导波雷达液位计在多晶硅生产中的应用

张淑琴　闫　永

( 中色(宁夏)东方集团有限公司，石嘴山 753000)

0　引言

多晶硅生产流程是一个典型的连续流程工业，具有高温高压、有毒易燃等恶劣生产环境特点，对测量和自动化控制要求非常严格，其控制效果的好坏直接影响其产品的质量、产量和生产效率。在工艺生产过程中，各类反应器、塔、罐都离不开液位的测量，导波雷达液位计是一种接触式仪表，受温度、压力、气体等影响非常小，具有故障报警及自诊断功能，无需进罐就可以在线安装、检修，可远程修改、监控参数，维护方便，操作简单，克服其它液位计的许多缺点，节省设备维护费用，有效保障设备和人身安全，提高液位指示的精准性，满足工艺需求。

宁夏阳光硅业有限公司选用了美国罗斯蒙特公司105台3300系列导波雷达液位计，仪控人员在调试中发现问题，通过各种途径和办法逐一解决，确保项目达产后长期、稳定、安全运行，对提升我国多晶硅产业自动控制技术的水平和产品质量起到积极的作用。

1　3300系列导波雷达液位变送器

1.1　测量原理

罗斯蒙特 3300 系列导波雷达液位变送器是一种基于时域反射测量(TDR)原理的智能型两线制连续液位变送器，测量原理如图1所示。由雷达传感器的天线发出微波，微波沿着探杆到达液面或界面后反射，其中一部分能量被反射，沿着探杆返回，返回的信号又由天线接收，由天线从发射微波到接收到微波的时间差就可以计算出微波传播的时间,传播时间和反射介质界面的距离成正比，以此来计算总液位或界面位置。

图1　导波雷达液位测量原理图

1.2　结构

罗斯蒙特3300系列的液位计是基于导波雷达技术的智能、回路供电的变送器和探杆组成。可提供的探杆种类有同轴、硬双缆、硬单缆、软双缆和软单缆五种，材质为PTFE、哈氏 、316L/316等。

1.3　特点

导波雷达液位计因为采用数字化取样以及信噪比较高的先进信号处理技术，即使在极其恶劣的工况下，也可对液体和浆状物料进行非常可靠的测量。由于导波雷达液位计所反射的微波传播不需要空气介质，因此其传播速率几乎不受温度变化的影响。另外，微波传播也几乎不受空气密度变化的影响，因此导波雷达液位计能在真空或受压状态下正常工作；对于易挥发性气体和惰性气体，导波雷达液位计的测量均没有影响。但当被测介质处于湍流状态，或有大量泡沫时，对微波信号有衰减；当被测介质的相对介电常数小到一定值时(仪表所要求的最小值)，雷达波的有效反射信号衰减过大，安装条件不满足要求都会导致液位计无法正常工作，这时候和罗斯蒙特的技术专家要多交流，确保仪表选型正确。

2　导波雷达液位计在多晶硅生产中的应用

多晶硅生产装置的氯硅烷卧式储罐、循环水储罐、精馏塔的塔釜和塔顶液位等都采用美国罗斯蒙特3300系列导波雷达液位计法兰连接安装在侧装旁路管来测量介质液位。根据容器内外压力平衡原理，容器和旁路管中的液位是一样的，测出旁路管的液位就相当于测出了容器内的液位。

由于仪控人员在选型时特别注意导波雷达液位计的法兰和探杆的长短、材质，接口尺寸，确保选择的 3300系列法兰和探杆长度与旁通管完全匹配，所以在仪表安装过程中，并没有像其他多晶硅项目里出现探杆短了需重新购买，旁路管尺寸不合适造成仪表安装倾斜，导致探杆易碰壁，测量不稳定等问题，但调试过程中也出现了一系列的问题。

2.1　刚性探杆导波雷达液位计的使用

刚性探杆导波雷达液位计主要测量精馏塔量程小于1500mm的塔顶和塔釜的液位，安装在φ50mm旁通管内，由于先安装的旁通管，后安液位计，探杆在狭窄的空间里弯曲后进入旁通管，易碰壁，通过选用在探杆的末端安装PTFE定心圆盘，保证探杆在旁通管内居中。对于探杆长度小于1000mm，建议不要采用不锈钢定心环(下部静区为200mm)，要采用PTFE定心圆盘(下部静区为100mm)。用于测量液氯和盐酸的304 PTFE涂层的刚性探杆，在安装过程中要注意不能刮破外面的PTFE涂层。经一次调试组态后，刚性探杆测量稳定准确。

2.2　同轴探杆导波雷达液位计使用

同轴探杆导波雷达液位计非常适用于测量安装位置长而小的安装喷嘴(直径小于 150mm，高度大于直径100mm)，见图2。介电常数小于 2.5的液体，价格较贵，宁夏阳光硅业只用了三台，探杆长度1100mm，旁通管为φ75mm，使用效果不错。

图2　导波雷达液位安装喷嘴示意图

2.3　挠性单引线探杆导波雷达液位计使用

宁夏阳光硅业旁通管的液位测量最大量程不超过3000mm，全部都可以选用刚性探杆，但商家技术人员在选型过程中考虑到运输等问题，对大于1800mm量程的都选用挠性单引线探杆，旁通管采用φ50mm。在2008年11月罗斯蒙特调试人员对导波雷达液位计进行第一次调试过程中，发现挠性单引线探杆(软缆)碰壁问题很难解决，建议加重锤(自身所带重锤太轻)，特意加装了高50mm，直径40mm的重锤，并请罗斯蒙特调试人员对仪表进行了第二次调试，经过一段时间观察发现加了重锤的探杆为2500mm左右的仪表依然会出现碰壁、测量不稳定的现象。通过翻阅罗斯蒙特3300系列中文参考手册和英文手册，都强调挠性探杆在静止管上装的管道直径φ≥75mm。尽管厂家的技术专家建议在挠性单引线探杆中间加特氟隆的定心环的方式来解决碰壁问题，但考虑到测量介质是氯硅烷易水解生成络合物，造成测量不稳定引起工艺不稳定，仪表维修量加大。我们提出了解决方案：一是把测量三氯氢硅介质的1800mm量程的仪表和测量水介质1800～2300mm量程的仪表采用加重锤，φ50mm的旁通管不变；二是剩余2650mm以上量程的仪表加重锤后，把φ50mm旁通管改为φ80mm的旁通管。经过三次调试组态后，在投运期间通过近一年的观察，发现很少出现探杆碰壁造成测量不准的现象。

3　仪表调试

3.1　仪表量程(静区)的确定

仪表量程取决于探杆类型和产品属性且受限于测量时的上部静区和下部静区。上部静区是上部参考点与产品表面之间的最小测量距离。在探杆末端，量程由于下部静区而缩小。下部静区也随探杆类型和产品的不同而不同(见表1)。在静区内，测量精度降低。在这些区域内，甚至根本不可能进行任何测量。因此，4～20mA调整点应设置在静区以外。

表1不同探杆类型的静区

介电常数同轴探杆刚性双引线探杆挠性双引线探杆刚性单引线探杆挠性单引线探杆上部静区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)下部静区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　基本组态参数

仪表基本组态参数如图3所示。

图3　仪表基本组态参数

1)变送器变量：仪表位号。

2)变送器单位：mm。

3)参照测量高度 ：参照测量高度是指从上部参考点至储罐底部之间的距离。变送器测量上部参考点至产品表面的距离，然后用参照测量高度减去该数值从而确定液位。

4)探杆长度：探杆长度是指上部参考点和探杆末端之间的距离。如果在探杆末端悬挂重锤，该长度不包括重锤的高度。如果探杆缩短，必须对该参数进行更改。

5)探杆类型：变送器的设计有利于优化各种探杆类型的测量。如果探杆类型更改，该参数值也应相应更改。

6)产品的介电常数：对于界面测量，为达到良好的测量精度，工艺人员提供被侧介质的介电常数。

7)阻尼：阻尼参数决定变送器对液位变化的响应速度以及测量信号抗噪音干扰的强度。默认阻尼值为10。正常情况下，不需要更改该值。如果灌充速度较高时，可更改阻尼参数。阻尼参数决定变送器对液位变化的反应速度以及测量信号的抗噪音干扰强度。在技术方面，阻尼值为10意味着变送器的输出在 10s内达到新液位值的 63%。因此，在储罐内液位变化较快时，有必要降低阻尼值使变送器能够跟踪产品表面。另一方面，在存在噪音干扰的环境下，并且在液位变化速度较低时，最好增加阻尼以得到稳定的输出信号。

8)上部无效区：只有在储罐上部测量出现问题时，才更改该参数。如果干扰物体靠近探杆，就会产生这些问题。通过设置上部无效区，量程将被缩小。

9)4和20mA设置：Lower Range Value量程下限值 (4mA) 点应设置在静区的上方。 如果4mA 点设置在静区内某点上或低于探杆末端，不能采用满量程模拟输出。应确保将Upper Range Value 量程上限值(20mA)点设置在上部无效区以下。如果将20mA 点设置在静区内某点上，不能采用满量程模拟输出。

10)液位和距离标定：在进行变送器标定时， 保持产品表面平静且储罐不处于灌充或向外倒空状态至关重要。一次完整的标定可分为两个步骤进行：一是通过调整标定漂移参数对距离测量进行标定；二是通过调整参考测量高度对液位测量进行标定。

a.距离标定：先测量上部参考点和产品表面的实际距离，然后调整标定漂移使变送器测量的距离与实际距离相符。标定漂移参数可通过HART命令 [1，4，6，4]设置。

b.液位标定：先测量产品实际液位，然后调整参考测量高度使测量产品液位与实际液位相符。

4　结束语

导波雷达液位计是目前适用范围广、测量准确、维护方便的一种液位测量仪表。随着价格的进一步降低和性价比的提高，应用将会越来越广泛，在液位测量中发挥越来越重要的作用。优化测量应从选型、安装等根源处着手，在使用中采取最佳的消除干扰措施，才能最大限度地降低仪表故障的发生率，真正体现其可靠、精度高的特点，为生产过程控制提供精准的依据。

[1]吕琴梅.导波雷达液位计在液位测量中的应用[J].上海电机学院学报，2011,14(5)

[2]摩圣勇.核电站中液位仪表的选用[J].仪器仪表用户，2009(1)：123-125

[3]邵文.导波雷达液位计在方家山核电站的应用 [J].仪器仪表用户，2011,18(3)：97-98

[4]罗斯蒙特3300系列中文参考手册 (00809-0100-4811，版本 AA 2002 年 10 月)

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