流量計，液位計，溫度傳感器在凈水廠中的應用
2017-10-19
在現代化的凈水廠中，每一個生產過程總是與相應的儀表及自控技術有關。儀表能連續(xù)檢測各工藝參數，根據這些參數的數據進行手動或自動控制，從而協(xié)調供需之間、系統(tǒng)各組成部分之間、各水處理工藝之間的關系，以便使各種設備與設施得到更充分、合理的使用。同時，由于檢測儀表測定的數值與設定值可連續(xù)進行比較，發(fā)生偏差時，立即進行調整，從而保證水處理質量。根據儀表檢測的參數，能進一步自動調節(jié)和控制藥劑投加量，保證水泵機組的合理運行，使管理更加科學化，達到經濟運行的目的。由于儀表具有連續(xù)檢測、越限報警的功能，便于及時處理事故。儀表還是實現計算機控制的前提條件。所以在先進的水處理系統(tǒng)中，自動化儀表具有非常重要的作用。
一、水處理系統(tǒng)常用儀表的分類
給水工程所用儀表大致可分為兩大類：一類屬于監(jiān)測生產過程物理參數的儀表，如檢測溫度、壓力、液位、流量等。這類儀表采用國產表，其性能和質量基本能滿足要求。另一類屬于檢測水質的分析儀表，如檢測水的濁度、pH值、溶氧含量、余氯、SCD值等。這些專用儀表在我國發(fā)展比較晚，因此，通常選用國外先進產品，從長遠觀點看是比較經濟、可靠的。
檢測儀表的好壞直接關系到給水自動化的效果。在工程設計過程中，從儀表的性能、質量、價格、備件情況、售后服務等方面進行反復比較，我們一般采用進口儀表和國產儀表相結合的方法。
檢測儀表的好壞直接關系到給水自動化的效果。在工程設計過程中，從儀表的性能、質量、價格、備件情況、售后服務等方面進行反復比較，我們一般采用進口儀表和國產儀表相結合的方法。
二、凈水廠監(jiān)控系統(tǒng)的構成模式及監(jiān)測參數
凈水廠監(jiān)控系統(tǒng)的構成模式
凈水廠的監(jiān)控系統(tǒng)一般由水廠管理層和現場監(jiān)控層兩級系統(tǒng)構成，按集中管理、分散控制的原則進行監(jiān)控。在工程設計中，將廠級計算機系統(tǒng)(即主站)設在水廠中心控制室，各現場監(jiān)控站(即分站)的數量和位置按工藝流程及構筑物的位置、分散程度來定。一般地表水廠現場分站的設置是：進水泵房分站、反應沉淀與加氯加藥分站、過濾分站、送水泵房及變配電室分站、污泥處理分站。各監(jiān)測儀表的數據均送到計算機系統(tǒng)，可在監(jiān)控站的工控機上顯示、控制并打印、記錄、報警。
2.各分站監(jiān)測參數
a.進水泵房分站監(jiān)測參數
水質參數：源水濁度、pH值、水溫、溶解氧等。
運行參數：調節(jié)池水位、吸水井水位、源水流量、泵機分電量、泵站總電量等。
水質參數：源水濁度、pH值、水溫、溶解氧等。
運行參數：調節(jié)池水位、吸水井水位、源水流量、泵機分電量、泵站總電量等。
b.反應沉淀、加氯加藥分站
水質參數：沉淀池出口濁度、濾后余氯、SCD值。
運行參數：沉淀池水位、沉淀前流量、攪拌罐液位、藥池液位、藥液濃度、沉淀池泥位。
水質參數：沉淀池出口濁度、濾后余氯、SCD值。
運行參數：沉淀池水位、沉淀前流量、攪拌罐液位、藥池液位、藥液濃度、沉淀池泥位。
c.過濾分站
水質參數：濾后水濁度、余氯。
運行參數：濾池水位、水頭損失、反沖洗水流量、沖洗水箱水位。
水質參數：濾后水濁度、余氯。
運行參數：濾池水位、水頭損失、反沖洗水流量、沖洗水箱水位。
d.送水泵房及變配電室分站
水質參數：出廠水流量、余氯。
運行參數：出廠水壓力、流量、清水池水位、吸水井水位、交流電壓、交流電流、電量等。
水質參數：出廠水流量、余氯。
運行參數：出廠水壓力、流量、清水池水位、吸水井水位、交流電壓、交流電流、電量等。
e.污泥處理分站
運行參數：回流池水位、水量、濃縮池水位、回流水濁度。
三、水處理系統(tǒng)常用儀表在選型及設計中應注意的問
運行參數：回流池水位、水量、濃縮池水位、回流水濁度。
三、水處理系統(tǒng)常用儀表在選型及設計中應注意的問
1.儀表選配的一般要求
(1)精確度：是指在正常使用條件下，儀表測量結果的準確程度，誤差越小，精確度越高。
生產過程物理檢測儀表的精確度為±1%，水質分析儀表的精確度為±2%(測高濁水的濁度儀的精確度為±5%)。
生產過程物理檢測儀表的精確度為±1%，水質分析儀表的精確度為±2%(測高濁水的濁度儀的精確度為±5%)。
(2)響應時間：當對被測量進行測量時，儀表指示值總要經過一段時間才能顯示出來，這段時間即為儀表的響應時間。一只儀表能不能盡快反應出參數變化的情況，是很重要的指標。對水質分析儀表要求的響應時間應不超過3min。
(3)輸出信號：儀表的模擬輸出應是4～20mADC信號，負載能力不小于600Ω。
(4)儀表的防護等級應滿足所在環(huán)境的要求，一般應不低于IP65，用于藥劑投加系統(tǒng)的檢測儀表要求能耐腐蝕。
(5)四線制的儀表電源多為220VAC、50Hz，兩線制的儀表電源為24VDC。
(6)現場監(jiān)測儀表宜選用數顯儀。
(7)儀表的工作電源應獨立，不應和計算機共用電源，以保證發(fā)生故障和檢修時電源互不干擾，使各自都能穩(wěn)定可靠地運行。
(8)為使計算機能檢測到電壓互感器和電流互感器的異常信號并報警，設計選配的電壓及電流變送器的輸入信號應比電流及電壓互感器大，即分別為0～6A及0～120V。
(9)應選擇能夠提供可靠服務和有豐富經驗的儀表生產廠商。
2.水位測量
選擇液位計時應考慮以下因素：
(1)測量對象，如被測介質的物理和化學性質，以及工作壓力和溫度、安裝條件、液位變化的速度等;
(2)測量和控制要求，如測量范圍、測量(或控制)精確度、顯示方式、現場指示、遠距離指示、與計算機的接口、安全防腐、可靠性及施工方便性。
給水工程中常用的液位計及選型要點如下：
a.浮球式液位計
在液體中放入一個空心的浮球，當液位變化時，浮球將產生與液位變化相同的位移。可用機械或電的方法來測得浮球的位移，其精確度為±(1～2)%，這種液位計不適用于高粘度的液體，其輸出端有開關控制和連續(xù)輸出。
在凈水廠的設計中，多將此種液位計用于集水井的液位測量以控制排水泵的自動開停。
在凈水廠的設計中，多將此種液位計用于集水井的液位測量以控制排水泵的自動開停。
b.靜壓(或差壓)式液位計
由于液柱的靜壓與液位成正比，因此利用壓力表測量基準面上液柱的靜壓就可測得液位。根據被測介質的密度及液體測量范圍計算出壓力或壓差范圍，再選用量程、精確度等性能合適的壓力表或差壓表。這種液位計的精確度為±(0.5～2)%。
c.電容式液位計
在容器內插入電極，當液位變化時，電極內部介質改變，電極間(或電極與容器壁之間)的電容也隨之變化，該電容量的變化再轉換成標準化的直流電信號。其精確度為±(0.5～1.5)%。
電容式液位計具有以下優(yōu)點：傳感器無機械可動部分，結構簡單、可靠;精確度高;檢測端消耗電能小，動態(tài)響應快;維護方便，壽命長。缺點是被測液體的介電常數不穩(wěn)定會引起誤差。電容式液位計一般用于調節(jié)池、清水池等的液位測量。
當測量范圍不超過2m時，采用棒狀、板狀、同軸電極;當超過2m時，采用纜式電極。當被測介質為水時，采用帶絕緣層(可用聚乙烯)的電極。
d.超聲液位計
超聲液位計的傳感器由一對發(fā)射、接收換能器組成。發(fā)射換能器面對液面發(fā)射超聲波脈沖，超聲波脈沖從液面上反射回來，被接收換能器接收。根據發(fā)射至接收的時間可確定傳感器與液面之間的距離，即可換算成液位。其精確度為±0.5%。
這種液位計無機械可動部分，可靠性高，安裝簡單、方便，屬于非接觸測量，且不受液體的粘度、密度等影響，因此多用于藥池、藥罐、排泥水池等的液位測量。但此種方法有一定的盲區(qū)，且價格較貴。
流量測量
流量測量分為兩種，一種用于流量檢測，參與過程控制，以達到提高生產自動化水平，改善生產工藝條件，提高產品質量和產量的目的。另一種用于流量的計量，不僅計量產品的產量，還是供水企業(yè)主要技術經濟指標計算的依據。在供水企業(yè)最主要的8項經濟指標中，有3項指標是以流量計測量的數據為基礎的。
流量計的選型應考慮以下因素：
(1)任何型號的流量計都必須有國家計量部門檢定的證書方可選用。
(2)流量計本身的壓力損失要小。
(3)根據行業(yè)要求，流量計的準確度應不低于2.5級。
(4)安裝現場條件應滿足所選流量計對直管段的要求。
(5)所選流量計應能適應安裝現場環(huán)境條件如溫度、濕度、電磁干擾等。
(6)所選流量計應能適用于待測的液體介質。
目前，在給水工程設計中，采用最多的是電磁流量計和超聲流量計。
電磁流量計
電磁流量計的原理是應用法拉弟電磁感應定律，由傳感器和轉換器組成。
在測量中，液體本身為導體，磁場通過安裝在管路中的兩個線圈產生。線圈由交流或直流電源勵磁，磁場作用于管道內流動的液體，在管道中產生一個與被測流體平均流速V相對應的電壓，且該電壓與流體的流速分布無關。
在測量中，液體本身為導體，磁場通過安裝在管路中的兩個線圈產生。線圈由交流或直流電源勵磁，磁場作用于管道內流動的液體，在管道中產生一個與被測流體平均流速V相對應的電壓，且該電壓與流體的流速分布無關。
與管道絕緣的兩個電極監(jiān)測液體的感應電壓。磁場方向、流體流向及兩個檢測電極的相對位置三者互相垂直。
電磁流量計的優(yōu)點：
(1)測量不受被測液體的溫度、壓力或粘度的影響。
(2)沒有壓力損失。
(3)能連續(xù)測量，測量精確度高。
(4)口徑范圍和測量范圍大，測量范圍連續(xù)可調。
(5)與流速分布無關。
(6)前后直管段較短，前置直管段為5D(D為儀表的直徑)，后置直管段為3D。
(7)穩(wěn)定性好，輸出為標準化信號，可方便地進入自控系統(tǒng)。
(8)變送器導管內壁有襯里材料，具備良好的耐腐、耐磨性。
(9)轉換器體積小，消耗功率小，抗干擾性能強，便于現場觀察。
應用于水處理系統(tǒng)的電磁流量計的襯里材料多選用氯丁橡膠，因其有較好的耐磨性。安裝時應注意遠離外界的電磁場源，以免影響傳感器的工作磁場及流量信號，傳感器水平安裝時，要求兩個電極的中心軸線處于水平狀態(tài)，防止顆粒雜質沉積，影響電極工作。測量管內應為滿管，不允許大量氣泡通過傳感器，當不能滿足條件時，應采取相應措施。
為使儀表可靠地工作，提高測量精確度，不受外界寄生電勢的干擾，傳感器應有良好的單獨接地線，且接地電阻應小于10Ω，尤其是安裝在陰極保護管道上時。如在天津水源廠出廠干管上安裝的電磁流量計，由于管道采用了陰極保護，防護電解腐蝕的管道內壁和外壁之間是絕緣的，被測介質沒有接地電位，所以，將傳感器接地環(huán)裝在傳感器的兩個端面上，與連接管道的法蘭絕緣。傳感器與接地環(huán)用接地線相連，并引至接地極。管道法蘭之間用電纜相連但不連到傳感器上。法蘭連接螺栓用絕緣襯套和墊圈隔離。該電磁流量計自投產使用以來，效果一直較好。
轉換器應安裝在符合其防護等級要求的場所，在滿足安裝環(huán)境、使用要求的前提下，轉換器與傳感器之間的距離和連接電纜越短越好，以節(jié)約投資，減少可能產生的強電信號的干擾。
超聲流量計
最近十幾年來，由于電子技術的發(fā)展，超聲流量計才得以應用于流量測量。利用超聲流量計進行測量的方法有很多種，其中較為典型的是時差法和多普勒法。凈水廠多選用時差法流量計，其方法是在測量管道上安裝兩個換能器，因順流與逆流流速差別的影響，測量從發(fā)射到接收而產生的時間差，據此測出流速。
超聲流量計的主要優(yōu)點：
(1)安裝維護方便。隨著夾裝式傳感器的廣泛使用，在安裝和維護超聲流量計時不需在管道上打孔或切斷流量，就可在已存在的應用場合很方便地進行安裝，尤其適用于大口徑管道檢測系統(tǒng)。
(2)口徑范圍大，且價格不受管徑影響。
(3)測量可靠性高。
(4)無壓力損失。
(5)不受流體參數影響。
(6)輸出標準化直流信號，可方便地進入自控系統(tǒng)。
選用超聲流量計要特別注意傳感器的安裝誤差、管道內壁結垢、防腐層均勻與否，這些因素對測量結果影響很大。另據超聲流量計的測量原理，只有流速分布均勻時才能保證測量的精確度，所以在流量計的上下游要有足夠的直管段，參考各種資料及流量計的使用手冊，要求上游最少不小于10D，下游大于5D。
由于自來水行業(yè)為連續(xù)生產，進行不間斷計量是極為重要的，所以一般安裝于管道上的流量計不能經常拆卸送檢，一般做法是采用精確度較高的便攜式超聲流量計，按周期送國家認證單位進行校準，作為企業(yè)的標準器具，再用比對的方式定期檢測在線流量計。這需要設計人員在設計時應根據使用單位要求，考慮將來生產管理的需要，預留出比對測量的空間，以方便用戶，即將流量計井做得稍大一些，除安裝固定式流量計外，還應如圖1所示預留出便攜式流量計測量的空間。
濁度的測量
濁度是水體渾濁程度的度量，也就是水體中存在微細分散的懸浮性粒子，使水透明度降低的程度。濁度儀是測量水體渾濁程度的儀器，主要用于對水質的監(jiān)測和管理。
凈水廠負責供應居民生活用水和工業(yè)用水，供水的質量直接涉及人民的健康、安全，以及食品、釀造、醫(yī)藥、紡織、印染、電力等各行各業(yè)的正常生產和產品質量。濁度是一項很重要的水質指標，因此對濁度儀的選擇顯得尤為重要。濁度儀可分為目視濁度儀和光電濁度儀兩大類。光電濁度儀就其用途可分為工藝監(jiān)控(連續(xù)測定)濁度儀和實驗室(包括便攜式)濁度儀，就其設計原理又可分為透射光濁度儀和散射光濁度儀。
凈水廠負責供應居民生活用水和工業(yè)用水，供水的質量直接涉及人民的健康、安全，以及食品、釀造、醫(yī)藥、紡織、印染、電力等各行各業(yè)的正常生產和產品質量。濁度是一項很重要的水質指標，因此對濁度儀的選擇顯得尤為重要。濁度儀可分為目視濁度儀和光電濁度儀兩大類。光電濁度儀就其用途可分為工藝監(jiān)控(連續(xù)測定)濁度儀和實驗室(包括便攜式)濁度儀，就其設計原理又可分為透射光濁度儀和散射光濁度儀。
由于散射光濁度儀對水的低濁度有較高的靈敏度，準確度高，相對誤差小，重復性好，水的色度不顯示濁度，且散射光與入射光強度比可呈線性關系，故1992年9月世界衛(wèi)生組織公布的《飲用水水質準則》中規(guī)定將散射光濁度儀作為測定儀器。同時，“供水行業(yè)2000年技術進步發(fā)展規(guī)劃”中已明確規(guī)定一類水司管網水濁度指標為1NTU。
在凈水廠設計中常用HACH公司的1720D、SS6系列濁度儀(屬于散射光式濁度儀)。
在濾后水及出廠水的測量中，一般采用1720D(原為1720C)系列濁度儀。使用時水樣連續(xù)流入濁度儀，流經脫泡器以排空水流中的氣泡，然后進入濁度儀的中柱內，上升至測量室并溢過其邊緣進入排放口。聚光束從傳感器頭部組件中向下投射到濁度儀主體內的水樣中，浸在水樣中的光電管測量水中懸浮固體90°方向的散射光，散射光的量與水樣的濁度成正比。1720D不需采用樣品池，這樣可減少雜散光，提高測量準確度。1720D的準確度為：0～40NTU范圍內為±2%，40～100NTU范圍內為±5%，分辨力為0.001NTU，響應時間為75s。
在凈水廠設計中常用HACH公司的1720D、SS6系列濁度儀(屬于散射光式濁度儀)。
在濾后水及出廠水的測量中，一般采用1720D(原為1720C)系列濁度儀。使用時水樣連續(xù)流入濁度儀，流經脫泡器以排空水流中的氣泡，然后進入濁度儀的中柱內，上升至測量室并溢過其邊緣進入排放口。聚光束從傳感器頭部組件中向下投射到濁度儀主體內的水樣中，浸在水樣中的光電管測量水中懸浮固體90°方向的散射光，散射光的量與水樣的濁度成正比。1720D不需采用樣品池，這樣可減少雜散光，提高測量準確度。1720D的準確度為：0～40NTU范圍內為±2%，40～100NTU范圍內為±5%，分辨力為0.001NTU，響應時間為75s。
測量濾后水的濁度儀多安裝于濾站管廊內，可采用壁掛或柜裝，出廠水的測量一般在送水泵房設置水質儀表間，將濁度儀及其他水質檢測儀表置于儀表間內，再將信號引至監(jiān)控站。
雖然1720D的測量范圍為0～100NTU，但最好不用其測量濾前水，因為雖然光學上能測到100NTU，但在生產使用上會帶來許多不便。測量源水及濾前水多使用SS6系列表面散射式濁度儀，它是將光束射在液體表面，測定來自液面的散射光，避免了光學系統(tǒng)與水樣直接接觸，消除了清洗流通池時帶來的信號丟失。
SS6系列的測量范圍為0～9999NTU，一般地表水廠的源水均在此范圍內。它在0～2000NTU范圍內的準確度為±5%，2000～9999NTU范圍內準確度為±10%。
濁度儀取樣點的選擇應與工藝專業(yè)緊密結合，選取最有代表性的點，取樣孔最好不要開在被取樣管道的頂部，避免將管道中的氣泡抽進取樣管而影響濁度儀的測量準確度，水樣的提取最好用小型采樣泵取樣，保證取樣管內有一定流速，不易在管道內壁結垢。取樣管道的口徑應根據儀表取樣水的總需要量決定。
顯示儀表的選用
一般凈水廠工程多選用智能化顯示儀表，其功能齊全，能進行數字信號處理，實現控制功能，而且測量值以液晶顯示，操作方便，可以保存數據，具有自診斷功能。雖然與計算機系統(tǒng)聯網后，它的優(yōu)勢沒有完全發(fā)揮出來，而被計算機系統(tǒng)所取代，但在目前凈水廠的建設中，使用智能化的顯示儀表作為在計算機系統(tǒng)未調試投運階段或發(fā)生故障時的輔助儀表，也能滿足現場控制、顯示的要求。
在某些情況下，同時需要本地顯示與遠程傳送，此時不宜采取信號串聯方式，而應采用信號分配器，即1路輸入，兩路輸出，一路輸出送顯示儀表，另一路輸出可輸入PLC，如常用的WS15242。
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