物位測量技術，儀表在污水處理行業應用管理

宣志杰

（南通污水處理中心，江蘇 南通226006）

在生產過程中經常需處理大量的液態或固態物料，它們無論是在容器中或其它場地上都占有一定空間或堆成一定高度。兩種不同相物體的相界面位置稱為物位。對物位進行測量、報警、控制的儀表稱為物位測量儀表。 這些儀表根據物位來連續監視及調節容器中流入、流出物料的平衡，以保持最佳生產效率。 或保持在工藝過程要求的一定高度或一定高度范圍內；或對它們上、下極限位置進行限位報警或控制（防止溢出、排空、定量供料等）。

污水處理行業就應用了大量的物位測量儀表。大體分為限位檢測（或稱定點檢測，物位開關）與連續檢測（物位計、物位變送器）兩大類。按物位測量目的分為物料的高度、體積或重量。

常用的物位測量方法有，人工檢尺，直視法，浮子法，浮力法，壓力法，稱重法，重錘探測法，回波測距式法（時間行程法），電容法，能量吸收法，振動阻尼法，運動阻尼法等。對于不同方法的儀表有不同的優缺點。物位測量過程是與被測介質的某些物理參數以及工況條件密切相關的，而工業過程中被測介質及工況條件是千差萬別的，每一種測量物位的方法均有其適用范圍及局限性。 因此對特定的測量場合，要選用一種合適的物位測量方法及儀表，并不總是很容易的。 下面著重介紹使用較為方便的回波測距法。

圖1

1）在回波測距法中，利用某種能量脈沖（超聲波、激光或微波）（圖1）在被測物料面上的反射，并測量從發射至收到反射回波的行程時間來測量物料面的距離，在儲罐中，用儲罐總高度來減去此空罐部份高度，即可得知物位高度，并轉換成相應電訊號輸出。

這類方法測量的基礎是： 能量脈沖在空氣中有固定的傳播速度，在被測物料面上會產生反射。 通常反射的條件是：兩種介質的某種物理特性有差別，能量在相界面上就會產生反射。超聲波在聲阻抗率（密度ρ 與聲速C 的乘積）不同的相界面上會產生反射；微波（無線電波）在不同介電率的相界面上會產生反射；光波在不同折光率的相界面上會產生反射。

優點：非接觸式測量，應用面廣，使用方便。

缺點：超聲波法不適用于高溫、高壓、真空場合。較適合于塊狀、顆粒狀、固態物料物位測量。 微波法適合于高溫、壓力及有揮發場合，但被測物料相對介電常數低時，測量有困難。激光法由于波束角小，可以測量大量程（達數百米），但對被測物料的光學反射性能有一定要求。

2）物位儀表的信號輸出

物位測量儀表的輸出信號分為開關量及連續量兩類。

（1）開關量輸出信號

開關量信號是當被測物位達到某預設位置時發出的信號，物位開關通常用作此目的，有些連續物位計也可根據預設值給出相應的開關信號。物位開關信號只有兩種狀態：正常態（當物位未到達預設值時）；報警態（當物位到達或超過預設值時）。 當設置為高物位報警時，當物位未到達高限時為正常態，達到及超過高限時為報警態。 當作低限報警時，物位高于低限時為正常態，低于低限時為報警態。 此外，開關量信號還可以用作故障狀態報警輸出。

（2）連續量輸出信號

連續量輸出有模擬輸出信號和數字信號兩類。

模擬信號輸出通常采用國際通用的4～20mADC 信號。 但是數控技術及傳感技術的發展希望物位儀表能直接以數字信號傳送給數控系統，測量精確度損失少，抗干擾能力強。 還可以傳送更多的信息如：多參數及自診斷信息。

目前已被廣泛使用的數字信號輸出有以下幾種：

①疊加在4～20mADC 信號上的數字信號輸出 （Hart 通訊輸出）：在物位儀表常規的4～20mADC 模擬輸出信號上疊加數字頻率信號。（通常以Hart 協議編碼），來傳送物位測量值及其它信號，其優點如下：

A）利用已有的4～20mA 傳輸電纜傳送，方便及節約成本。

B） 可在4～20mA 電纜線的任何位置上通過手操器來實現與現場儀表的雙向通訊，除了讀取現場儀表的物位測量值外，還能對其參數設定及進行工作狀態檢查。也可通過控制室中的PLC、DCS 及PC 來實現上述功能。

②用數字通訊口（RS-232/422, 485 等）向PC 機直接輸出數字信號。

③現場總線方式輸出

由于現場總線目前存在多種通訊協議。 為了兼容各種控制系統，必須輸出相應協議的數字信號。常用的協議有：Profibus DP， PA；A-B Remote I/O， Intersor, F.F.等等。

現場總線方式有以下優點：

i）簡化布線，系統中所有測量儀表均共用一對線來進行信息輸出與反饋接收。

ii）可通過計算機系統對測量儀表進行遠程標定及控制，可實現對測量系統的參數設定、啟動投運及系統檢查。當出現故障時，有關故障信息將在計算機屏幕上直接顯示出來。

iii）測量信號的分辨率不受4～20mADC 模擬信號的限制。

iv）數字信號可以更高精確度，更詳細地再現過程狀態，環境對測量系統的影響更易于得到補償，并可作為測量系統的一般數據提供給用戶。

1）超聲波物位計測量原理

超聲波物位計基于回波測距（TOF）原理。 工業中實用的超聲波物位計大多采用氣介導聲的方式，即利用在空氣中傳播的超聲脈沖在被測物體（液面或固態料面）上被反射，并接收其回波，超聲脈沖來回傳播的時間與聲脈沖傳播距離成正比，測出聲脈沖行程時間，就可據之算出物位。 （圖2）

圖2

式中：C——超聲波在空氣中傳播速度

Δt——超聲脈沖來回傳播時間

H——被測物位

L——超聲波換能器輻射面至零位（罐底）的距離

超聲波在空氣中傳播速度C 與超聲頻率及大氣壓力無關，但隨空氣溫度而變，可以近似表示如下：

式中：T——空氣溫度℃

C0——0℃時空氣中聲速，為331.6m/sec

通常是在超聲波換能器中放置熱敏電阻， 檢測周圍空氣溫度，然后根據 不同溫度下的聲速值來計算距離。 在不同于空氣的其它氣體或蒸氣中，聲波傳播速度不同，必須根據實際聲速值來計算距離。

2）超聲波在液體中的傳播與反射

超聲波回波測距最早是應用于水中檢測潛水艇（聲吶）。超聲波在水中傳播時聲速較快（例如水的聲速為1450m/s），傳播衰減也小，故在水等液體中通常使用較高的超聲頻率（幾百千赫～幾兆赫）。 超聲波也是在傳播到不同聲阻抗率的分界面上會產生反射。如果將超聲換能器安裝在容器底部外側（圖3a），發射的超聲波脈沖透過容器壁進入液體， 在傳播到液/氣分界面時反射回來， 再被超聲換能器轉換成電信號。如果液體聲速已知，即可測得液位。早期有過成功的應用，例如50年代末美國土星Ⅴ火箭中， 燃料加注時液位的精密測量就用此方法。但是進一步推廣應用時遇到了困難，因為工業過程中各種罐中的液體不同，聲速有時無法精確知道，因此應用不廣。但是在污水處理中測水中污泥界面時得到成功應用（圖3b）。 超聲換能器從沉淀池上部伸入水中，不斷發射超聲脈沖，并接收水/污泥界面上的反射回波。 水的聲速是已知的，可據之計算出污泥界面高度。 （超聲污泥界面計）

圖3

3）超聲換能器（分體式物位測量計探頭）

超聲換能器用來在電能與聲能之間雙向能量轉換，相當于一個喇叭及微音器（話筒）的組合：在電子檢測單元的電脈沖激勵下發射超聲脈沖，當接收到回波脈沖時再轉換成電信號傳回電子單元處理。

結構：

超聲換能器結構上由激勵元件與外殼組成。激勵元件通常由單片壓電陶瓷或壓電陶瓷片與金屬塊組成的夾心振子來實現，可以設計成不同頻率（圖4）。 為了改善其與空氣的聲匹配，通常用低聲阻抗率的材料組成1/4 波長過渡層，貼在振子的前端，改善聲阻抗匹配以增強聲發射，再將其封裝在外殼中以適應現場較惡劣的工況。

圖4 換能器的結構

在測量大量程、需要發射大功率超聲的場合，可以將幾個振子列陣的方式，例如用3 個振子或7 個振子貼在一塊振子膜片上，來構成一個較大面積的輻射面，以增強發射功率。

通常還將溫度補償用的熱敏電阻溫度傳感器裝入超聲換能器外殼中， 同時將代表溫度的電信號疊加到發/收脈沖中一起傳回電子單元識別處理。 這樣使用較方便，不必另外安裝溫度補償探頭及布線。

波束角

超聲換能器輻射超聲波，并沿著垂直于輻射面的軸線（發射軸線）向前傳播。 （圖5）在保持離輻射面中心等距的條件下，當偏離軸線時聲波強度減少，當聲波強度減小到軸線上值的一半時（-3dB），該點稱為半功率點。 相應的點為一個圓， 和換能器輻射面中心形成一個圓錐，、其圓錐角被定義為(半功率)波束角，它定量地表示了超聲波換能器的指向性。 但并不是圓錐以外就沒有聲波信號了，偏離軸線時聲波的減弱是逐漸的。 同一換能器其發射波束角與接收波束角是相同的。波束角內的障礙物能得到較大的回波，在應用時必須考慮。

圖5 波束圖

換能器的波束角與所發射超聲波的波長（頻率）及換能器輻射面直徑有關：同樣輻射面直徑時，發射超聲波的頻率越高（波長短），波束角越小；同樣頻率下，隨輻射面直徑增大而波束角減小。

在超聲測量物位時，換能器波束角大，發射的超聲波能量分散，并且容易收到干擾回波。 對于較短的容器（10m 以內），12°左右的波束角是合適的，它可以使安裝、對準較容易。 對于較狹且較高的容器，要采用狹波束角（5°或6°）的換能器，可以避免容器壁上焊縫的反射影響及易避開障礙物反射，使測量更可靠。

4）超聲物位計在結構上可以分為以下二類：

（1）一體型：超聲換能器與電子單元合為一體，使用時直接安裝在被測容器頂部或被測物料上方。數字顯示物位并輸出標準4～20mADC模擬信號及其它信號（數字通訊信號及報警信號等）。這種形式的超聲物位計因其安裝使用方便，價格低廉，性能可靠，在水及廢水處理及一般液位測量中得到廣泛應用。 可以耐酸、堿等腐蝕介質，

一般以24VDC 二線制回路供電，可以本安防爆。 但不能耐高溫，長期工作溫度應低于80℃， 量程一般在12m 以內， 主要用于測量液位，是電容式、壓力式等液位計的強力競爭對手。

（2）分體型（如LUT400）

超聲換能器與電子單元互相獨立， 超聲換能器安裝在現場料罐上，電子單元安裝在現場儀表箱內，或遠處控制室內，兩者之間用高頻同軸電纜或雙絞屏蔽線相連，相距可達360m。由于換能器耐環境能力強，耐高溫可達150℃，低溫-40℃，換能器有Kynar,Teflon,PP 等耐腐蝕工程塑料外殼，可用于腐蝕場合。 換 能器可以制成全密封結構，滿足防爆要求，可用于防爆場合，測量量程最大可達100m，是目前超聲物位計的主要形式。

5）安裝

選擇合適的安裝位置對保證測量系統正常工作是非常重要的。應保證超聲換能器與被測物料表面之間不存在任何障礙物，人梯、橫梁、攪拌器等均可能引起干擾回波，故不能太靠邊安裝，加料流也不能進入波束范圍。對于固態物料，因加料時會形成尖峰，卸料時會形成碗狀料面，測量點最好選擇在能反映平均料位的位置上。 安裝時還要考慮最高物位不能進入換能器盲區，否則必須加裝立管，使換能器抬高。

物位測量技術，儀表在污水處理行業應用：

環保工業是超聲波物位計最大的市場。 從水/污水系統到凈水系統，傳感器測量流量、操縱泵、激勵報警器及控制添加劑的庫存等。

1）污水收集系統：提升站/泵站/集水井

在市政水處理廠中，一個地下的重力輸送收集系統將原始污水從住宅及工業用戶，傳送到污水處理廠。 泵站（又稱污水提升泵站）遍及系統的各個位置，下一段管道需要重力助一臂之力。 在泵站內污水被收集在集水井內，從這個過渡點上，污水被泵出提升它到達處理廠。所以液位的把握極為重要。 目前的污水管網泵站各自裝有超聲物位計，但基本上還是電話聯系水位，資源并沒有得到共享。

2）污水處理系統：氧化溝/曝氣池/出水池

氧化溝在污水處理中處在關鍵環節，曝氣池，出水池等水位控制極為嚴格，一旦溢水二次污染，停產，對前一級泵站及管網的壓力不可小視。

我單位在設計中考慮生產需要，集系統性，可行性，一體性，配置基本合理，經濟效能充分體現。 后期維護與管理發現還是有許多需要完善改進的地方。 現就實踐中的一點體會與大家分享。 希望能起到拋磚引玉的作用。現運行的超聲波物位計使用中經常報警，故障。除一次雷擊其余都是缺乏管理經驗。 雷擊是致命的，一次雷擊可能是多臺的損失。 而維護檢修中一個接頭，一個絕緣層破損是高腐蝕水氣進入電纜內蝕斷屏蔽層的主要原因。 以分體型超聲物位計LUT400 為例，電源230V 信號源有脈沖，故障燈閃爍。 將探頭拆下，紅線與黃線10k 歐姆，紅線與地線，黃線與地線有幾兆，且不斷變化。懷疑有斷線，撥開絕緣層發現網狀屏蔽線腐蝕成一小段一小段。維修方法是——將超聲換能器探頭從中間環切外殼，取下換新線蓋上，密封膠密封。接線時注意極性，調試正常。另外新安裝的污泥斗物位計采用運動阻尼法，上下限位開關傳遞開關信號，控制絞龍工作狀態。 深度處理藥池采用玻璃管的直視法。 成本低且實用。

筆者在實踐中總結出幾點：（1） 所有露天安裝的設備雖然有密封，但維修時要避免導線中間沒有接頭與外觀絕緣層完整性。 （2）在每臺獨立設備的電源前端加裝防雷設施，雷雨期前必要的防雷設施更換。 （3）加強巡視，記錄制度化。 從技術措施與制度措施保證生產的安全。

［1］測量儀表與測量技術[M].2 版.機械工業出版社.

［2］物位測量儀表[M].機械工業出版社.