導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在污水明渠流量測(cè)量中的應(yīng)用

沈攀攀（中國(guó)昆侖工程公司，北京 100037）

1 引言

在逸盛大化PTA污水處理項(xiàng)目中，排放的污水是一種比較難處理的化工污水，具有水質(zhì)水量均波動(dòng)較大的特點(diǎn)，需設(shè)置多個(gè)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)中和、厭氧反應(yīng)等處理。在污水處理過(guò)程中，設(shè)計(jì)了厭氧計(jì)量矩形堰，用于測(cè)量污水流量。然而，矩形堰的工藝條件比較苛刻，給流量計(jì)選型造成了一定的困難。具體條件為：（1）計(jì)量堰為矩形堰，常規(guī)的管道式流量計(jì)均不能選用，需選擇明渠流量計(jì)與其配合測(cè)量；（2）廠址位于大連市，環(huán)境溫度變化較大，冬季最低溫度可以達(dá)到零下二十幾度；（3）水質(zhì)水量變化比較大，計(jì)量堰的水面積存了大量稠密的泡沫，影響儀表的準(zhǔn)確測(cè)量。

針對(duì)以上的工藝條件，本文分析了兩種常用的測(cè)量?jī)x表的應(yīng)用，并討論了此兩類(lèi)儀表應(yīng)用的局限性，最后介紹了本項(xiàng)目的儀表選型和測(cè)量方法：由導(dǎo)波雷達(dá)測(cè)量堰上水頭液位，再通過(guò)計(jì)量堰流量的公式，將液位轉(zhuǎn)為明渠流量值。經(jīng)項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用，此種測(cè)量方法較好地解決了這一測(cè)量問(wèn)題。

2 明渠的測(cè)量原理

明渠流量的測(cè)量方式主要有節(jié)流式測(cè)量和潛水型電磁流量計(jì)兩種形式。潛水型電磁流量計(jì)為密封式結(jié)構(gòu)，整個(gè)傳感器浸在污水中，污水只從電磁流量計(jì)中流過(guò)，從而測(cè)量流量。但是，污水中含有的化學(xué)物質(zhì)或夾帶的活性污泥都會(huì)影響到電磁流量計(jì)的正常運(yùn)行，并且污水中通常含有大量的雜質(zhì)，電導(dǎo)率不穩(wěn)定，采用電磁流量計(jì)測(cè)量，會(huì)引起流量計(jì)精確度的嚴(yán)重飄移，造成計(jì)量不準(zhǔn)。因此，在對(duì)污水進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先選用節(jié)流式測(cè)量方式。

節(jié)流式測(cè)量方式是在明渠中安裝量水器具（堰、槽）,器具對(duì)明渠中的被測(cè)流體形成約束阻力，從而在量水器具的上、下游形成液位差，此液位差與明渠橫截面上平均流速成對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果能保證量水器具下游出口的液位不變，測(cè)量上游液位即可得出明渠橫截面的平均流速，從而得出明渠的流量。

明渠流量計(jì)由量水器具和液位計(jì)組成。量水器具分為堰式、槽式兩大類(lèi)，常用的有三角堰、矩形堰、帕歇爾槽等。液位計(jì)最常用的為超聲波液位計(jì)。本文選取兩種液位計(jì)：超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)，分析液位計(jì)對(duì)此工況的應(yīng)用情況，并介紹本項(xiàng)目的儀表選型和應(yīng)用：采用導(dǎo)波雷波雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

3 兩種液位計(jì)的應(yīng)用分析

3.1 超聲波明渠流量計(jì)的應(yīng)用分析

測(cè)量明渠流量時(shí)，應(yīng)用最為廣泛的即為超聲波液位計(jì)。超聲波液位計(jì)采用非接觸的測(cè)量方式，適用于液體、固體、有毒介質(zhì)的測(cè)量。測(cè)量原理為由發(fā)送器發(fā)射超聲波脈沖，聲波到達(dá)液面形成反射波，該反射波又被接收器接收。由計(jì)時(shí)電路測(cè)量發(fā)射波和反射波的傳播時(shí)間，以及聲波的傳播速度，經(jīng)過(guò)運(yùn)算即可得出液面高度。

超聲波液位計(jì)具有測(cè)量距離遠(yuǎn)，精度較高的特點(diǎn)，并且儀表價(jià)格不高，因此適用范圍較廣。然而，由于測(cè)量原理的限制，液位計(jì)的測(cè)量易受到溫度、濕度、氣壓的影響。研究表明，聲波的傳播速度隨著溫度的增加而提高，表現(xiàn)為溫度增加1℃，聲速增加約為0.17%/℃，氣壓每變化0.1kPa，聲速約變化0.05%，可見(jiàn)聲速受溫度影響顯著。超聲波液位計(jì)帶有內(nèi)置溫度傳感器，可對(duì)溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。但顯然，超聲波液位計(jì)不適用于溫度變化較大的設(shè)備或場(chǎng)合，如果探頭處與液面處的溫度差較大，會(huì)影響測(cè)量。

分析超聲波液位計(jì)應(yīng)用于本項(xiàng)目的使用情況：（1）工廠位于北方城市，冬季環(huán)境溫度可達(dá)到零下二十幾度，但是流體的溫度為33℃，與環(huán)境溫度差別很大。由于超聲波的傳播速度與溫度成正比，因此溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響是很顯著的；（2）流體表面容易產(chǎn)生霧氣，霧氣會(huì)形成對(duì)超聲波有吸收和散射作用的霧汽層，影響儀表測(cè)量；（3）水面上存在稠密的泡沫，超聲波液位計(jì)需要液面反射良好，當(dāng)污水表面存在泡沫等漂浮物時(shí)，聲阻加大，反射波強(qiáng)度減弱甚至消失，從而影響測(cè)量結(jié)果。顯然，超聲波液位計(jì)不適用于此種工況。

3.2 非接觸式的雷達(dá)液位計(jì)的應(yīng)用分析

非接觸式的雷達(dá)液位計(jì)能夠?qū)σ后w、漿料、淤泥、固料進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量，可用于真空設(shè)備的測(cè)量，幾乎不受被測(cè)介質(zhì)溫度、壓力、易燃易爆特性的影響；且由于雷達(dá)液位計(jì)利用電磁波進(jìn)行檢測(cè)，電磁波可穿透蒸汽、粉塵等干擾源，抗干擾性強(qiáng)，應(yīng)用范圍非常廣泛。雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量方式與超聲波液位計(jì)類(lèi)似，不同之處為雷達(dá)液位計(jì)是由天線發(fā)射超高頻電磁波，當(dāng)電磁波碰到液面后反射回來(lái)仍由天線接收，儀表檢測(cè)出發(fā)射波及回波的時(shí)差，由計(jì)算得出液面高度。

相較于超聲波液位計(jì)，電磁波的傳播無(wú)需通過(guò)空氣，環(huán)境溫度和流體溫度不會(huì)影響測(cè)量，并且雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量不受介質(zhì)密度變化的影響；但是，由雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量原理決定，雷達(dá)液位計(jì)需接收電磁波的反射才能完成測(cè)量。本項(xiàng)目中，水面上積存著大量稠密的泡沫。泡沫按照屬性可以分為：干泡沫、濕泡沫、中性泡沫、重型泡沫。干泡沫和濕泡沫能將雷達(dá)波反射回來(lái)，對(duì)測(cè)量的影響不大，但中性泡沫會(huì)吸收和擴(kuò)散雷達(dá)波，導(dǎo)致影響反射甚至沒(méi)有回波。當(dāng)介質(zhì)表面為稠密的泡沫時(shí)，儀表無(wú)法測(cè)量。因此，非接觸式的雷達(dá)液位計(jì)無(wú)法排除泡沫的影響，也不適用于此工況。

近日，水利部發(fā)布公告，決定向24家企業(yè)頒發(fā)2013年度第二批水利工程啟閉機(jī)使用許可證。獲證企業(yè)名單如下：

4 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的選型和應(yīng)用

經(jīng)上文分析，以上兩種常規(guī)液位計(jì)均不適用于此類(lèi)工況?；诖饲闆r，本項(xiàng)目選用了導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行測(cè)量。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)除了具有雷達(dá)液位計(jì)的特點(diǎn)，即不受溫度、介質(zhì)密度、粉塵和蒸汽的影響，同時(shí)在介質(zhì)表面存在泡沫時(shí)，也可用于測(cè)量。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的原理如圖1所示，探頭發(fā)出高頻脈沖并沿纜繩傳播，到達(dá)液位表面時(shí)，由于介電常數(shù)發(fā)生突變，脈沖反射形成回波并返回到脈沖發(fā)射裝置，測(cè)量出脈沖波的傳導(dǎo)時(shí)間，經(jīng)計(jì)算就可得到液位高度。

測(cè)量距離h與脈沖發(fā)出與接收的時(shí)間成正比：

h=c×t/2

c為光的傳播速度，已知0%量程的高度H，即可得出：

L=H-h

圖1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)原理圖

本項(xiàng)目選用E+H公司生產(chǎn)的FMP40導(dǎo)波雷達(dá)，探頭型式為桿式，發(fā)射器尺寸為16mm，適用于測(cè)量小量程液體液位。測(cè)量時(shí)需注意兩個(gè)問(wèn)題：一是液位計(jì)存在測(cè)量盲區(qū)，盲區(qū)包括頂部盲區(qū)和底部盲區(qū)，如圖1所示，頂部盲區(qū)是指能夠測(cè)量的最高物位與測(cè)量參考點(diǎn)之間的最小距離，底部盲區(qū)是指探頭末端無(wú)法精確測(cè)量的距離，安裝和計(jì)算時(shí)需將頂部盲區(qū)和底部盲區(qū)考慮在內(nèi)，不得使量程范圍包括盲區(qū)距離，否則無(wú)法保證液位的準(zhǔn)確測(cè)量。盲區(qū)的距離是固有的，頂部盲區(qū)的值與流體的介電常數(shù)和環(huán)境溫度有關(guān)。FMP40儀表頂部盲區(qū)為200mm，底部盲區(qū)為50mm；二是液位計(jì)安裝時(shí)需要與堰壁保持一定的距離，并且在整個(gè)量程范圍內(nèi)，應(yīng)該確保桿式探頭與支架等障礙物的距離至少為300mm；三是探頭末端應(yīng)與堰底保持一定距離，桿式探頭為50mm。

本項(xiàng)目的計(jì)量堰為矩形堰，矩形堰的測(cè)量原理如圖2所示，在明渠中垂直放一塊上部有矩形缺口的堰板，流體被堰板擋住，液位升高直至超過(guò)堰高P時(shí)，在重力作用下，流體越過(guò)堰板向下游流去，流量和堰上水頭（h）成一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖2 矩形堰測(cè)量原理圖

明渠流量公式如下：

式中Q—流量；b—堰寬；H—堰上水頭；m—流量系數(shù)。

流量系數(shù)計(jì)算如下：若堰寬與堰前水面寬度相等，則稱無(wú)側(cè)面收縮，當(dāng)無(wú)側(cè)面收縮，且水流流速V小的可以忽略不計(jì)時(shí)，m=0.405+0.0027/H

分析導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)于此工況的使用，與上文所述儀表相比，導(dǎo)波雷達(dá)是一種接觸式的液位計(jì)，不受溫度、積存泡沫的影響，導(dǎo)波雷達(dá)發(fā)射的脈沖信號(hào)通過(guò)導(dǎo)波桿傳播，而不是通過(guò)空氣，所以導(dǎo)波桿上凝潔水不會(huì)影響性能，且導(dǎo)波雷達(dá)精度較高，可達(dá)到3mm。

5 結(jié)語(yǔ)

在污水項(xiàng)目中，測(cè)量?jī)x表的選型應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇合適的測(cè)量方法，才能保證測(cè)量的準(zhǔn)確。本項(xiàng)目選用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，儀表工作性能穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量效果較好。

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