西門子物位計在海拔3990米料倉上的應用

分類：解決方案日期：2010-07-16 13:48:26

四川省甘孜地區白玉縣呷村銀多金屬礦位于四川省甘孜州白玉縣昌臺區麻邛鄉境內，目前已探明的礦石儲量為781萬噸，其中含銀1867.53噸、銅8.09萬噸、鉛40.09萬噸、鋅65.19萬噸、金5.198噸。資源潛在價值達二百多億元人民幣，礦山遠景儲量亦十分可觀，被譽為全國多金屬礦“三大明珠”之一。該礦由西部礦業公司、中國華北冶金建設公司、甘孜州玉發礦業有限公司、四川省峨眉山403建設工程公司等6家股東組成的鑫源公司進行開發。并于2006年8月份正式竣工投產（如圖1）。

該礦的竣工投產，標志著西部礦業向外省邁出可喜步伐，對于加快民族地區經濟發展、提供就業機會、發展相關產業等將起到積極的推動作用。

一、挑戰

由于呷村銀多金屬礦所處的位置海拔較高，基建總包方中國華冶集團公司一直都很擔心各種儀表是否能過克服海拔高度的影響而正常工作。這其中用于測量各種礦物料倉的物位儀表對整個系統來說比較重要 – 既需要通過穩定準確的物位測量來對料倉的高度進行控制，提高生產效率；也需要通過料位測量實現資產管理的目的。

中國華冶以前使用過西門子各種物位計，對西門子物位計的性能比較熟悉，也比較放心。因此，中國華冶再次找到西門子公司尋求物位解決方案。經過和技術人員的確認，得知西門子雷達物位計曾在西藏海拔3950m的水泥廠使用了多年，工作一直正常；但對于超聲波物位計能否正常使用在海拔這么高的位置，一直不能肯定：畢竟高海拔的位置空氣相對稀薄，而且溫度較低，而超聲波物位計的工作會受到環境的影響。經查，超聲波物位計使用過的最高的海拔高度約為2000m，從未在近4000m的海拔高度使用過。

要使用物位計測量呷村銀多金屬礦的各種料倉的料位，除了要克服各種料倉的不規則料面形成的漫反射而造成的聲波能量損失外，還要克服高海拔位置稀薄的空氣對聲速的影響，以及低溫環境對儀表的考驗。

二、解決方案

最終確定解決方案是采用超聲波料位計和雷達物位計結合的方式來解決不同性質的料倉的物位測量：對于高度在15米以內而且物料顆粒度較大的料倉，選用Multiranger超聲波物位計（如圖2）和各種不同量程的超聲波換能器；而針對量程較大(15米以上)或粉塵揚起較大的應用，則選擇了西門子的固體型雷達LR40.

超聲波物位測量解決方案。

西門子超聲波物位測量技術在世界上一直是處于領導者地位，它具有很多特有的技術特點及以專利技術。

聲阻匹配技術。

不同于其他公司的產品，西門子采用了一種聲阻匹配的技術來作為測量固體料位的主要技術。采用低密度的介質緊貼在超聲波發射表面，以降低超聲波探頭聲阻，使發生的超聲波能量衰減大到最小。這也是目前所有的超聲波固體測量技術中成本最低、可靠性最高、應用最為廣泛的一種技術。據測試，采用聲阻匹配技術的超聲波探頭比普通的超聲波探頭的性能要提高5~6倍。

矩陣式聲源系統。

當量程增加時，超聲波探頭的發射能量也需要大大的增加，同時也需要降低發射頻率來減少超聲波能量在長距離的傳輸中衰減。但是采用以上技術，也會帶來一些“副作用”：波束角增大；超聲波能量發散；探頭表面的“自清潔”功能不明顯，容易粘結物料；較低的發射頻率容易受到自然噪聲的干擾；精度低等一系列問題。

西門子公司采用矩陣式聲源系統克服了上述技術的缺點。它選擇使用了多個（不是一個）晶振作為發射源；相對于普通的超聲波探頭，它的發射頻率更高，波束角更小（可至6º），表面的震動能量更大，“自清潔”的作用更明顯；抵御環境噪聲的能力也更強。

兩線制連線方式。

西門子公司的超聲波探頭一般都采用兩線制模式，除了進行傳輸和識別超聲波探頭脈沖信號，同時也進行溫度信號的傳輸以實現溫度補償的作用。不同于常見的三線制模式，兩線制模式既可以選擇雙絞屏蔽線作為傳輸線纜，也可以選擇抗干擾能力更強的同軸電纜。它的優點是：傳輸距離最長可達365m，最大程度地實現多點測量；最有效地克服來自環境的噪聲，使回波信號更加可靠穩定。

聲智能回波處理技術。

西門子專利的聲智能技術是目前最先進的回波處理技術。由于呷村銀多金屬礦的海拔高度較高，具有空氣稀薄，氣溫低的特點，因此利用聲智能技術具有對聲速進行溫度補償（內置高精度溫度傳感器）的功能，可以克服氣溫低的環境影響；同時由于空氣稀薄而引起聲速變化最終導致測量讀書不準確的問題，對于聲智能而言，只需要做一個簡單的標定根據實際值對聲速值進行微調盡可以很好地解決這個問題（如圖5）。

當然聲智能技術中還包含了各種過濾器、TVT（回波抑制曲線）、ALF選擇算法等功能可以解決由于倉壁固定物（如果人梯、結構橫梁等）、不規則的料面引起的多次回波等靜態或動態的各種干擾。

雷達物位測量解決方案

西門子的LR400固體型雷達被廣泛應用在水泥、礦山、鋼鐵、電力等各種料倉，尤其是用于測量各種粉塵揚起非常嚴重的粉料的物位測量應用中，在市場取得了非常好的口碑（如圖6）。LR400具有的主要特點：

非接觸式測量原理，基本免維護；

采用24GHz高頻率信號, 較短的波長很容易在粗糙的固體表面形成良好的回波信號；相對很多采用6G和10GHz的雷達來說，它的測量的可靠性、穩定性和準確性要好得多。

FMCW（連續調頻）工作原理和四線制供電設計；確保了LR400能夠提供更可靠的測量回波和較大的功率保證惡劣工況的噪聲干擾；

全鋁制的外殼保證了儀表在惡劣的現場不容易受到損壞，大大延長了儀表的使用壽命；

標準配置的瞄準器和較小的天線尺寸使安裝更加簡單方便；

集成了上萬個應用經驗而生成的固體型雷達算法，針對細粉狀固體和塊狀固體提供了不同的測量模式。

三、使用結果

經過技術交流和確認后，中國華冶接受了西門子的物位解決方案，并采購用在呷村銀多金屬礦的礦石料倉和其他固體料倉上（如圖7）。自2006年使用至今近1年的時間內，西門子公司提供的超聲波和雷達物位計工作性能令人滿意，完全克服了高海拔和低溫的影響，而且由于采用了非接觸式的測量方式，調試安裝完成至今從來沒有進行過維護。