物位测量技术，仪表在污水处理行业应用管理

宣志杰

（南通污水处理中心，江苏 南通226006）

在生产过程中经常需处理大量的液态或固态物料，它们无论是在容器中或其它场地上都占有一定空间或堆成一定高度。两种不同相物体的相界面位置称为物位。对物位进行测量、报警、控制的仪表称为物位测量仪表。 这些仪表根据物位来连续监视及调节容器中流入、流出物料的平衡，以保持最佳生产效率。 或保持在工艺过程要求的一定高度或一定高度范围内；或对它们上、下极限位置进行限位报警或控制（防止溢出、排空、定量供料等）。

污水处理行业就应用了大量的物位测量仪表。大体分为限位检测（或称定点检测，物位开关）与连续检测（物位计、物位变送器）两大类。按物位测量目的分为物料的高度、体积或重量。

常用的物位测量方法有，人工检尺，直视法，浮子法，浮力法，压力法，称重法，重锤探测法，回波测距式法（时间行程法），电容法，能量吸收法，振动阻尼法，运动阻尼法等。对于不同方法的仪表有不同的优缺点。物位测量过程是与被测介质的某些物理参数以及工况条件密切相关的，而工业过程中被测介质及工况条件是千差万别的，每一种测量物位的方法均有其适用范围及局限性。 因此对特定的测量场合，要选用一种合适的物位测量方法及仪表，并不总是很容易的。 下面着重介绍使用较为方便的回波测距法。

图1

1）在回波测距法中，利用某种能量脉冲（超声波、激光或微波）（图1）在被测物料面上的反射，并测量从发射至收到反射回波的行程时间来测量物料面的距离，在储罐中，用储罐总高度来减去此空罐部份高度，即可得知物位高度，并转换成相应电讯号输出。

这类方法测量的基础是： 能量脉冲在空气中有固定的传播速度，在被测物料面上会产生反射。 通常反射的条件是：两种介质的某种物理特性有差别，能量在相界面上就会产生反射。超声波在声阻抗率（密度ρ 与声速C 的乘积）不同的相界面上会产生反射；微波（无线电波）在不同介电率的相界面上会产生反射；光波在不同折光率的相界面上会产生反射。

优点：非接触式测量，应用面广，使用方便。

缺点：超声波法不适用于高温、高压、真空场合。较适合于块状、颗粒状、固态物料物位测量。 微波法适合于高温、压力及有挥发场合，但被测物料相对介电常数低时，测量有困难。激光法由于波束角小，可以测量大量程（达数百米），但对被测物料的光学反射性能有一定要求。

2）物位仪表的信号输出

物位测量仪表的输出信号分为开关量及连续量两类。

（1）开关量输出信号

开关量信号是当被测物位达到某预设位置时发出的信号，物位开关通常用作此目的，有些连续物位计也可根据预设值给出相应的开关信号。物位开关信号只有两种状态：正常态（当物位未到达预设值时）；报警态（当物位到达或超过预设值时）。 当设置为高物位报警时，当物位未到达高限时为正常态，达到及超过高限时为报警态。 当作低限报警时，物位高于低限时为正常态，低于低限时为报警态。 此外，开关量信号还可以用作故障状态报警输出。

（2）连续量输出信号

连续量输出有模拟输出信号和数字信号两类。

模拟信号输出通常采用国际通用的4～20mADC 信号。 但是数控技术及传感技术的发展希望物位仪表能直接以数字信号传送给数控系统，测量精确度损失少，抗干扰能力强。 还可以传送更多的信息如：多参数及自诊断信息。

目前已被广泛使用的数字信号输出有以下几种：

①叠加在4～20mADC 信号上的数字信号输出 （Hart 通讯输出）：在物位仪表常规的4～20mADC 模拟输出信号上叠加数字频率信号。（通常以Hart 协议编码），来传送物位测量值及其它信号，其优点如下：

A）利用已有的4～20mA 传输电缆传送，方便及节约成本。

B） 可在4～20mA 电缆线的任何位置上通过手操器来实现与现场仪表的双向通讯，除了读取现场仪表的物位测量值外，还能对其参数设定及进行工作状态检查。也可通过控制室中的PLC、DCS 及PC 来实现上述功能。

②用数字通讯口（RS-232/422, 485 等）向PC 机直接输出数字信号。

③现场总线方式输出

由于现场总线目前存在多种通讯协议。 为了兼容各种控制系统，必须输出相应协议的数字信号。常用的协议有：Profibus DP， PA；A-B Remote I/O， Intersor, F.F.等等。

现场总线方式有以下优点：

i）简化布线，系统中所有测量仪表均共用一对线来进行信息输出与反馈接收。

ii）可通过计算机系统对测量仪表进行远程标定及控制，可实现对测量系统的参数设定、启动投运及系统检查。当出现故障时，有关故障信息将在计算机屏幕上直接显示出来。

iii）测量信号的分辨率不受4～20mADC 模拟信号的限制。

iv）数字信号可以更高精确度，更详细地再现过程状态，环境对测量系统的影响更易于得到补偿，并可作为测量系统的一般数据提供给用户。

1）超声波物位计测量原理

超声波物位计基于回波测距（TOF）原理。 工业中实用的超声波物位计大多采用气介导声的方式，即利用在空气中传播的超声脉冲在被测物体（液面或固态料面）上被反射，并接收其回波，超声脉冲来回传播的时间与声脉冲传播距离成正比，测出声脉冲行程时间，就可据之算出物位。 （图2）

图2

式中：C——超声波在空气中传播速度

Δt——超声脉冲来回传播时间

H——被测物位

L——超声波换能器辐射面至零位（罐底）的距离

超声波在空气中传播速度C 与超声频率及大气压力无关，但随空气温度而变，可以近似表示如下：

式中：T——空气温度℃

C0——0℃时空气中声速，为331.6m/sec

通常是在超声波换能器中放置热敏电阻， 检测周围空气温度，然后根据 不同温度下的声速值来计算距离。 在不同于空气的其它气体或蒸气中，声波传播速度不同，必须根据实际声速值来计算距离。

2）超声波在液体中的传播与反射

超声波回波测距最早是应用于水中检测潜水艇（声呐）。超声波在水中传播时声速较快（例如水的声速为1450m/s），传播衰减也小，故在水等液体中通常使用较高的超声频率（几百千赫～几兆赫）。 超声波也是在传播到不同声阻抗率的分界面上会产生反射。如果将超声换能器安装在容器底部外侧（图3a），发射的超声波脉冲透过容器壁进入液体， 在传播到液/气分界面时反射回来， 再被超声换能器转换成电信号。如果液体声速已知，即可测得液位。早期有过成功的应用，例如50年代末美国土星Ⅴ火箭中， 燃料加注时液位的精密测量就用此方法。但是进一步推广应用时遇到了困难，因为工业过程中各种罐中的液体不同，声速有时无法精确知道，因此应用不广。但是在污水处理中测水中污泥界面时得到成功应用（图3b）。 超声换能器从沉淀池上部伸入水中，不断发射超声脉冲，并接收水/污泥界面上的反射回波。 水的声速是已知的，可据之计算出污泥界面高度。 （超声污泥界面计）

图3

3）超声换能器（分体式物位测量计探头）

超声换能器用来在电能与声能之间双向能量转换，相当于一个喇叭及微音器（话筒）的组合：在电子检测单元的电脉冲激励下发射超声脉冲，当接收到回波脉冲时再转换成电信号传回电子单元处理。

结构：

超声换能器结构上由激励元件与外壳组成。激励元件通常由单片压电陶瓷或压电陶瓷片与金属块组成的夹心振子来实现，可以设计成不同频率（图4）。 为了改善其与空气的声匹配，通常用低声阻抗率的材料组成1/4 波长过渡层，贴在振子的前端，改善声阻抗匹配以增强声发射，再将其封装在外壳中以适应现场较恶劣的工况。

图4 换能器的结构

在测量大量程、需要发射大功率超声的场合，可以将几个振子列阵的方式，例如用3 个振子或7 个振子贴在一块振子膜片上，来构成一个较大面积的辐射面，以增强发射功率。

通常还将温度补偿用的热敏电阻温度传感器装入超声换能器外壳中， 同时将代表温度的电信号叠加到发/收脉冲中一起传回电子单元识别处理。 这样使用较方便，不必另外安装温度补偿探头及布线。

波束角

超声换能器辐射超声波，并沿着垂直于辐射面的轴线（发射轴线）向前传播。 （图5）在保持离辐射面中心等距的条件下，当偏离轴线时声波强度减少，当声波强度减小到轴线上值的一半时（-3dB），该点称为半功率点。 相应的点为一个圆， 和换能器辐射面中心形成一个圆锥，、其圆锥角被定义为(半功率)波束角，它定量地表示了超声波换能器的指向性。 但并不是圆锥以外就没有声波信号了，偏离轴线时声波的减弱是逐渐的。 同一换能器其发射波束角与接收波束角是相同的。波束角内的障碍物能得到较大的回波，在应用时必须考虑。

图5 波束图

换能器的波束角与所发射超声波的波长（频率）及换能器辐射面直径有关：同样辐射面直径时，发射超声波的频率越高（波长短），波束角越小；同样频率下，随辐射面直径增大而波束角减小。

在超声测量物位时，换能器波束角大，发射的超声波能量分散，并且容易收到干扰回波。 对于较短的容器（10m 以内），12°左右的波束角是合适的，它可以使安装、对准较容易。 对于较狭且较高的容器，要采用狭波束角（5°或6°）的换能器，可以避免容器壁上焊缝的反射影响及易避开障碍物反射，使测量更可靠。

4）超声物位计在结构上可以分为以下二类：

（1）一体型：超声换能器与电子单元合为一体，使用时直接安装在被测容器顶部或被测物料上方。数字显示物位并输出标准4～20mADC模拟信号及其它信号（数字通讯信号及报警信号等）。这种形式的超声物位计因其安装使用方便，价格低廉，性能可靠，在水及废水处理及一般液位测量中得到广泛应用。 可以耐酸、碱等腐蚀介质，

一般以24VDC 二线制回路供电，可以本安防爆。 但不能耐高温，长期工作温度应低于80℃， 量程一般在12m 以内， 主要用于测量液位，是电容式、压力式等液位计的强力竞争对手。

（2）分体型（如LUT400）

超声换能器与电子单元互相独立， 超声换能器安装在现场料罐上，电子单元安装在现场仪表箱内，或远处控制室内，两者之间用高频同轴电缆或双绞屏蔽线相连，相距可达360m。由于换能器耐环境能力强，耐高温可达150℃，低温-40℃，换能器有Kynar,Teflon,PP 等耐腐蚀工程塑料外壳，可用于腐蚀场合。 换 能器可以制成全密封结构，满足防爆要求，可用于防爆场合，测量量程最大可达100m，是目前超声物位计的主要形式。

5）安装

选择合适的安装位置对保证测量系统正常工作是非常重要的。应保证超声换能器与被测物料表面之间不存在任何障碍物，人梯、横梁、搅拌器等均可能引起干扰回波，故不能太靠边安装，加料流也不能进入波束范围。对于固态物料，因加料时会形成尖峰，卸料时会形成碗状料面，测量点最好选择在能反映平均料位的位置上。 安装时还要考虑最高物位不能进入换能器盲区，否则必须加装立管，使换能器抬高。

物位测量技术，仪表在污水处理行业应用：

环保工业是超声波物位计最大的市场。 从水/污水系统到净水系统，传感器测量流量、操纵泵、激励报警器及控制添加剂的库存等。

1）污水收集系统：提升站/泵站/集水井

在市政水处理厂中，一个地下的重力输送收集系统将原始污水从住宅及工业用户，传送到污水处理厂。 泵站（又称污水提升泵站）遍及系统的各个位置，下一段管道需要重力助一臂之力。 在泵站内污水被收集在集水井内，从这个过渡点上，污水被泵出提升它到达处理厂。所以液位的把握极为重要。 目前的污水管网泵站各自装有超声物位计，但基本上还是电话联系水位，资源并没有得到共享。

2）污水处理系统：氧化沟/曝气池/出水池

氧化沟在污水处理中处在关键环节，曝气池，出水池等水位控制极为严格，一旦溢水二次污染，停产，对前一级泵站及管网的压力不可小视。

我单位在设计中考虑生产需要，集系统性，可行性，一体性，配置基本合理，经济效能充分体现。 后期维护与管理发现还是有许多需要完善改进的地方。 现就实践中的一点体会与大家分享。 希望能起到抛砖引玉的作用。现运行的超声波物位计使用中经常报警，故障。除一次雷击其余都是缺乏管理经验。 雷击是致命的，一次雷击可能是多台的损失。 而维护检修中一个接头，一个绝缘层破损是高腐蚀水气进入电缆内蚀断屏蔽层的主要原因。 以分体型超声物位计LUT400 为例，电源230V 信号源有脉冲，故障灯闪烁。 将探头拆下，红线与黄线10k 欧姆，红线与地线，黄线与地线有几兆，且不断变化。怀疑有断线，拨开绝缘层发现网状屏蔽线腐蚀成一小段一小段。维修方法是——将超声换能器探头从中间环切外壳，取下换新线盖上，密封胶密封。接线时注意极性，调试正常。另外新安装的污泥斗物位计采用运动阻尼法，上下限位开关传递开关信号，控制绞龙工作状态。 深度处理药池采用玻璃管的直视法。 成本低且实用。

笔者在实践中总结出几点：（1） 所有露天安装的设备虽然有密封，但维修时要避免导线中间没有接头与外观绝缘层完整性。 （2）在每台独立设备的电源前端加装防雷设施，雷雨期前必要的防雷设施更换。 （3）加强巡视，记录制度化。 从技术措施与制度措施保证生产的安全。

［1］测量仪表与测量技术[M].2 版.机械工业出版社.

［2］物位测量仪表[M].机械工业出版社.