dǎo)波雷達(dá)液位安裝噴嘴示意圖

2.3　撓性單引線探桿導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)使用

寧夏陽光硅業(yè)旁通管的液位測(cè)量最大量程不超過3000mm，全部都可以選用剛性探桿，但商家技術(shù)人員在選型過程中考慮到運(yùn)輸?shù)葐栴}，對(duì)大于1800mm量程的都選用撓性單引線探桿，旁通管采用φ50mm。在2008年11月羅斯蒙特調(diào)試人員對(duì)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行第一次調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)撓性單引線探桿(軟纜)碰壁問題很難解決，建議加重錘(自身所帶重錘太輕)，特意加裝了高50mm，直徑40mm的重錘，并請(qǐng)羅斯蒙特調(diào)試人員對(duì)儀表進(jìn)行了第二次調(diào)試，經(jīng)過一段時(shí)間觀察發(fā)現(xiàn)加了重錘的探桿為2500mm左右的儀表依然會(huì)出現(xiàn)碰壁、測(cè)量不穩(wěn)定的現(xiàn)象。通過翻閱羅斯蒙特3300系列中文參考手冊(cè)和英文手冊(cè)，都強(qiáng)調(diào)撓性探桿在靜止管上裝的管道直徑φ≥75mm。盡管廠家的技術(shù)專家建議在撓性單引線探桿中間加特氟隆的定心環(huán)的方式來解決碰壁問題，但考慮到測(cè)量介質(zhì)是氯硅烷易水解生成絡(luò)合物，造成測(cè)量不穩(wěn)定引起工藝不穩(wěn)定，儀表維修量加大。我們提出了解決方案：一是把測(cè)量三氯氫硅介質(zhì)的1800mm量程的儀表和測(cè)量水介質(zhì)1800～2300mm量程的儀表采用加重錘，φ50mm的旁通管不變；二是剩余2650mm以上量程的儀表加重錘后，把φ50mm旁通管改為φ80mm的旁通管。經(jīng)過三次調(diào)試組態(tài)后，在投運(yùn)期間通過近一年的觀察，發(fā)現(xiàn)很少出現(xiàn)探桿碰壁造成測(cè)量不準(zhǔn)的現(xiàn)象。

3　儀表調(diào)試

3.1　儀表量程(靜區(qū))的確定

儀表量程取決于探桿類型和產(chǎn)品屬性且受限于測(cè)量時(shí)的上部靜區(qū)和下部靜區(qū)。上部靜區(qū)是上部參考點(diǎn)與產(chǎn)品表面之間的最小測(cè)量距離。在探桿末端，量程由于下部靜區(qū)而縮小。下部靜區(qū)也隨探桿類型和產(chǎn)品的不同而不同(見表1)。在靜區(qū)內(nèi)，測(cè)量精度降低。在這些區(qū)域內(nèi)，甚至根本不可能進(jìn)行任何測(cè)量。因此，4～20mA調(diào)整點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在靜區(qū)以外。

表1不同探桿類型的靜區(qū)

介電常數(shù)同軸探桿剛性雙引線探桿撓性雙引線探桿剛性單引線探桿撓性單引線探桿上部靜區(qū)23　9″(10cm)7　9″(20cm)15　7″(40cm)13　8″(35cm)19　7″(50cm)803　9″(10cm)7　9″(20cm)11　8″(30cm)7　9″(20cm)11　8″(30cm)下部靜區(qū)22″(5cm)2　8″7cm)5　9″(15cm)3　9″(10cm)4　7″(12cm)801　2″(3cm)2″(5cm)2″(5cm)2″(5cm)2″(5cm)

3.2　基本組態(tài)參數(shù)

儀表基本組態(tài)參數(shù)如圖3所示。

圖3　儀表基本組態(tài)參數(shù)

1)變送器變量：儀表位號(hào)。

2)變送器單位：mm。

3)參照測(cè)量高度 ：參照測(cè)量高度是指從上部參考點(diǎn)至儲(chǔ)罐底部之間的距離。變送器測(cè)量上部參考點(diǎn)至產(chǎn)品表面的距離，然后用參照測(cè)量高度減去該數(shù)值從而確定液位。

4)探桿長(zhǎng)度：探桿長(zhǎng)度是指上部參考點(diǎn)和探桿末端之間的距離。如果在探桿末端懸掛重錘，該長(zhǎng)度不包括重錘的高度。如果探桿縮短，必須對(duì)該參數(shù)進(jìn)行更改。

5)探桿類型：變送器的設(shè)計(jì)有利于優(yōu)化各種探桿類型的測(cè)量。如果探桿類型更改，該參數(shù)值也應(yīng)相應(yīng)更改。

6)產(chǎn)品的介電常數(shù)：對(duì)于界面測(cè)量，為達(dá)到良好的測(cè)量精度，工藝人員提供被側(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)。

7)阻尼：阻尼參數(shù)決定變送器對(duì)液位變化的響應(yīng)速度以及測(cè)量信號(hào)抗噪音干擾的強(qiáng)度。默認(rèn)阻尼值為10。正常情況下，不需要更改該值。如果灌充速度較高時(shí)，可更改阻尼參數(shù)。阻尼參數(shù)決定變送器對(duì)液位變化的反應(yīng)速度以及測(cè)量信號(hào)的抗噪音干擾強(qiáng)度。在技術(shù)方面，阻尼值為10意味著變送器的輸出在 10s內(nèi)達(dá)到新液位值的 63%。因此，在儲(chǔ)罐內(nèi)液位變化較快時(shí)，有必要降低阻尼值使變送器能夠跟蹤產(chǎn)品表面。另一方面，在存在噪音干擾的環(huán)境下，并且在液位變化速度較低時(shí)，最好增加阻尼以得到穩(wěn)定的輸出信號(hào)。

8)上部無效區(qū)：只有在儲(chǔ)罐上部測(cè)量出現(xiàn)問題時(shí)，才更改該參數(shù)。如果干擾物體靠近探桿，就會(huì)產(chǎn)生這些問題。通過設(shè)置上部無效區(qū)，量程將被縮小。

9)4和20mA設(shè)置：Lower Range Value量程下限值 (4mA) 點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在靜區(qū)的上方。 如果4mA 點(diǎn)設(shè)置在靜區(qū)內(nèi)某點(diǎn)上或低于探桿末端，不能采用滿量程模擬輸出。應(yīng)確保將Upper Range Value 量程上限值(20mA)點(diǎn)設(shè)置在上部無效區(qū)以下。如果將20mA 點(diǎn)設(shè)置在靜區(qū)內(nèi)某點(diǎn)上，不能采用滿量程模擬輸出。

10)液位和距離標(biāo)定：在進(jìn)行變送器標(biāo)定時(shí)， 保持產(chǎn)品表面平靜且儲(chǔ)罐不處于灌充或向外倒空狀態(tài)至關(guān)重要。一次完整的標(biāo)定可分為兩個(gè)步驟進(jìn)行：一是通過調(diào)整標(biāo)定漂移參數(shù)對(duì)距離測(cè)量進(jìn)行標(biāo)定；二是通過調(diào)整參考測(cè)量高度對(duì)液位測(cè)量進(jìn)行標(biāo)定。

a.距離標(biāo)定：先測(cè)量上部參考點(diǎn)和產(chǎn)品表面的實(shí)際距離，然后調(diào)整標(biāo)定漂移使變送器測(cè)量的距離與實(shí)際距離相符。標(biāo)定漂移參數(shù)可通過HART命令 [1，4，6，4]設(shè)置。

b.液位標(biāo)定：先測(cè)量產(chǎn)品實(shí)際液位，然后調(diào)整參考測(cè)量高度使測(cè)量產(chǎn)品液位與實(shí)際液位相符。

4　結(jié)束語

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)是目前適用范圍廣、測(cè)量準(zhǔn)確、維護(hù)方便的一種液位測(cè)量?jī)x表。隨著價(jià)格的進(jìn)一步降低和性價(jià)比的提高，應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，在液位測(cè)量中發(fā)揮越來越重要的作用。優(yōu)化測(cè)量應(yīng)從選型、安裝等根源處著手，在使用中采取最佳的消除干擾措施，才能最大限度地降低儀表故障的發(fā)生率，真正體現(xiàn)其可靠、精度高的特點(diǎn)，為生產(chǎn)過程控制提供精準(zhǔn)的依據(jù)。

[1]呂琴梅.導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在液位測(cè)量中的應(yīng)用[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011,14(5)

[2]摩圣勇.核電站中液位儀表的選用[J].儀器儀表用戶，2009(1)：123-125

[3]邵文.導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在方家山核電站的應(yīng)用 [J].儀器儀表用戶，2011,18(3)：97-98

[4]羅斯蒙特3300系列中文參考手冊(cè) (00809-0100-4811，版本 AA 2002 年 10 月)

[5]Rosemount 3300 Series Reference( Manual 00809-0100-4811，Rev CA February 2006)