【分享】自动化仪表在水处理系统中的应用（收集）

目前，在给水工程设计中，采用最多的是电磁流量计和超声流量计。



a. 电磁流量计



电磁流量计的原理是应用法拉弟电磁感应定律，由传感器和转换器组成。



在测量中，液体本身为导体，磁场通过安装在管路中的两个线圈产生。线圈由交流或直流电源励磁，磁场作用于管道内流动的液体，在管道中产生一个与被测流体平均流速V相对应的电压，且该电压与流体的流速分布无关。



与管道绝缘的两个电极监测液体的感应电压。磁场方向、流体流向及两个检测电极的相对位置三者互相垂直。



电磁流量计的优点：



(1)测量不受被测液体的温度、压力或粘度的影响。

(2)没有压力损失。

(3)能连续测量，测量精确度高。

(4)口径范围和测量范围大，测量范围连续可调。

(5)与流速分布无关。

(6)前后直管段较短，前置直管段为5D(D为仪表的直径)，后置直管段为3D。

(7)稳定性好，输出为标准化信号，可方便地进入自控系统。

(8)变送器导管内壁有衬里材料，具备良好的耐腐、耐磨性。

(9)转换器体积小，消耗功率小，抗干扰性能强，便于现场观察。



应用于水处理系统的电磁流量计的衬里材料多选用氯丁橡胶，因其有较好的耐磨性。安装时应注意远离外界的电磁场源，以免影响传感器的工作磁场及流量信号，传感器水平安装时，要求两个电极的中心轴线处于水平状态，防止颗粒杂质沉积，影响电极工作。测量管内应为满管，不允许大量气泡通过传感器，当不能满足条件时，应采取相应措施。



为使仪表可靠地工作，提高测量精确度，不受外界寄生电势的干扰，传感器应有良好的单独接地线，且接地电阻应小于10Ω，尤其是安装在阴极保护管道上时。如在天津水源厂出厂干管上安装的电磁流量计，由于管道采用了阴极保护，防护电解腐蚀的管道内壁和外壁之间是绝缘的，被测介质没有接地电位，所以，将传感器接地环装在传感器的两个端面上，与连接管道的法兰绝缘。传感器与接地环用接地线相连，并引至接地极。管道法兰之间用电缆相连但不连到传感器上。法兰连接螺栓用绝缘衬套和垫圈隔离。该电磁流量计自投产使用以来，效果一直较好。



转换器应安装在符合其防护等级要求的场所，在满足安装环境、使用要求的前提下，转换器与传感器之间的距离和连接电缆越短越好，以节约投资，减少可能产生的强电信号的干扰。



b. 超声流量计



最近十几年来，由于电子技术的发展，超声流量计才得以应用于流量测量。利用超声流量计进行测量的方法有很多种，其中较为典型的是时差法和多普勒法。净水厂多选用时差法流量计，其方法是在测量管道上安装两个换能器，因顺流与逆流流速差别的影响，测量从发射到接收而产生的时间差，据此测出流速。



超声流量计的主要优点：



(1)安装维护方便。随着夹装式传感器的广泛使用，在安装和维护超声流量计时不需在管道上打孔或切断流量，就可在已存在的应用场合很方便地进行安装，尤其适用于大口径管道检测系统。

(2)口径范围大，且价格不受管径影响。

(3)测量可靠性高。

(4)无压力损失。

(5)不受流体参数影响。

(6)输出标准化直流信号，可方便地进入自控系统。



选用超声流量计要特别注意传感器的安装误差、管道内壁结垢、防腐层均匀与否，这些因素对测量结果影响很大。另据超声流量计的测量原理，只有流速分布均匀时才能保证测量的精确度，所以在流量计的上下游要有足够的直管段，参考各种资料及流量计的使用手册，要求上游最少不小于10D，下游大于5D。

由于自来水行业为连续生产，进行不间断计量是极为重要的，所以一般安装于管道上的流量计不能经常拆卸送检，一般做法是采用精确度较高的便携式超声流量计，按周期送国家认证单位进行校准，作为企业的标准器具，再用比对的方式定期检测在线流量计。这需要设计人员在设计时应根据使用单位要求，考虑将来生产管理的需要，预留出比对测量的空间，以方便用户，即将流量计井做得稍大一些，除安装固定式流量计外，还应如图1所示预留出便携式流量计测量的空间。




图1：便携式流量计预留测量空间示意图





4.浊度的测量



浊度是水体浑浊程度的度量，也就是水体中存在微细分散的悬浮性粒子，使水透明度降低的程度。浊度仪是测量水体浑浊程度的仪器，主要用于对水质的监测和管理。



净水厂负责供应居民生活用水和工业用水，供水的质量直接涉及人民的健康、安全，以及食品、酿造、医药、纺织、印染、电力等各行各业的正常生产和产品质量。浊度是一项很重要的水质指标，因此对浊度仪的选择显得尤为重要。浊度仪可分为目视浊度仪和光电浊度仪两大类。光电浊度仪就其用途可分为工艺监控(连续测定)浊度仪和实验室(包括便携式)浊度仪，就其设计原理又可分为透射光浊度仪和散射光浊度仪。



由于散射光浊度仪对水的低浊度有较高的灵敏度，准确度高，相对误差小，重复性好，水的色度不显示浊度，且散射光与入射光强度比可呈线性关系，故1992年9月世界卫生组织公布的《饮用水水质准则》中规定将散射光浊度仪作为测定仪器。同时，“供水行业2000年技术进步发展规划”中已明确规定一类水司管网水浊度指标为1NTU。



在净水厂设计中常用HACH公司的1720D、SS6系列浊度仪(属于散射光式浊度仪)。



在滤后水及出厂水的测量中，一般采用1720D(原为1720C)系列浊度仪。使用时水样连续流入浊度仪，流经脱泡器以排空水流中的气泡，然后进入浊度仪的中柱内，上升至测量室并溢过其边缘进入排放口。聚光束从传感器头部组件中向下投射到浊度仪主体内的水样中，浸在水样中的光电管测量水中悬浮固体90°方向的散射光，散射光的量与水样的浊度成正比。1720D不需采用样品池，这样可减少杂散光，提高测量准确度。1720D的准确度为：0~40NTU范围内为±2%，40~100NTU范围内为±5%，分辨力为0.001NTU，响应时间为75s。



测量滤后水的浊度仪多安装于滤站管廊内，可采用壁挂或柜装，出厂水的测量一般在送水泵房设置水质仪表间，将浊度仪及其他水质检测仪表置于仪表间内，再将信号引至监控站。



虽然1720D的测量范围为0~ 100NTU，但最好不用其测量滤前水，因为虽然光学上能测到100NTU，但在生产使用上会带来许多不便。测量源水及滤前水多使用SS6系列表面散射式浊度仪，它是将光束射在液体表面，测定来自液面的散射光，避免了光学系统与水样直接接触，消除了清洗流通池时带来的信号丢失，如图2所示。







SS6系列的测量范围为0~9999NTU，一般地表水厂的源水均在此范围内。它在0~2000NTU范围内的准确度为±5%，2000~9999NTU范围内准确度为±10%。



浊度仪取样点的选择应与工艺专业紧密结合，选取最有代表性的点，取样孔最好不要开在被取样管道的顶部，避免将管道中的气泡抽进取样管而影响浊度仪的测量准确度，水样的提取最好用小型采样泵取样，保证取样管内有一定流速，不易在管道内壁结垢。取样管道的口径应根据仪表取样水的总需要量决定。


图2：SS6系列表面散射式浊度仪测量原理图




5. 显示仪表的选用



一般净水厂工程多选用智能化显示仪表，其功能齐全，能进行数字信号处理，实现控制功能，而且测量值以液晶显示，操作方便，可以保存数据，具有自诊断功能。虽然与计算机系统联网后，它的优势没有完全发挥出来，而被计算机系统所取代，但在目前净水厂的建设中，使用智能化的显示仪表作为在计算机系统未调试投运阶段或发生故障时的辅助仪表，也能满足现场控制、显示的要求。



在某些情况下，同时需要本地显示与远程传送，此时不宜采取信号串联方式，而应采用信号分配器，即1路输入，两路输出，一路输出送显示仪表，另一路输出可输入PLC，如常用的WS15242，如图3所示。


图3：信号分配器接线示意图



6. 仪表系统的接地和防雷



接地可分为保护接地和工作接地。保护接地是为避免工作人员因设备绝缘损坏或绝缘性能下降时遭受触电危险和保护设备的安全。工作接地是为保证仪表稳定可靠地运行。一般净水厂仪表系统的接地采用TN-S系统，即3根相线A、B、C，1根中性线N即保护线PE。用电设备的外露可导电部分接到PE线上，其优点是PE线在正常工作时不呈现电流，因此设备的外露可导电部分不呈现对地电压而且在事故时也容易切断电源，有较强的电磁适应性，避免了高次谐波的干扰。



工作接地的原则是单点接地。由于对地电位差的存在，如果出现一个以上的接地点就会形成地回路，将干扰引入仪表中，所以，同一信号回路、同一屏蔽层只能有一个接地点。



仪表工作接地可单独设置或与保护接地共用同一接地体。从工程实践经验来看，接地电阻一般应不超过1Ω。



一般净水厂设施分散，构筑物低矮，地形平坦、空旷，特别是有些流量计井位于厂区之外，在这种情况下，仪表设备的被雷击率增加。在实践中，笔者多次遇到过雷击损坏仪表或仪表不明原因损坏的事件。因此，安装品质优良，动作可靠的避雷器，是不可缺少的保护措施，如采用德国Pepperl+Fuchs公司的ESP系列避雷栅用于流量计的信号和电源的保护，效果良好。



五、总结



(1)要实现净水厂的现代化管理，必须使用自动化仪表。

(2)设计人员应站在用户的角度上，为用户着想，在设计与选用仪表时，应做到：稳定可靠，操作简单，安装方便，物美价廉，连续测量，反应灵敏，互换性强，便于维护。

(3)设计人员平时应注意技术资料的收集、整理，以便于消化吸收。

(4)净水厂建成通水，仪表正确投入使用后，设计人员应多下现场，对仪表的使用情况做跟踪调查，了解仪表的工作情况，及时总结经验，以利于今后的设计工作日趋完善。