摘要:本文通過分析發酵罐結構、發酵液特性，結合儀表檢測原理，提出了利用阻抗頻譜檢測法檢測發酵罐液位的技術方案。并通過對比阻抗頻譜檢測與其他液位檢測方法的優缺點，列舉了其在乳品、釀造等其他行業的成功應用，良好的適用性和實用性使其在沼氣工業中具有廣泛的應用前景。

0、引言：
    隨著社會主義新農村建設行動的開展，各級政府為提高農民的生活質量、改善農村環境，函需改變農村臟、亂、差的現狀。利用農業秸稈、畜禽糞便等有機廢棄物發酵生產沼氣，既可使區域有機廢棄物得到有效處理，消除了污染，又可從中獲取清潔能源和有機肥，因此在農村獲得廣泛推廣。沼氣全自動化生產工藝中，厭氧發酵罐是核心設備，罐內發酵液液位檢測連鎖是整個罐體循環系統自動化的難點，利用現有技術提供合理的解決方案成為了促進沼氣工業發展的當務之急。

1、厭氧發酵罐和沼液的特點：
    厭氧發酵罐罐頂由薄膜構成，罐身及罐底由搪瓷焊接而成，在罐內壁布滿熱水管網用來加熱保溫，在罐內四周設有多個攪拌裝置，不定時攪拌、混勻發酵液。厭氧發酵罐工藝圖如圖1所示。

圖1厭氧發酵罐工藝圖

    沼氣發酵罐內靜態沼液由下至上分為沉渣層、活性層、清液層、浮渣層，各層密度不均勻。發酵罐內靜態沼液級分布如圖2所示。

圖2發酵罐內靜態沼液層級分布圖

    沼液經攪拌后，介質較為濃稠，具有一定腐蝕性，且容易掛壁，管網加熱會使內部溫度維持在38℃左右。
2、常用的液位檢測方法及存在問題：
2.1、差壓液位計檢測法：
   利用液體的壓強原理，在液體的底部檢測液體壓強和標準大氣壓的壓差。隨著半導體技術的發展，半導體表面擴散工藝在差壓式液位計平衡電橋的制作中得到了廣泛應用。它通過液體底壓強使半導體擴散硅薄膜產生形變，引起電橋不平衡，電路輸出與液位高度相對應的電壓，從而獲取液位信號。[lj    存在問題:穩定的介質密度是差壓法計算液位的核心，但是厭氧發酵過程中酵液密度會隨著發酵進程不斷變化，取壓口易產生阻塞，使差壓式液位計會產生虛假液位，甚至嚴重影響測量準確性。
2. 2、超聲波液位計檢測法：
    一般把振動頻率超過20 kHz的聲波稱為超聲波，屬于機械波的一種，其特征是頻率高、波長短、繞射現象小，且方向吐強，能夠成為射線而定向傳播。超聲波在液體中的衰減很小，因而穿透能力強，超聲波液位計測量液位正是利用了它的這一特征。超聲波液位計工作時，超聲波換能器(探頭)發出高頻脈沖聲波，遇到被測水面的表面被反射回來，折回的反射回波被換能器接收，轉換成電信號。聲波的傳播時間與換能器到被測介質表面的距離成正比，聲波傳輸距離L與聲速C和傳輸時間T的關系可用公式L=CxT2表示。
    存在問題:(1)發酵液上層浮渣層易隨機集結大量厚厚的渣殼，產生不可克服的虛假回波。擔)超聲波液位計在檢測有漂浮物的地方，會影響回波質量甚至被吸收，從而影響測量結果。(3)發酵液體部分在罐內有加熱管網加熱，液體表面易形成蒸汽，吊裝在罐頂的探頭表面易凝結水珠附著，對正常測量造成影響。    此外，受液面隨機結渣殼遮擋影響而無法使用的還有激光、紅外等光學測距方法。
2. 3、雷達液位計檢測法：
    利用超高頻電磁波經天線向被測容器的液面發射，當電磁波到達液面后反射回來，被同一天線接收并檢測出發射波及回波的時差，從而計算出液面高度。[3]    存在問題:由于發酵罐內攪拌器頻繁攪拌，發酵液液面波動大，反射回波散失嚴重，天線不能良好接受回波造成，液位信號時斷時續。雖然在罐體一側引出旁通管，直接在旁通管內檢測液位的方案可以有效避免攪拌造成的液面波動，但是因為發酵液的赫稠度高以及浮渣、沉渣很多會導致上下引流管堵塞，造成旁通管和罐底完全隔離。
2. 4、導波雷達液位計檢測法：
    基于電磁波的時域反射原理(TDR)，電磁波發生器產生一個沿探測桿向下傳送的電磁脈沖波。當電磁脈沖遇到比先前傳導介質(比如空氣)介電常數大的液體表面時，脈沖波會被反射。通過超高速計時電路計算脈沖從發射到反射的時間差△T，設導波雷達液位計頂部到液面的距離S=Vx 0T/2，如果導波雷達液位計到容器底部的距離為H，則液位:=H一s。
    存在問題:發酵液豁稠掛壁嚴重，當探測桿浸人發酵液中再拔出時會產生較多掛料和結垢，探頭容易產生較大測量誤差。同樣受掛料和結垢影響的液位計還有電容液位計、音叉液位計以及浮球等機械觸發型液位計。

3、阻抗頻譜檢測法及其優勢“：
   阻抗頻譜測量是一種利用能夠在50一200MHz之間測量多個頻率段電場和磁場強度的新技術，這使得阻抗頻譜測量技術能夠針對所監測的介質產生獨特的信號模型。只有當測量的電磁場與介質模型匹配，它的開關才會被觸發。殘渣、泡沫或其他沉淀物不具備相同的信號模型，因此測量不受這些因素影響。圖3中針對水基介質的測量頻譜可直觀表現這一特性。

圖3 LMT針對水基介質檢測實例圖
    如圖3所示，只有當紅色外形線進人開啟區域時，才表明存在有足夠多的介質可激活傳感器的開關輸出，其他情況表明僅留下了殘余，泡沫或沉積物。
    阻抗頻譜測量方法相當于把一個定性的問題進行定量細分，并根據所需的阻抗頻譜智能觸發標定，很好地避免了發酵液、結殼、掛壁、密度不均等一系列物理特性造成的干擾，完美解決了目前常用的厭氧發酵罐液位檢測方法中存在的問題。    阻抗頻譜檢測已經作為一項成熟的液位檢測技術，廣泛應用于監測罐槽、管道內載性液體液位和粉末狀材料物位測量，及極限監測和防干轉保護。
    目前，該檢測方法廣泛應用于乳品和釀造行業，如牛奶、酸奶、啤酒、紅酒和汽酒等液位的監測，同時在果凍、果醬、洗發水、護發素以及制造蠟燭的原蠟等濃度更高的介質上，也獲得了成功應用。

4、結束語：
    隨著自動化儀表技術的發展，液位測量的方法及相應的儀表技術也在不斷地改進和更新，并沒有哪一種液位測量儀表能夠適應所有的介質或環境，需根據測量要求和使用環境，針對每種測量方式的特點和優點，在眾多儀表中選擇可靠、準確、實用的液位測量儀表。常用的檢測方法應用在沼液厭氧發酵罐液位檢測時，均存在一定缺陷，而阻抗頻譜測量方法可以從原理上解決上述問題，實現對沼液液位的準確測量，對沼氣工業的發展具有十分重要的意義和作用。