張淑琴　閆　永

( 中色(寧夏)東方集團有限公司，石嘴山 753000)

0　引言

多晶硅生產流程是一個典型的連續(xù)流程工業(yè)，具有高溫高壓、有毒易燃等惡劣生產環(huán)境特點，對測量和自動化控制要求非常嚴格，其控制效果的好壞直接影響其產品的質量、產量和生產效率。在工藝生產過程中，各類反應器、塔、罐都離不開液位的測量，導波雷達液位計是一種接觸式儀表，受溫度、壓力、氣體等影響非常小，具有故障報警及自診斷功能，無需進罐就可以在線安裝、檢修，可遠程修改、監(jiān)控參數(shù)，維護方便，操作簡單，克服其它液位計的許多缺點，節(jié)省設備維護費用，有效保障設備和人身安全，提高液位指示的精準性，滿足工藝需求。

寧夏陽光硅業(yè)有限公司選用了美國羅斯蒙特公司105臺3300系列導波雷達液位計，儀控人員在調試中發(fā)現(xiàn)問題，通過各種途徑和辦法逐一解決，確保項目達產后長期、穩(wěn)定、安全運行，對提升我國多晶硅產業(yè)自動控制技術的水平和產品質量起到積極的作用。

1　3300系列導波雷達液位變送器

1.1　測量原理

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

圖1　導波雷達液位測量原理圖

1.2　結構

羅斯蒙特3300系列的液位計是基于導波雷達技術的智能、回路供電的變送器和探桿組成?？商峁┑奶綏U種類有同軸、硬雙纜、硬單纜、軟雙纜和軟單纜五種，材質為PTFE、哈氏 、316L/316等。

1.3　特點

導波雷達液位計因為采用數(shù)字化取樣以及信噪比較高的先進信號處理技術，即使在極其惡劣的工況下，也可對液體和漿狀物料進行非?？煽康臏y量。由于導波雷達液位計所反射的微波傳播不需要空氣介質，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，因此導波雷達液位計能在真空或受壓狀態(tài)下正常工作；對于易揮發(fā)性氣體和惰性氣體，導波雷達液位計的測量均沒有影響。但當被測介質處于湍流狀態(tài)，或有大量泡沫時，對微波信號有衰減；當被測介質的相對介電常數(shù)小到一定值時(儀表所要求的最小值)，雷達波的有效反射信號衰減過大，安裝條件不滿足要求都會導致液位計無法正常工作，這時候和羅斯蒙特的技術專家要多交流，確保儀表選型正確。

2　導波雷達液位計在多晶硅生產中的應用

多晶硅生產裝置的氯硅烷臥式儲罐、循環(huán)水儲罐、精餾塔的塔釜和塔頂液位等都采用美國羅斯蒙特3300系列導波雷達液位計法蘭連接安裝在側裝旁路管來測量介質液位。根據(jù)容器內外壓力平衡原理，容器和旁路管中的液位是一樣的，測出旁路管的液位就相當于測出了容器內的液位。

由于儀控人員在選型時特別注意導波雷達液位計的法蘭和探桿的長短、材質，接口尺寸，確保選擇的 3300系列法蘭和探桿長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，導致探桿易碰壁，測量不穩(wěn)定等問題，但調試過程中也出現(xiàn)了一系列的問題。

2.1　剛性探桿導波雷達液位計的使用

剛性探桿導波雷達液位計主要測量精餾塔量程小于1500mm的塔頂和塔釜的液位，安裝在φ50mm旁通管內，由于先安裝的旁通管，后安液位計，探桿在狹窄的空間里彎曲后進入旁通管，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居中。對于探桿長度小于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。經一次調試組態(tài)后，剛性探桿測量穩(wěn)定準確。

2.2　同軸探桿導波雷達液位計使用

同軸探桿導波雷達液位計非常適用于測量安裝位置長而小的安裝噴嘴(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，價格較貴，寧夏陽光硅業(yè)只用了三臺，探桿長度1100mm，旁通管為φ75mm，使用效果不錯。

圖2　導波雷達液位安裝噴嘴示意圖

2.3　撓性單引線探桿導波雷達液位計使用

寧夏陽光硅業(yè)旁通管的液位測量最大量程不超過3000mm，全部都可以選用剛性探桿，但商家技術人員在選型過程中考慮到運輸?shù)葐栴}，對大于1800mm量程的都選用撓性單引線探桿，旁通管采用φ50mm。在2008年11月羅斯蒙特調試人員對導波雷達液位計進行第一次調試過程中，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，并請羅斯蒙特調試人員對儀表進行了第二次調試，經過一段時間觀察發(fā)現(xiàn)加了重錘的探桿為2500mm左右的儀表依然會出現(xiàn)碰壁、測量不穩(wěn)定的現(xiàn)象。通過翻閱羅斯蒙特3300系列中文參考手冊和英文手冊，都強調撓性探桿在靜止管上裝的管道直徑φ≥75mm。盡管廠家的技術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，但考慮到測量介質是氯硅烷易水解生成絡合物，造成測量不穩(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：一是把測量三氯氫硅介質的1800mm量程的儀表和測量水介質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。經過三次調試組態(tài)后，在投運期間通過近一年的觀察，發(fā)現(xiàn)很少出現(xiàn)探桿碰壁造成測量不準的現(xiàn)象。

3　儀表調試

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品屬性且受限于測量時的上部靜區(qū)和下部靜區(qū)。上部靜區(qū)是上部參考點與產品表面之間的最小測量距離。在探桿末端，量程由于下部靜區(qū)而縮小。下部靜區(qū)也隨探桿類型和產品的不同而不同(見表1)。在靜區(qū)內，測量精度降低。在這些區(qū)域內，甚至根本不可能進行任何測量。因此，4～20mA調整點應設置在靜區(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。

2)變送器單位：mm。

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

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

5)探桿類型：變送器的設計有利于優(yōu)化各種探桿類型的測量。如果探桿類型更改，該參數(shù)值也應相應更改。

6)產品的介電常數(shù)：對于界面測量，為達到良好的測量精度，工藝人員提供被側介質的介電常數(shù)。

7)阻尼：阻尼參數(shù)決定變送器對液位變化的響應速度以及測量信號抗噪音干擾的強度。默認阻尼值為10。正常情況下，不需要更改該值。如果灌充速度較高時，可更改阻尼參數(shù)。阻尼參數(shù)決定變送器對液位變化的反應速度以及測量信號的抗噪音干擾強度。在技術方面，阻尼值為10意味著變送器的輸出在 10s內達到新液位值的 63%。因此，在儲罐內液位變化較快時，有必要降低阻尼值使變送器能夠跟蹤產品表面。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，最好增加阻尼以得到穩(wěn)定的輸出信號。

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

9)4和20mA設置：Lower Range Value量程下限值 (4mA) 點應設置在靜區(qū)的上方。 如果4mA 點設置在靜區(qū)內某點上或低于探桿末端，不能采用滿量程模擬輸出。應確保將Upper Range Value 量程上限值(20mA)點設置在上部無效區(qū)以下。如果將20mA 點設置在靜區(qū)內某點上，不能采用滿量程模擬輸出。

10)液位和距離標定：在進行變送器標定時， 保持產品表面平靜且儲罐不處于灌充或向外倒空狀態(tài)至關重要。一次完整的標定可分為兩個步驟進行：一是通過調整標定漂移參數(shù)對距離測量進行標定；二是通過調整參考測量高度對液位測量進行標定。

a.距離標定：先測量上部參考點和產品表面的實際距離，然后調整標定漂移使變送器測量的距離與實際距離相符。標定漂移參數(shù)可通過HART命令 [1，4，6，4]設置。

b.液位標定：先測量產品實際液位，然后調整參考測量高度使測量產品液位與實際液位相符。

4　結束語

導波雷達液位計是目前適用范圍廣、測量準確、維護方便的一種液位測量儀表。隨著價格的進一步降低和性價比的提高，應用將會越來越廣泛，在液位測量中發(fā)揮越來越重要的作用。優(yōu)化測量應從選型、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，為生產過程控制提供精準的依據(jù)。

[1]呂琴梅.導波雷達液位計在液位測量中的應用[J].上海電機學院學報，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.導波雷達液位計在方家山核電站的應用 [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 (00809-0100-4811，版本 AA 2002 年 10 月)

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