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 浅谈污水处理工程液位仪表应用
发布时间:2017-11-30

0 引言
  污水处理工程一般包含污水预处理系统、生化处理系统、污泥处理系统三部分。污水预处理系统主要由进水泵、粗细格栅、砂水分离器等构成;生化处理系统是污水处理的核心,一般含沉淀、絮凝、厌氧、缺氧、好氧等工艺流程;污泥处理系统由污泥浓缩池、污泥脱水机等组成,包括污泥匀质、浓缩、脱水、处置四道基本工序。
  污水处理工程涉及液位(差)、流量、压力、温度、浓度(含PH、溶解氧等)、浊度等多种工艺参数的测量。其中液位测量占很大比重,在各个工艺阶段几乎都有液位检测点。测量介质包含水和溶液两种。溶液是指用于改善污水水质的溶液如:酸、碱等,一般纯溶液于储罐中贮存,混合溶液存于带搅拌器的混凝土池内。毋庸多言,水作为污水处理的对象,对其液位的检测数量是最多的。相对其它工艺流程,污水处理工程的水位测量有它自身的特点:
1)测量介质一般是含泥沙、油污等多种无机、有机污染物的污水,大多存于室外敞口池中;
2)生化处理系统使用气浮工艺的水面上多存在泡沫;
3)调节池、浓缩池等多设有搅拌器。相对于其它种类的测量仪表,适合污水处理工程使用的液位仪类型众多。有接触和非接触测量两类,涉及包括差压式、浮力式、电学式、声学式等多种测量原理的液位计。这对仪表的选择提供了很大空间,同时也带来了合理选型的难度。本文以实际使用最普遍,数量最多的磁翻板液位计、投入式液位计、超声波液位计和雷达液位计为例,结合原理,总结实际工作中液位计选型、安装、使用和维护的经验。
1 磁翻板液位计
1.1 测量原理
  磁翻板液位计主要基于浮力和磁力原理。带有磁体的浮子(简称磁性浮子)在被测介质中的位置受浮力作用影响。液位的变化导致磁性浮子位置的变化、磁性浮子和磁翻柱(也成为磁翻板)的静磁力耦合作用导致磁翻柱翻转一定角度(磁翻柱表面涂敷不同的颜色),进而反映容器内液位的情况。
1.2优缺点及注意事项
1)显示清晰、读数直观,方便现场监控。
2)一般选用带远传功能的磁翻板液位计,不需多组液位计组合,即可同时实现现场和操作室监控,设备开孔少。
磁翻板液位计应用示意图
3)测量介质脏污时,易堵。根据介质情况,应定期清洗主导管,清除管内沉积杂质。建议配套排污阀方便检修。若测量介质含腐蚀性时,须选用耐腐蚀的产品。
4)如图1示,通常情况下,工艺与仪表专业的设计、维护以法兰为界,因此,须注意液位计法兰与工艺接管法兰配对。另外,液位计根部阀V1、V2属工艺选型或由储罐配套。为保证液位计检修时,不影响生产,V1、V2必须选用优质产品,故在储罐设计或采购时,仪表专业须向工艺专业提出要求。
1.3使用位置
  在污水处理工程中多选用侧装式的磁翻板液位计,常用于需现场和操作室两地监控的位置,如酸罐、碱罐、部分药罐液位检测。
2投入式液位计
2.1测量原理
  基于所测液体静压与该液体高度成正比的原理,采用多晶硅、陶瓷或电容压力传感器,将静压转成电信号。一般由直接投入液体中的传感器、用于信号放大、校正、补偿、结果显示的变送器和导气或连接电缆(传感器与变送器连接)三部分组成。
2.2优缺点及注意事项
1)结构简单,价格较便宜。
2)传感器直接投入被测液体内测量,因此不受介质起泡影响。
3)由于传感器与变送器间为柔性连接,仪表贮存及运输方便,尤其在大量程的液位测量中,其优势更突出。安装方便,只须将传感器直接投入被测液体,即可实现测量。
4)水流冲击、摩擦振动(尤其是与液位变化同方向的振动)等因素会改变投入式传感器在液体中的位置,进而影响测量值,所以最好将液位计安装于水流相对平稳的地点。受现场条件制约,无法避免时,最好将传感器置于隔离管中安装或选择其它种类的液位计。图2为加装隔离管的投入式液位计在某调节池中的应用示例,使用隔离管避免了因搅拌器工作引起的水流冲击,保证了测量的准确性。
5)使用于水质过差的环境时,传感器套孔易被污泥堵塞,导致测量值失真,需酌情定期清洗维护。为减少套孔被污泥堵塞的概率,建议将其安装于离池底大于100mm的位置,并使用隔离管。
6)使用寿命较短。使用一段时间后,易出现零点或量程漂移,现场校准有难度。
2.3使用位置
  虽然投入式液位计存在使用寿命较短,传感器易堵等缺点,但由于它在价格和安装维护方面的优点,尤其是价格方面,一般仅千元左右,相对于后文提到的超声波、雷达液位计一般需万元左右,有较大优势,目前仍是污水处理工程测量敞口容器液位使用较多的液位计之一。
  在上清液集水池、清水池、滤池等水质相对较好的工艺流程中使用时,寿命较长,几乎免维护。可以使用在水质差的环境中,但不适合池底淤泥层过厚的池内使用。加装隔离管后可应用于部分带搅拌器的调节池、浓缩池等。

3超声波液位计
3.1测量原理
  超声波液位计是利用回波测距原理的非接触式仪表。回波测距原理又称行程时间或传播时间(TOF,Time ofFlight)测量原理。它是通过一个可以发射能量波(一般为脉冲信号)的装置发射能量波,能量波遇到障碍物反射,由一个接收装置接收反射信号。根据测量能量波运动过程的时间差来确定物位变化情况。由电子装置对能量波信号进行处理,最终转化成与物位相关的电信号。利用超声波作为能量波的液位计即是超声波液位计。其测量原理如图3示。液位高度计算公式如下:

  其中,C为超声波在空气中的传播速度;t为超声波由液位计到水面往返一次的时间。由公式可见,液位高度受超声波传播速度的影响。而超声波是利用气体(绝大多数情况下是空气)作为传播介质,空气的压力(真空度)、温度、湿度、气流等变化会改变超声波传播速度。例如,超声波速度与温度的近似公式为:
C= C0+ 0.607× T
  式中,C0为零度时的声波速度332m/s;T为实际温度(℃)。
  可见,温度变化会产生液位测量误差。超声波液位计的超声放射及接收装置均安装于同一探头中,这就决定了只能在发射引起的传感器余振基本消失后,接收装置才能检测反射回波。另外,超声发射是以脉冲方式进行,而脉冲具有一定的时间宽度,因此,在超声发射到余振基本消失的这段时间t'内,液位计不能正常工作,这段时间对应的液位

  B称为盲区,如图3示,被测的最高液位如进入盲区,仪表将不能正确检测。盲区大小取决于发射装置的功率。一般而言,发射装置功率越大,发射频率就越低,余振衰减时间越长,盲区也就越大。
3.2优缺点及注意事项
1)具有工作可靠、精度高、使用周期长、免维护的特点,并具有相对的价格优势。
2)在污水处理工程中,多可选用一体式液位计,安装简便。
3)回波反射产生的干扰回波和假回波,可通过软件来排除,但有效回波强度也同时被衰减。因此,设计选型时,要考虑衰减因素,选择量程要留有一定的余量。
4)为了尽量减少干扰回波,安装位置要尽可能选择液面平稳的位置,同时远离扶梯、检修通道、进水口、出水口、搅拌器,尽可能与池壁保持较远的距离。在探头规定的波束发射角下,锥形波束在最低测量液面上的投影,不与容器壁及其它能反射声波的构件接触。在避开盲区的前提下,尽量贴近最高液面安装,以减少池壁回波的干扰。为获得尽可能强的回波,要保证探头与被测界面垂直。
5)首次投运,须对仪表进行使用位置、介质特性、工艺条件等内容的设定,完成空程、满量程校正。利用配套软件进行回波曲线检查,抑制干扰回波。建议在有条件的情况下,在池壁上分别标注液位满量程的20%、50%、95%、三点,以方便今后维护和校验。
6)为避免因压力、温度等特性变化而产生的液位误差,应选择有温度补偿的产品。
7)泡沫是声波反射不充分的表面,会吸收一部分或是全部的声波脉冲能量,减少或是完全消除回波信号。因此,在被测液面存在泡沫的场合,不能使用。但在泡沫较轻,盲区允许的情况下,可通过加大液位计的功率,来实现测量。
超声波液位计测量原理图
3.3使用位置
  超声波液位计不能使用在测量工况变化剧烈或真空的场合,但污水处理工程一般不存在上述情况,这一优势使超声波液位计在污水处理工程中得以广泛应用。
  除了不能使用在有大量泡沫、液位波动剧烈的地方外,几乎可在污水处理的各个工艺流程中广泛使用,用于测量水池液位、液位差等。
4雷达液位计
4.1测量原理
  超声波、雷达液位计都是利用回波测距原理的仪表。利用电磁波作为能量波的液位计即是雷达液位计,又称微波液位计。
雷达液位计按结构可分为天线式和导波式。天线式通过天线发射和接收电磁波,其结构与超声波液位计最为相似,都属于非接触式仪表。导波式是微波液位计的一种变型,英文名称是Time DomainReflectometry(时域反射法)或简称TDR,也俗称导波雷达,通常采用脉冲波方式工作。与微波液位计不同点在于微波脉冲不是通过空间传播,而是通过一根(或两根)从液位上方伸入、直达容器底的导波体传播。导波体可以是金属硬杆或柔性金属缆绳。微波脉冲沿杆或缆的外侧向下传播,在被测液面上被反射,回波被天线接收,由发射脉冲与回波脉冲的时间差即可计算出传播距离。
  低频雷达具有较大的波束角和较长的波长,使之在有液面扰动或搅拌的情况下能提供最好的回波曲线。但其较大的波束角制约了使用范围。为弥补这一缺陷,在实际产品中,低频雷达多与导波管结合。也就是说,一般导波雷达液位计多使用低频雷达。
4.2优缺点及注意事项
  由于雷达液位计与超声波液位计在测量原理上相同,本文3.2中1~ 5同样适用于雷达液位计。但由于雷达液位计的特殊性,和超声波液位计相比较,还有以下特点:
1)由于微波(电磁波)传播不依赖介质,所以雷达液位计不受介质特性如压力、温度、真空度等影响,所以测量精度较超声波液位计高。可以使用在工况变化较大或有蒸汽等超声液位计不能正常工作的场合。
2)微波(电磁波)以光速传播,使得雷达液位计测量更灵敏,刷新速度更快。

3)表1示出了不同特性的泡沫,对微波、超声波信号的不同影响。由于污水处理工程液位测量所涉几乎全是湿性泡沫,所以雷达液位计可代替超声波液位计在液面有泡沫的场合使用。
4)使用导波雷达,可在带搅拌、液面扰动等复杂工况或安装空间有限的场合实现测量。导波雷达液位计安装在有搅拌器的液体中,若液体流速过快,建议将导波管末端固定,以减少导波管受力。
5)部分产品配套有智能软件,可实现不规则池底的液位测量。
6)雷达液位计比超声波液位计价格稍贵。
4.3使用位置
  由于雷达液位计在有泡沫、带搅拌的测量场合具有优势,它弥补了超声波液位计在上述方面的不足。可以说,雷达液位计适合在污水处理的各个工艺流程中使用,测量水池液位、液位差。
5结语
  液位仪表是污水处理工程不可缺少的重要仪表。它种类繁多,根据介质和现场条件的不同,各类液位计各具优势,形成一个多元化的局面。要找到最适合的产品,只有在液位计选型、安装时,根据各液位计的特点,从测量介质、安装位置、仪表精度、价格、使用寿命、维护成本等多方面综合考虑。随着劳动力和生产成本的不断提高,仪表高精度、免维护性在仪表选型中所占的比重也随之不断增加。因此,在仪表采购成本允许的情况下,建议尽量选择高精度、免维护的仪表。相对于磁翻板液位计和投入式液位计而言,超声波、雷达液位计更符合上述要求。随着电子技术及制作工艺的不断提高,超声波、雷达液位计的价格会不断下降,性能会不断提高,数量会不断增多。

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