污水處理工程涉及液位(差)、流量、壓力、溫度、濃度(含PH、溶解氧等)、濁度等多種工藝參數(shù)的測量。其中液位測量占很大比重,在各個工藝階段幾乎都有液位檢測點(diǎn)。測量介質(zhì)包含水和溶液兩種。溶液是指用于改善污水水質(zhì)的溶液如:酸、堿等,一般純?nèi)芤河趦拗匈A存,混合溶液存于帶攪拌器的混凝土池內(nèi)。毋庸多言,水作為污水處理的對象,對其液位的檢測數(shù)量是多的。相對其它工藝流程,污水處理工程的水位測量有它自身的特點(diǎn):
 

1)測量介質(zhì)一般是含泥沙、油污等多種無機(jī)、有機(jī)污染物的污水,大多存于室外敞口池中;

2)生化處理系統(tǒng)使用氣浮工藝的水面上多存在泡沫;

3)調(diào)節(jié)池、濃縮池等多設(shè)有攪拌器。相對于其它種類的測量儀表,適合污水處理工程使用的液位儀類型眾多。有接觸和非接觸測量兩類,涉及包括差壓式、浮力式、電學(xué)式、聲學(xué)式等多種測量原理的液位計。這對儀表的選擇提供了很大空間,同時也帶來了合理選型的難度。本文以實際使用普遍,數(shù)量多的磁翻板液位計、投入式液位計、超聲波液位計和雷達(dá)液位計為例,結(jié)合原理,總結(jié)實際工作中液位計選型、安裝、使用和維護(hù)的經(jīng)驗。

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1　磁翻板液位計

1.1　測量原理

　　磁翻板液位計主要基于浮力和磁力原理。帶有磁體的浮子(簡稱磁性浮子)在被測介質(zhì)中的位置受浮力作用影響。液位的變化導(dǎo)致磁性浮子位置的變化、磁性浮子和磁翻柱(也成為磁翻板)的靜磁力耦合作用導(dǎo)致磁翻柱翻轉(zhuǎn)一定角度(磁翻柱表面涂敷不同的顏色),進(jìn)而反映容器內(nèi)液位的情況。

1.2優(yōu)缺點(diǎn)及注意事項

1)顯示清晰、讀數(shù)直觀,方便現(xiàn)場監(jiān)控。

2)一般選用帶遠(yuǎn)傳功能的磁翻板液位計,不需多組液位計組合,即可同時實現(xiàn)現(xiàn)場和操作室監(jiān)控,設(shè)備開孔少。

3)測量介質(zhì)臟污時,易堵。根據(jù)介質(zhì)情況,應(yīng)定期清洗主導(dǎo)管,清除管內(nèi)沉積雜質(zhì)。建議配套排污閥方便檢修。若測量介質(zhì)含腐蝕性時,須選用耐腐蝕的產(chǎn)品。

4)如圖1示,通常情況下,工藝與儀表**的設(shè)計、維護(hù)以法蘭為界,因此,須注意液位計法蘭與工藝接管法蘭配對。另外,液位計根部閥V1、V2屬工藝選型或由儲罐配套。為保證液位計檢修時,不影響生產(chǎn),V1、V2必須選用產(chǎn)品,故在儲罐設(shè)計或采購時,儀表**須向工藝**提出要求。

1.3使用位置

　　在污水處理工程中多選用側(cè)裝式的磁翻板液位計,常用于需現(xiàn)場和操作室兩地監(jiān)控的位置,如酸罐、堿罐、部分藥罐液位檢測。
 

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2、投入式液位計

2.1測量原理

　　基于所測液體靜壓與該液體高度成正比的原理,采用多晶硅、陶瓷或電容壓力傳感器,將靜壓轉(zhuǎn)成電信號。一般由直接投入液體中的傳感器、用于信號放大、校正、補(bǔ)償、結(jié)果顯示的變送器和導(dǎo)氣或連接電纜(傳感器與變送器連接)三部分組成。

2.2優(yōu)缺點(diǎn)及注意事項

1)結(jié)構(gòu)簡單,價格較便宜。

2)傳感器直接投入被測液體內(nèi)測量,因此不受介質(zhì)起泡影響。

3)由于傳感器與變送器間為柔性連接,儀表貯存及運(yùn)輸方便,尤其在大量程的液位測量中,其優(yōu)勢更突出。安裝方便,只須將傳感器直接投入被測液體,即可實現(xiàn)測量。

4)水流沖擊、摩擦振動(尤其是與液位變化同方向的振動)等因素會改變投入式傳感器在液體中的位置,進(jìn)而影響測量值,所以好將液位計安裝于水流相對平穩(wěn)的地點(diǎn)。受現(xiàn)場條件制約,無法避免時,好將傳感器置于隔離管中安裝或選擇其它種類的液位計。圖2為加裝隔離管的投入式液位計在某調(diào)節(jié)池中的應(yīng)用示例,使用隔離管避免了因攪拌器工作引起的水流沖擊,保證了測量的準(zhǔn)確性。

5)使用于水質(zhì)過差的環(huán)境時,傳感器套孔易被污泥堵塞,導(dǎo)致測量值失真,需酌情定期清洗維護(hù)。為減少套孔被污泥堵塞的概率,建議將其安裝于離池底大于100mm的位置,并使用隔離管。

6)使用壽命較短。使用一段時間后,易出現(xiàn)零點(diǎn)或量程漂移,現(xiàn)場校準(zhǔn)有難度。

2.3使用位置

　　雖然投入式液位計存在使用壽命較短,傳感器易堵等缺點(diǎn),但由于它在價格和安裝維護(hù)方面的優(yōu)點(diǎn),尤其是價格方面,一般僅千元左右,相對于后文提到的超聲波、雷達(dá)液位計一般需萬元左右,有較大優(yōu)勢,目前仍是污水處理工程測量敞口容器液位使用較多的液位計之一。

　　在上清液集水池、清水池、濾池等水質(zhì)相對較好的工藝流程中使用時,壽命較長,幾乎免維護(hù)。可以使用在水質(zhì)差的環(huán)境中,但不適合池底淤泥層過厚的池內(nèi)使用。加裝隔離管后可應(yīng)用于部分帶攪拌器的調(diào)節(jié)池、濃縮池等。

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3超聲波液位計
3.1測量原理

　　超聲波液位計是利用回波測距原理的非接觸式儀表。回波測距原理又稱行程時間或傳播時間(TOF,Time ofFlight)測量原理。它是通過一個可以發(fā)射能量波(一般為脈沖信號)的裝置發(fā)射能量波,能量波遇到障礙物反射,由一個接收裝置接收反射信號。根據(jù)測量能量波運(yùn)動過程的時間差來確定物位變化情況。由電子裝置對能量波信號進(jìn)行處理,終轉(zhuǎn)化成與物位相關(guān)的電信號。利用超聲波作為能量波的液位計即是超聲波液位計。其測量原理如圖3示。液位高度計算公式如下：

　　其中,C為超聲波在空氣中的傳播速度;t為超聲波由液位計到水面往返一次的時間。由公式可見,液位高度受超聲波傳播速度的影響。而超聲波是利用氣體(絕大多數(shù)情況下是空氣)作為傳播介質(zhì),空氣的壓力(真空度)、溫度、濕度、氣流等變化會改變超聲波傳播速度。例如,超聲波速度與溫度的近似公式為:

　　式中,C0為零度時的聲波速度332m/s;T為實際溫度(℃)。

　　可見,溫度變化會產(chǎn)生液位測量誤差。超聲波液位計的超聲放射及接收裝置均安裝于同一探頭中,這就決定了只能在發(fā)射引起的傳感器余振基本消失后,接收裝置才能檢測反射回波。另外,超聲發(fā)射是以脈沖方式進(jìn)行,而脈沖具有一定的時間寬度,因此,在超聲發(fā)射到余振基本消失的這段時間t'內(nèi),液位計不能正常工作,這段時間對應(yīng)的液位

　　B稱為盲區(qū),如圖3示,被測的高液位如進(jìn)入盲區(qū),儀表將不能正確檢測。盲區(qū)大小取決于發(fā)射裝置的功率。一般而言,發(fā)射裝置功率越大,發(fā)射頻率就越低,余振衰減時間越長,盲區(qū)也就越大。

 

3.2優(yōu)缺點(diǎn)及注意事項

1)具有工作可靠、精度高、使用周期長、免維護(hù)的特點(diǎn),并具有相對的價格優(yōu)勢。

2)在污水處理工程中,多可選用一體式液位計,安裝簡便。

3)回波反射產(chǎn)生的干擾回波和假回波,可通過軟件來排除,但有效回波強(qiáng)度也同時被衰減。因此,設(shè)計選型時,要考慮衰減因素,選擇量程要留有一定的余量。

4)為了盡量減少干擾回波,安裝位置要盡可能選擇液面平穩(wěn)的位置,同時遠(yuǎn)離扶梯、檢修通道、進(jìn)水口、出水口、攪拌器,盡可能與池壁保持較遠(yuǎn)的距離。在探頭規(guī)定的波束發(fā)射角下,錐形波束在低測量液面上的投影,不與容器壁及其它能反射聲波的構(gòu)件接觸。在避開盲區(qū)的前提下,盡量貼近高液面安裝,以減少池壁回波的干擾。為獲得盡可能強(qiáng)的回波,要保證探頭與被測界面垂直。

5)*次投運(yùn),須對儀表進(jìn)行使用位置、介質(zhì)特性、工藝條件等內(nèi)容的設(shè)定,完成空程、滿量程校正。利用配套軟件進(jìn)行回波曲線檢查,抑制干擾回波。建議在有條件的情況下,在池壁上分別標(biāo)注液位滿量程的20%、50%、95%、三點(diǎn),以方便今后維護(hù)和校驗。

6)為避免因壓力、溫度等特性變化而產(chǎn)生的液位誤差,應(yīng)選擇有溫度補(bǔ)償?shù)漠a(chǎn)品。

7)泡沫是聲波反射不充分的表面,會吸收一部分或是全部的聲波脈沖能量,減少或是完全消除回波信號。因此,在被測液面存在泡沫的場合,不能使用。但在泡沫較輕,盲區(qū)允許的情況下,可通過加大液位計的功率,來實現(xiàn)測量。

 

3.3使用位置

　　超聲波液位計不能使用在測量工況變化劇烈或真空的場合,但污水處理工程一般不存在上述情況,這一優(yōu)勢使超聲波液位計在污水處理工程中得以**應(yīng)用。

　　除了不能使用在有大量泡沫、液位波動劇烈的地方外,幾乎可在污水處理的各個工藝流程中**使用,用于測量水池液位、液位差等。

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4、雷達(dá)液位計


4.1測量原理

　　超聲波、雷達(dá)液位計都是利用回波測距原理的儀表。利用電磁波作為能量波的液位計即是雷達(dá)液位計,又稱微波液位計。

        雷達(dá)液位計按結(jié)構(gòu)可分為天線式和導(dǎo)波式。天線式通過天線發(fā)射和接收電磁波,其結(jié)構(gòu)與超聲波液位計為相似,都屬于非接觸式儀表。導(dǎo)波式是微波液位計的一種變型,英文名稱是Time DomainReflectometry(時域反射法)或簡稱TDR,也俗稱導(dǎo)波雷達(dá),通常采用脈沖波方式工作。與微波液位計不同點(diǎn)在于微波脈沖不是通過空間傳播,而是通過一根(或兩根)從液位上方伸入、直達(dá)容器底的導(dǎo)波體傳播。導(dǎo)波體可以是金屬硬桿或柔性金屬纜繩。微波脈沖沿桿或纜的外側(cè)向下傳播,在被測液面上被反射,回波被天線接收,由發(fā)射脈沖與回波脈沖的時間差即可計算出傳播距離。

　　低頻雷達(dá)具有較大的波束角和較長的波長,使之在有液面擾動或攪拌的情況下能提供好的回波曲線。但其較大的波束角制約了使用范圍。為彌補(bǔ)這一缺陷,在實際產(chǎn)品中,低頻雷達(dá)多與導(dǎo)波管結(jié)合。也就是說,一般導(dǎo)波雷達(dá)液位計多使用低頻雷達(dá)。

4.2優(yōu)缺點(diǎn)及注意事項

　　由于雷達(dá)液位計與超聲波液位計在測量原理上相同,本文3.2中1～ 5同樣適用于雷達(dá)液位計。但由于雷達(dá)液位計的特殊性,和超聲波液位計相比較,還有以下特點(diǎn):

1)由于微波(電磁波)傳播不依賴介質(zhì),所以雷達(dá)液位計不受介質(zhì)特性如壓力、溫度、真空度等影響,所以測量精度較超聲波液位計高?？梢允褂迷诠r變化較大或有蒸汽等超聲液位計不能正常工作的場合。

2)微波(電磁波)以光速傳播,使得雷達(dá)液位計測量更靈敏,刷新速度更快。

3)表1示出了不同特性的泡沫,對微波、超聲波信號的不同影響。由于污水處理工程液位測量所涉幾乎全是濕性泡沫,所以雷達(dá)液位計可代替超聲波液位計在液面有泡沫的場合使用。

4)使用導(dǎo)波雷達(dá),可在帶攪拌、液面擾動等復(fù)雜工況或安裝空間有限的場合實現(xiàn)測量。導(dǎo)波雷達(dá)液位計安裝在有攪拌器的液體中,若液體流速過快,建議將導(dǎo)波管末端固定,以減少導(dǎo)波管受力。

5)部分產(chǎn)品配套有智能軟件,可實現(xiàn)不規(guī)則池底的液位測量。

6)雷達(dá)液位計比超聲波液位計價格稍貴。

4.3使用位置

　　由于雷達(dá)液位計在有泡沫、帶攪拌的測量場合具有優(yōu)勢,它彌補(bǔ)了超聲波液位計在上述方面的不足。可以說,雷達(dá)液位計適合在污水處理的各個工藝流程中使用,測量水池液位、液位差。

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5、結(jié)語

　　液位儀表是污水處理工程不可缺少的重要儀表。它種類繁多,根據(jù)介質(zhì)和現(xiàn)場條件的不同,各類液位計各具優(yōu)勢,形成一個多元化的局面。要找到適合的產(chǎn)品,只有在液位計選型、安裝時,根據(jù)各液位計的特點(diǎn),從測量介質(zhì)、安裝位置、儀表精度、價格、使用壽命、維護(hù)成本等多方面綜合考慮。隨著勞動力和生產(chǎn)成本的不斷提高,儀表高精度、免維護(hù)性在儀表選型中所占的比重也隨之不斷增加。因此,在儀表采購成本允許的情況下,建議盡量選擇高精度、免維護(hù)的儀表。相對于磁翻板液位計和投入式液位計而言,超聲波、雷達(dá)液位計更符合上述要求。隨著電子技術(shù)及制作工藝的不斷提高,超聲波、雷達(dá)液位計的價格會不斷下降,性能會不斷提高,數(shù)量會不斷增多。