3D料位計(jì)在大料倉料位測量中的應(yīng)用

陳琳(中國石化儀征化纖股份有限公司 聚酯生產(chǎn)中心，江蘇 儀征 211900)

3D料位計(jì)在大料倉料位測量中的應(yīng)用

陳琳
(中國石化儀征化纖股份有限公司 聚酯生產(chǎn)中心，江蘇 儀征 211900)

聚酯裝置PTA料倉的料位對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量控制和生產(chǎn)平衡起著非常重要的作用。由于PTA粉料具有特殊物理特性以及料倉過大等原因，料倉料位的測量一直是聚酯裝置的難點(diǎn)。針對(duì)現(xiàn)有聚酯裝置PTA粉末料倉料位測量的局限性和歷史經(jīng)驗(yàn)，提出了利用3D料位計(jì)測量料位的方法。介紹了三維平面掃描儀(3D料位計(jì))的測量原理、應(yīng)用特點(diǎn)，詳述了調(diào)試、安裝過程中遇到的問題和解決方法以及投用后取得的效果。

聚酯裝置 料位測量 3D料位計(jì)

聚酯生產(chǎn)裝置用于PTA原料儲(chǔ)存的料倉每個(gè)高達(dá)34 m，直徑15 m，容積3600 m3。所儲(chǔ)原料PTA粉沫具有一些影響測量的物理特性，如： 粒子間相互作用力，造成自然堆積時(shí)料面產(chǎn)生不規(guī)則變化；粒子間碰撞造成大部分能量散失及質(zhì)量傳遞，若此時(shí)與料倉內(nèi)壁接觸的物料停止流動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生架橋；物料在輸送的過程中，在料倉內(nèi)形成飛濺，給測量帶來干擾。料倉太大，測量原料的特殊物理特性等諸多因素給料倉料位參數(shù)的測量帶來了很大的困擾。聚酯裝置曾使用過多種料位計(jì)，均不能完全克服以上影響。

1 幾種料位計(jì)測量概述

1.1重錘料位計(jì)

重錘料位計(jì)料位探測是由控制器發(fā)出信號(hào)來控制，當(dāng)傳感器接到探測命令時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，使鋼絲繩下放，帶動(dòng)重錘由倉頂下降，當(dāng)重錘降至料面被料面托起而失重，鋼絲繩松弛，檢測單元發(fā)出信號(hào)，控制器得到信號(hào)即發(fā)出電機(jī)反轉(zhuǎn)命令，重錘上升返回，重錘回到倉頂完成一次探測過程。此過程中控制器計(jì)算出鋼纜放出長度，得出重錘從倉頂?shù)搅厦娴木嚯x百分比。但是在使用過程中由于PTA粉沫容易埋錘而最終棄用該料位計(jì)。

1.2導(dǎo)波雷達(dá)料位計(jì)

導(dǎo)波雷達(dá)料位計(jì)以從倉頂伸入直達(dá)倉底的鋼纜作為雷達(dá)導(dǎo)波通道，微波脈沖沿鋼纜外側(cè)向下傳播，在被測物料表面被反射，回波被天線接收，由發(fā)射與回波脈沖時(shí)間差即可計(jì)算出傳播距離。由于料倉原儀表安裝孔(用于旋漿)不適合導(dǎo)波雷達(dá)的安裝，鋼繩在倉內(nèi)受卸料氣流影響，散開后會(huì)斷裂，從而棄用了導(dǎo)波雷達(dá)料位計(jì)。

1.3貼面料位計(jì)

貼面料位計(jì)以應(yīng)變片貼在料倉裙座上，測量裙座受力的應(yīng)變力來測量料倉的質(zhì)量，換算成物料質(zhì)量來估算料位。但料位計(jì)投用后發(fā)現(xiàn)了一些其他的因素給測量帶來的客觀影響，如3個(gè)倉在頂部由1個(gè)共有平臺(tái)連接，多路管線與外部連接均影響裙座應(yīng)力變化，同時(shí)受溫度、日照等因素也直接影響測量結(jié)果，最終由于檢測數(shù)據(jù)與人工敲擊測算相差太大而棄用該料位計(jì)。

從以上的經(jīng)驗(yàn)，筆者總結(jié)了大料倉料位準(zhǔn)確測量應(yīng)具備的條件： 最好不與物料直接接觸，避免類似埋錘的情況發(fā)生；須對(duì)物料物理特性不敏感(如黏度、密度、介電常數(shù)等)，減少物料物理特性帶來的誤差；空間粉塵不影響測量；須在不改變料倉現(xiàn)有總體狀況下可以安裝；不受溫度和日照的影響，或儀器帶溫度補(bǔ)償。

通過對(duì)3D料位計(jì)原理和特性的研究，基本符合以上要求。

2 3D料位計(jì)測量原理及特點(diǎn)

2.1測量原理

3D料位計(jì)采用3條天線的布陣方式，由天線內(nèi)的波束成型器發(fā)射主動(dòng)式2～7 kHz低頻聲納(低頻聲納可有效穿透粉塵，使測量過程不受內(nèi)部環(huán)境影響)，聲波經(jīng)一定時(shí)間后會(huì)到達(dá)被測料面，由料面反射的回波經(jīng)過同樣的距離和時(shí)間回到天線接收器并接收，測得聲波往返時(shí)間t和方向，利用式(1)即可計(jì)算出料位計(jì)與反射點(diǎn)的距離。

L=vt/2

(1)

式中：L——料位計(jì)與反射點(diǎn)的距離，m；v——聲速，m/s；t——往返時(shí)間，s。3D料位計(jì)根據(jù)輸入儲(chǔ)槽的各項(xiàng)尺寸參數(shù)及所測距離，通過式(2)可得出不同值所對(duì)應(yīng)的對(duì)角線長度。

{(X-X0)2+(Y-Y0)2+(Z-Z0)2}1/2=R

(2)

式中：X0，Y0，Z0——3D料位計(jì)在料倉頂部的安裝位置，m；X，Y，Z——被測點(diǎn)在料倉中的實(shí)際空間位置，m；R——被測點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的對(duì)角線長度，m。

各天線接收每一組回波訊號(hào)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間差，計(jì)算出在不同時(shí)間下Z值對(duì)應(yīng)的X，Y值時(shí)所形成的繪圖點(diǎn)，通過數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行取樣分析，準(zhǔn)確測量儲(chǔ)存物料的料位、容量和質(zhì)量，生成容器內(nèi)產(chǎn)品實(shí)際位置的三維演示圖，可在遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)畫面上顯示。

2.2料倉料位測量的主要特點(diǎn)

1) 帶溫度補(bǔ)償。聲波不同于雷達(dá)波，須通過介質(zhì)(空氣、固體或液體)傳播，其空氣中傳播速度與溫度T有關(guān)，v=331.5+0.6T(0 ℃時(shí)空氣中聲速為331.5 m/s)，為使料位測量更為精準(zhǔn)，3D料位計(jì)內(nèi)有溫度傳感器用以補(bǔ)償計(jì)算，使得測量結(jié)果更加精準(zhǔn)。

2) 測量天線獨(dú)立。3D料位計(jì)使用的智能天線系統(tǒng)3支天線共同工作，但又相互獨(dú)立，這樣可以保證在任何1組收發(fā)天線損壞時(shí)都不會(huì)影響整臺(tái)儀器的基本工作特性，提升了料位計(jì)的可靠度及耐久度。

3) 高穿透性克服粉塵及濕度的干擾。PTA料倉粉料輸送一般是通過氣體輸送，在輸送的過程中料倉內(nèi)經(jīng)常會(huì)粉塵彌漫。在粉塵彌漫的環(huán)境下，若使用高頻率段的能量波進(jìn)行測量，測量信號(hào)強(qiáng)度的衰減程度會(huì)隨能量波頻率上升而上升，因而高頻段能量波(雷達(dá)波、超音波等)無法有效穿透粉塵，進(jìn)而影響發(fā)射及接收信號(hào)和測量結(jié)果。在粉塵高濕度的情況下，倉內(nèi)彌漫的粉塵又會(huì)黏著于天線內(nèi)部，造成保養(yǎng)及維修上的不便及測量的失準(zhǔn)。3D料位計(jì)采用低頻聲納發(fā)射波段，可有效地穿透粉塵，克服粉塵給測量帶來的誤差。同時(shí)，在料位計(jì)天線內(nèi)部表面添加聚亞硫胺薄膜使粉塵不易黏著。儀器運(yùn)行時(shí)利用聲納發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的震蕩波，快速清除附著于天線內(nèi)部的粉塵。因此，即使經(jīng)過長時(shí)間粉塵環(huán)境工作，天線外部粘滿粉塵，信號(hào)也不受影響，維持穩(wěn)定測量。

4) 直觀的3D料位圖像。3D料位計(jì)可提供直觀的三維立體圖像，包括料面及整體料倉的三維圖。通過3D料位圖像，可直觀地查看料倉料位面堆積情況以及PTA粉料在整個(gè)料倉所處的位置，給PTA粉料堆積特性的經(jīng)驗(yàn)積累帶來便利。

5) 測量結(jié)果數(shù)據(jù)齊全、直觀。3D料位計(jì)測量結(jié)果除了能提供料位值外，還可提供料位百分比、質(zhì)量、溫度、信號(hào)信噪比、4～20 mA電信號(hào)等數(shù)據(jù)，同時(shí)具有這些數(shù)據(jù)的歷史趨勢記錄功能，為查看生產(chǎn)歷史用料及判斷影響測量結(jié)果的因素提供了依據(jù)。

3 安裝和調(diào)試

料位計(jì)的安裝和調(diào)試過程包括： 儀器裝配地點(diǎn)附近須有24 V直流電源；鋪設(shè)用于儀器與控制室直接通信的HRAT和RS-485電纜；安裝掃描儀，掃描儀的安裝位置應(yīng)在距容器中心至少0.5 m～0.5r(r為容器半徑)處，掃描儀天線0°應(yīng)指向容器中心；電纜連接；掃描儀參數(shù)設(shè)置；利用料倉空倉進(jìn)料機(jī)會(huì)，對(duì)料位計(jì)測量料位進(jìn)行校準(zhǔn)比對(duì)；料位計(jì)試運(yùn)行。

4 料位計(jì)試運(yùn)行后存在的問題及解決辦法

3D料位計(jì)試運(yùn)行一段時(shí)間后，根據(jù)試運(yùn)行期間積累的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)存在幾個(gè)主要問題。

4.1料位驟增驟減

第1臺(tái)料位計(jì)安裝一段時(shí)間后，料位出現(xiàn)驟增驟減的情況，持續(xù)大約4天后料位值恢復(fù)正常。

4.1.1原因分析

料位計(jì)安裝位置不佳(建議安裝位置： 料倉頂至圓心方向距圓心0.5r(3.35 m)處；實(shí)際安裝位置： 距圓心5.5 m處)，導(dǎo)致信號(hào)范圍無法完全覆蓋整個(gè)料倉，進(jìn)而無法同時(shí)觀察整個(gè)進(jìn)料過程。如圖1所示，料倉料位應(yīng)該為A，B，C三點(diǎn)的平均值，但由于信號(hào)覆蓋不完整，實(shí)際測量為A，B兩點(diǎn)的平均值。當(dāng)C點(diǎn)與其他兩點(diǎn)偏差不大時(shí)，對(duì)測量結(jié)果影響不大，但當(dāng)C點(diǎn)與其他兩點(diǎn)差別大時(shí)(如在C點(diǎn)上方形成架橋或堆積時(shí))，如圖1b)所示，會(huì)出現(xiàn)測量料位與實(shí)際料位不符的情況。若此時(shí)料倉下方同時(shí)在出料，就會(huì)出現(xiàn)雖然進(jìn)出料平衡，但料位顯示卻持續(xù)下降的現(xiàn)象，直至架橋部分崩塌，如圖1c)所示，C點(diǎn)PTA粉料重新回到信號(hào)覆蓋區(qū)，測量值出現(xiàn)驟增。

圖1 料位計(jì)料位測量示意

4.1.2校正動(dòng)作

1) 關(guān)閉由于安裝位置不佳而開啟的外插法。原因是當(dāng)開啟外插法后，當(dāng)檢測到的點(diǎn)數(shù)頻繁波動(dòng)時(shí)，計(jì)算庫存量變化會(huì)更加頻繁，關(guān)閉外插法會(huì)穩(wěn)定料位測量。

2) 開啟脈沖壓縮功能。原因是信號(hào)范圍不足，儀表無法觀察到非覆蓋區(qū)的進(jìn)料過程，導(dǎo)致儀表在信號(hào)不足的情況下，將非覆蓋區(qū)的進(jìn)料過程信號(hào)判斷為干擾信號(hào)，信噪比強(qiáng)度會(huì)加強(qiáng)。開啟脈沖壓縮功能，會(huì)提高檢測點(diǎn)的分辨率，將原來錯(cuò)誤的繪圖點(diǎn)消除。

4.1.3改進(jìn)措施

由于是第1臺(tái)3D料位計(jì)，安裝位置取用了原先雷達(dá)導(dǎo)波管料位計(jì)移走后的位置，沒有在最佳位置處打孔安裝，這是料位測量帶來誤差的主要原因。為避免此類問題，在安裝第2臺(tái)、第3臺(tái)3D料位計(jì)時(shí)，將料位計(jì)安裝在有效范圍內(nèi)，以確保料位計(jì)測量信號(hào)有效覆蓋，均沒有出現(xiàn)料位驟增驟減的情況。

4.2進(jìn)料點(diǎn)與物料堆積位置存在偏差

料位計(jì)安裝后查看3D圖，發(fā)現(xiàn)料倉有2個(gè)進(jìn)料點(diǎn)并未進(jìn)料，但料倉主要堆料區(qū)卻出現(xiàn)在2個(gè)進(jìn)料點(diǎn)下方。緣由是聚酯PTA料倉的進(jìn)料點(diǎn)有多處，在初始設(shè)置時(shí)系統(tǒng)中僅設(shè)置了2處，后自行添加其余幾個(gè)進(jìn)料點(diǎn)造成。

4.2.1原因分析

由于安裝位置不佳，后自行添加的幾個(gè)進(jìn)料點(diǎn)不在料位計(jì)信號(hào)有效覆蓋范圍內(nèi)，此時(shí)會(huì)使儀器將這些有效信號(hào)判斷為干擾信號(hào)，產(chǎn)生誤判斷。另外，3D圖中的料位堆積圖形并非進(jìn)料產(chǎn)生，而是料位堆積或架橋的結(jié)果。由于料位堆積面的形狀和很多因素有關(guān)，如進(jìn)出料、架橋等，不能簡單地從高料位點(diǎn)判斷就是進(jìn)料點(diǎn)。

4.2.2改進(jìn)措施

系統(tǒng)中輸入的信息不是越多越好，在料位計(jì)信號(hào)有效范圍內(nèi)的信息對(duì)料位計(jì)的數(shù)據(jù)采集會(huì)有幫助，除此之外的信息添加進(jìn)系統(tǒng)會(huì)對(duì)料位計(jì)的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生干擾。

4.2.3校正效果

刪除幾個(gè)新增點(diǎn)后，運(yùn)行一段時(shí)間后觀察，料位計(jì)測量結(jié)果無大的偏差。

5 運(yùn)行效果

聚酯裝置3臺(tái)3D料位計(jì)經(jīng)過一年多的試運(yùn)行，在此期間對(duì)每臺(tái)3D料位計(jì)的安裝位置及設(shè)置參數(shù)不斷完善，測量結(jié)果可滿足生產(chǎn)的需求。表1所列為其中1臺(tái)3D料位計(jì)試運(yùn)行階段測量值與敲擊盤點(diǎn)值之間的比較，包括同一料倉貼面料位計(jì)與敲擊盤點(diǎn)值之間的比較(敲擊盤點(diǎn)值是維護(hù)人員通過敲擊料倉得到的料位面判斷料位高度，利用料位高度和PTA密度估算出PTA粉料庫存質(zhì)量，由于料面的不平整性加上敲擊點(diǎn)只有一個(gè)，因而敲擊盤點(diǎn)值本身存在一定的偏差，但與實(shí)際料位比較接近)。

表1 聚脂裝置測量值與盤點(diǎn)值比對(duì) t

從表1可以看出，3D料位計(jì)測量值與敲擊盤點(diǎn)值的偏差遠(yuǎn)小于貼面料位計(jì)與敲擊盤點(diǎn)值的偏差，測量結(jié)果較為準(zhǔn)確。

6 結(jié)束語

3D料位計(jì)測量結(jié)果不受測量材料類型、存儲(chǔ)容器的種類以及存儲(chǔ)環(huán)境的影響。3D料位計(jì)利用3支獨(dú)立的天線內(nèi)波束成型器，發(fā)射主動(dòng)式射頻導(dǎo)納，根據(jù)波束到達(dá)料面往返時(shí)間計(jì)算料面高度。它克服了PTA粉料和料倉因特殊物理特性帶來的測量難點(diǎn)，為聚酯裝置PTA料位測量提供了新的選擇。另外，其特有的三維圖像功能，能直觀地對(duì)料倉內(nèi)部粉料狀況進(jìn)行查看，在聚酯行業(yè)的粉料出倉料位測量上，具有較好的推廣前景。

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Applicationof3DLevelMeterinBigSiloLevelMeasurement

Chen Lin

(Polyester Production Center, Sinopec Yizheng Chemical Fiber Co. Ltd., Yizheng 211900, China)

The material level of PTA bin plays a very important role in PET plant for the quality and balance control of the products. Due to the fact that PTA powder has special physical characteristics and the bin is too large, measuring the level of PTA bin is always being difficult. In view of existing limitation and historical experience of measurement of PTA bin level in PET plant, a new method of measuring the material level by 3D level meter is proposed. The measuring principle and application features of 3D level scanner (3D level meter) are introduced. Solutions to the problems met in the process of debugging and installation, and the effect after it is put into use are discussed in detail.

PET plant; material level measurement; 3D level meter

稿件收到日期：2013-04-09，修改稿收到日期2013-06-23。

陳琳(1986—)，女，2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)，從事儀表技術(shù)相關(guān)工作，任助理工程師。

TH816

B

1007-7324(2013)05-0064-04