物位测量技术，仪表在污水处理行业应用管理

　　【摘 要】笔者在生产和管理中发现部分测量设备在使用中经常报警故障，甚至损毁。为了安全保质保量生产，笔者对物位测量设备多方查找学习，提出了改进措施和排除故障的方法。 

　　【关键词】原理；物位测量；应用管理 

　　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。 

　　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。 

　　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） 

　　3）超声换能器（分体式物位测量计探头） 

　　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。