1.引言
在干散货码头中，通常需要将物料存储在筒仓中，其中固体颗粒的储存占据了较大的比例，主要以散粮筒仓和煤炭筒仓为主。为了保证筒仓的安全性，防止筒仓中料堆过高而影响港口的正常生产运营，对料堆高度进行实时监测是十分必要的，通常采用物位仪表对料堆的高度进行测量。
物位仪表指的是对物位进行测量、显示、报警与控制的装置，包括物位计及物位开关两类。物位计与物位开关两者的区别在于，物位计是对物位进行连续测量的物位测量仪表，而物位开关是对物位进行定点式测量的物位测量仪表。从定义上分类，物位计包括测量气-液界面的液位计、测量气-固界面的料位计以及测量液-液界面和测量液-固界面的界位计；而物位开关包括测量气-液界面的液位开关、测量气-固界面的料位开关以及测量液-液界面和测量液-固界面的界位开关。
在港口中，粮食和煤炭筒仓的料位高度监测通常采用料位计或料位开关。顾名思义，料位计指的是对筒仓内料堆的高度进行测量的仪器；料位开关指的是控制筒仓内料堆高度的仪器。本文通过对目前港口筒仓采用的料位计和料位开关进行分析，总结不同的料位仪器的特点和应用场景，为筒仓内选择和应用料位仪器提供新的思路。
2.料位计的发展现状
料位计是指对容器中固体物料高度的变化进行实时检测的仪表，料位计也称为料位变送器、料位控制器、料位仪等。料位计按类型分类，可分为电容料位计、重锤料位计、超声波料位计、雷达料位计、激光料位计和核辐射料位计；按照原理分类，可分为电容式料位计、机电式料位计、T OF式料位计和核辐射式料位计。
2.1电容料位计
电容料位计由电容式物位传感器和检测电容的线路组成，其基本工作原理是电容物位传感器将物位的变化转换为电容量的变化。电容料位计中的电容相当于两个电极，物料在中间上升和下降的时候，介电常数变化导致电容发生变化，通过测量电容量就可以得到料位数值，如图1所示。
根据其工作原理，电容料位计适合各类导电性能差的物料，比如粮食、非导电液体、粉状类物体等。由于其工作原理简单且无可动部分，在筒仓中应用较为广泛，但也存在精度较低等问题。
2.2重锤料位计
重锤料位计是一种机电式料位计，其内部结构由卷筒、电机、钢丝绳、导向轮、测量轮、安装法兰、重锤等部件组成。重锤料位计放置筒仓顶部，重锤由电机驱动钢丝绳牵引将其吊入筒仓内，并通过时间控制系统对筒仓的料位高度进行计算。每次测量时，重锤从筒仓顶部下降，碰到料面立即返回到仓顶，等待控制单元发出指令进行下一次测量。
重锤料位计通过重锤触碰到物料计算筒仓高度，所以其精度较高；由于是物理测量，重锤料位计受温度的影响较小，可在低温的环境下工作。但是，由于其结构较为复杂，重锤料位计也存在安装条件多和保养次数多的问题。
2.3超声波料位计
超声波料位计是一种TOF式料位计，利用了超声波方向性好、穿透能力强和易于获得较集中声能的优点，在港口筒仓中应用较为广泛。超声波传感器安装在筒仓顶部，通过探头向料堆表面发射超声波脉冲，经过一段时间之后，探头接收到从料面反射回的信号，根据超声波发射和接收的时间差可计算出料位到传感器的距离，其原理如图2所示。
超声波测位技术具有很多优点。第一，超声波通过定点和连续测量位置，可实时传送数据；第二，超声技术精度较高，达到了毫米级测量；第三，超声波料位计的安装和维护上较为方便，节约大量成本。超声波料位计可适用于石油、矿业、发电、化工等许多行业，但对于粉尘较多的区域，受到粉尘阻碍声波传递的因素，其工作能力会大大降低。
2.4雷达料位计
雷达料位计是一种TOF式料位计，主要分为微波雷达料位计和导波雷达料位计两种。其结构主要由发射和接收装置、信号处理器、操作面板、天线和故障报警装置组成。雷达料位计通过天线发出雷达信号，雷达波传送至料堆表面并反射回接收装置，根据雷达波的速度和发送接收时间可计算出料堆的高度。
雷达料位计具有精度高、安装要求简单、量程大的优点，在港口筒仓中使用最为广泛。与超声波料位计相比，雷达料位计可在粉尘和蒸汽的工况下正常运行，适应各种工况的能力较强。
2.5激光料位计
激光料位计是一种TOF式料位计，由半导体激光器发射连续高速脉冲激光束，激光束遇到被测物体表面进行反射，光线返回由激光接收器接收，如图3所示。通过处理激光束发射到接收的时间计算出距离，可以得到筒仓内料堆的高度参数。
由于依靠光的反射原理，激光料位计具有测量范围广、频率高、相应时间短、精度高、操作简单的优点，特别适用在粮食和矿石筒仓中料位的检测。
2.6核辐射料位计
核辐射料位计主要由放射源、接收器和显示仪表组成，通过物料对γ射线的阻挡作用进行料位高度的测量。放射源被封装在钢保护罩内并设有能闭合的窗口，放射元素主要包括Co - 60及Cs-137。当放射源发射出γ射线，随着料堆厚度的增加，射线的强度越来越低，通过计算放射源和接收器不同的射线强度，可以得到料堆的高度参数。
由于核辐射料位计在工作中与被测物料不接触，因此适用于密闭容器中高温、高压、高粘度、强腐蚀、剧毒物料料位的测量。但是由于核辐射对人体有一定的伤害，在使用时一定要采取相应的防护措施，因此在港口中核辐射料位计的使用较少。
2.7关于对料位计的总结
在港口中，料位计被用来测量筒仓中料堆的位置高度，因此使用非常广泛。但是各种料位计的种类繁多，特点又不尽相同，需要根据港口料堆的种类、需求的测量精度，相关成本等多方面因素去考虑，表1是各类料位计的特点。
3.料位开关的发展现状
料位开关，是通过螺纹或法兰定点安装于筒仓的顶部、侧面和底部，并对点位的物料进行监控和控制一类检测仪器。在港口常见的料位开关包括电容料位开关、射频导纳料位开关、音叉料位开关、振棒料位开关、阻旋料位开关和微波料位开关。
3.1电容料位开关
电容料位开关基于电容技术，与电容料位计的原理基本是一致的，即探头接触物料时所引起的电容量变化被电路检测并被转换为开关信号输出。作为物位开关的一种，电容料位开关可对块状、颗粒状、粉末状以及液态料仓的料位进行控制。
根据电容料位开关的原理，该开关主要具有以下几个特点：（1）适应性强，使用于多种工况；（2）精度较高，灵敏性好；（3）使用寿命长，便于检修维护。鉴于电容料位开关的特点，其在冶金、石油化工、煤炭、水泥、粮食等行业中应用较为广泛。
3.2射频导纳料位开关
在电容料位开关的基础上，通过采用高频测量导纳技术，发展出了射频导纳料位开关。其基本原理是仪表的传感器与筒仓和被测介质形成了导纳值，当料位的高度发生变化时，系统通过射频信号测量导纳值的改变形成物位开关信号。射频导纳料位开关主要由射频信号、接地电极、屏蔽电极、测量电极组成，如图4所示。射频导纳开关具有精度高、安装方便，实用性好的特点，由于测量过程中没有可动部件，后期基本不需要维护。在港口的使用中，广泛用于灰粉、灰浆、水泥熟料、煤粉等介质的料位测量。
3.3音叉料位开关
音叉料位开关属于物位开关的一种。在开关中，叉体由压电晶体产生一定频率激励发生共振，当音叉被液体或固体浸没时振动频率和振幅发生一定变化，通过电子部件的检测可输出开关信号。音叉料位开关通常在筒仓侧面对料位高度进行物料位置的检测。
音叉式物位开关是恶劣工作环境下较为实用的料位开关。由于其良好的性能，被应用在港口码头的各种场景中，如矿石固体粉料、小颗粒及绝大部分的液体储存筒仓中。
3.4振棒料位开关
由于料位开关需要插进料堆中进行检测料堆的状态，不可避免的会发生挂料、夹料及打洞现象，为了避免这类情况对筒仓料位检测的影响，在音叉料位开关的基础上研发出了振棒料位开关，如图5所示。振棒料位开关指的是通过电子线路对振动棒进行激励并保持共振，当料位变化时物料碰到振棒探头时其阻尼增加，元器件的检测回路检测到参数改变并产生开关信号。
振棒料位开关又分为单管和双管两类。单管振棒料位开关指的是当探头周围全部被物料覆盖，其振幅才会慢慢减弱继而被转化为开关信号；双管振棒料位开关采用双棒设计，只要探头与物料接触，其振幅发生明显的减小，敏感度得到了很大的提高。振棒料位开关由于其可以防挂料的特性，被广泛应用在PVC、石灰、沙粒、矿石、粮食等粒装或颗粒状物料的港口筒仓中。
3.5阻旋料位开关
阻旋料位开关由微型马达、传动轴、离合器和叶片组成。马达作为驱动装置通过离合器与传动轴连接，传动轴转动带动叶片旋转。当料位高度很低时，叶片正常转动，如图6(1)所示；当料位升高影响叶片转动时，马达停止运转并输出开关信号，如图6(2)所示。
阻旋料位开关具有结构简单、抗电磁波干扰、耐腐蚀、耐高温、防尘的特点。同时适应性强，不受物料的形状以及温湿度、粉尘浓度等筒仓环境的影响，安装后无需调试，可长期使用。由于阻旋料位开关具备良好的性能特点，被广泛应用在粮食、化工、制药、化肥等行业。
3.6微波料位开关
微波料位开关主要由发射器、接收器和放大器组成，通过发射器向接收器发送微波束，当出现物料时阻挡微波束的传递，接收器无法收到微波束并向控制系统发出开关信号。微波料位开关的安装中，发射器和接收器成对安装在筒仓两侧，对料堆的高度位置进行实时检测。
微波在传递时必须要保证发射器和接收器必须在同一平面内，当出现极限料位高度不方便检测时，需采用放大器对微波信号进行放大处理。在码头中，微波料位开关适用于筒仓中物料的过程监控，监测矿料、粉料、粮食等介质的物位。
3.7关于对料位开关的总结
料位开关作为一种筒仓内物料的监测元件，通常被安装在筒仓的物料进出口位置、筒仓壁侧边以及顶部位置。如表2所示，不同的料位开关采用的原理不同，所具备的优点和适用场景也有很大的区别，需要根据筒仓的特点选用最合适的料位开关，使其效果发挥最大化。
4.小结
料位计和料位开关种类繁多，本文对几种在港口筒仓中常见的料位计和料位开关进行了原理的分析，并对其结构特点、安装要求以及适用的场景进行了总结。港口在选择和安装料位仪器时，首先根据物料的种类，判断料位仪器原理是否满足要求、是否需要与物料接触以及物料的形态对料位仪器的运行是否产生影响，来选择符合要求的料位仪器；其次，需要根据港口筒仓的实际需求，确定料位仪器的个数、安装位置以及具体的安装要求，保证料位仪器在使用过程中的安全稳定运行。同时，完善料位计和料位开关的相关标准和检定规程，对规范料位仪器的制造、使用以及筒仓的安全运行具有重大的意义。