新型濾池參數(shù)測(cè)定儀的研發(fā)與應(yīng)用

袁 琳，張 志，龔保華，王 健，史寶德，肖 輝，李成林

（鄭州自來(lái)水投資控股有限公司，河南鄭州 450000）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)地表水自來(lái)水廠的常規(guī)處理工藝為混凝、沉淀、過(guò)濾和消毒[1]，而地下水自來(lái)水廠的常規(guī)處理工藝為過(guò)濾和消毒。由此可見(jiàn)過(guò)濾是整個(gè)給水工藝中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，也是工藝相對(duì)復(fù)雜的環(huán)節(jié)，其過(guò)濾效果直接影響出水水質(zhì)，因此，在自來(lái)水廠運(yùn)行過(guò)程中，需要定期對(duì)濾池參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，便于及時(shí)掌握濾池工作的技術(shù)狀態(tài)，確保濾池安全、高效運(yùn)行[2]。

濾池參數(shù)共6 項(xiàng)，包括濾速、反沖強(qiáng)度、濾料膨脹率、濾料層高度、濾料含泥率、濾后水濁度[3]，其中前四項(xiàng)均需要利用測(cè)桿實(shí)現(xiàn)測(cè)定，后兩項(xiàng)只需取樣化驗(yàn)即可，因此本文只針對(duì)前四項(xiàng)參數(shù)的測(cè)定進(jìn)行討論。目前，自來(lái)水廠的測(cè)定方法一般是用手持測(cè)桿直立在濾料層上方，通過(guò)肉眼觀測(cè)，記錄水面流經(jīng)標(biāo)記長(zhǎng)度的時(shí)間，從而推算濾速和反沖強(qiáng)度，同時(shí)用膨脹率測(cè)定工具測(cè)量膨脹高度[4]。雖然這種測(cè)定方法應(yīng)用廣泛且成本極低，但存在諸多缺點(diǎn)：

（1）手持測(cè)桿無(wú)法保證始終直立，尤其是在反沖洗過(guò)程中，砂面松動(dòng)，測(cè)桿極易上下竄動(dòng)，增大測(cè)量誤差。

（2）利用肉眼觀測(cè)水位變化時(shí)，由于視角不同和光線在水中發(fā)生折射，會(huì)造成觀測(cè)不準(zhǔn)確。

（3）在對(duì)濾料進(jìn)行反沖洗過(guò)程中，水面上會(huì)逐漸浮出大量棕色泡沫，影響真實(shí)水位觀測(cè)，導(dǎo)致記錄時(shí)間不準(zhǔn)確。

（4）在反沖過(guò)程中除了要測(cè)定反沖強(qiáng)度外還要測(cè)定膨脹率，單人無(wú)法同時(shí)完成，浪費(fèi)人力。

針對(duì)以上問(wèn)題，研發(fā)一款新型濾池參數(shù)測(cè)定儀并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，不僅可以保持測(cè)桿的直立穩(wěn)定，最大程度降低測(cè)量誤差，而且可以實(shí)現(xiàn)膨脹率和反沖強(qiáng)度的同時(shí)測(cè)定。

1 新型濾池參數(shù)測(cè)定儀

1.1 結(jié)構(gòu)組成

測(cè)定儀外部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，測(cè)定儀中下部剖面圖如圖2所示。整個(gè)裝置采用干電池供電，由測(cè)桿、砂斗、腳踏板、接線盒及數(shù)顯時(shí)間繼電器五大部分組成。

圖1 濾池參數(shù)測(cè)定儀外部結(jié)構(gòu)

圖2 濾池參數(shù)測(cè)定儀局部剖面圖

測(cè)桿材質(zhì)為PVC-U 管材，測(cè)桿內(nèi)含導(dǎo)線，線路下端布有上液位感應(yīng)裝置及下液位感應(yīng)裝置（Y25-PNP 5～12 V），感應(yīng)裝置外部加設(shè)PVC-U 材質(zhì)的可拆卸濾網(wǎng)，進(jìn)液孔孔徑為5 mm，用來(lái)過(guò)濾反沖時(shí)上浮的大量泡沫，以防止液位感應(yīng)器被誤觸發(fā)。

測(cè)桿上端設(shè)有PVC 接線盒和數(shù)顯時(shí)間繼電器，其中接線盒內(nèi)含主控電路及電源開(kāi)關(guān)、過(guò)濾和反沖功能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及相應(yīng)功能指示燈，接線盒上部為高精度數(shù)顯時(shí)間繼電器（DH48S-1Z），與上、下液位感應(yīng)裝置相連，可以直接顯示過(guò)濾、反沖過(guò)水時(shí)間，精確度為0.01 s。測(cè)桿中上部設(shè)有腳踏板，通過(guò)抱箍與測(cè)桿連接，可以按需求調(diào)整高度。

測(cè)桿下半部與感應(yīng)裝置相對(duì)一側(cè)設(shè)置有若干砂斗，用來(lái)測(cè)量濾池膨脹率，砂斗按照自下而上階梯狀排布，任意兩個(gè)相鄰砂斗開(kāi)口的垂直距離為1.5 cm；砂斗一側(cè)標(biāo)記有刻度，用來(lái)測(cè)量濾層厚度和濾料膨脹高度，精確度為0.1 mm。測(cè)桿終端及各打孔處密封處理，防止池水進(jìn)入測(cè)桿內(nèi)部。

1.2 測(cè)定儀電路及工作原理

工作原理：如圖3 所示，當(dāng)濾池處于反沖狀態(tài)時(shí)，開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)K1，將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)K2置于反沖檔，水面上升到下液位感應(yīng)開(kāi)關(guān)時(shí)，繼電器KM1的線圈得電，同時(shí)KM1 常開(kāi)接點(diǎn)閉合，數(shù)顯時(shí)間繼電器線圈得電，表頭自動(dòng)開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)水位上升到上液位感應(yīng)開(kāi)關(guān)處時(shí)，繼電器KM2 線圈得電，KM2 常開(kāi)接點(diǎn)閉合，接通數(shù)顯時(shí)間繼電器的第1 觸腳和第4 觸腳（1、4觸腳短接數(shù)顯時(shí)間繼電器暫停），表頭時(shí)間數(shù)字停止并保持，此時(shí)讀數(shù)即為反沖過(guò)水時(shí)間。

圖3 濾池參數(shù)測(cè)定儀工作電路

當(dāng)濾池處于過(guò)濾狀態(tài)時(shí)，開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)K1，將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)K2 置于過(guò)濾檔。當(dāng)水位下降到上液位感應(yīng)開(kāi)關(guān)時(shí)，繼電器KM4 線圈失電，KM4 常閉接點(diǎn)接通，數(shù)顯時(shí)間繼電器線圈得電，表頭開(kāi)始自動(dòng)計(jì)時(shí)；當(dāng)水位下降到下液位感應(yīng)開(kāi)關(guān)處時(shí)，繼電器KM3 失電，KM3 的常閉接點(diǎn)閉合，接通數(shù)顯時(shí)間繼電器的第1 觸腳和第4 觸腳，表頭時(shí)間數(shù)字停止并保持，此數(shù)值即為過(guò)濾時(shí)間。

1.3 使用方法及步驟

將測(cè)定儀器豎直放入濾池內(nèi)，底板接觸砂面，調(diào)整踏板使其水平搭在濾池臺(tái)沿上。同時(shí)關(guān)閉濾池進(jìn)水閥，開(kāi)啟出水閥，直至水位下降至測(cè)定儀下部感應(yīng)裝置以下。

（1）測(cè)定反沖強(qiáng)度。打開(kāi)總電源開(kāi)關(guān)，并將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打至反沖。隨后開(kāi)始進(jìn)行濾池反沖操作，隨著水位的上升，數(shù)顯時(shí)間繼電器開(kāi)始工作，記錄數(shù)顯屏上最后顯示的總時(shí)長(zhǎng)t反，關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)，并根據(jù)測(cè)定儀上下液位感應(yīng)裝置之間的高度H計(jì)算反沖強(qiáng)度：

式中 I——濾池反沖強(qiáng)度，m/h

H——測(cè)定儀上下液位感應(yīng)裝置之間的高度，m

t反——數(shù)顯反沖時(shí)間，s

（2）測(cè)濾池濾速。打開(kāi)總電源開(kāi)關(guān)，將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打至過(guò)濾。關(guān)閉濾池進(jìn)水閥，全開(kāi)出水閥，隨著水位的下降，數(shù)顯時(shí)間繼電器開(kāi)始工作，記錄數(shù)顯屏上最后顯示的總時(shí)長(zhǎng)t濾，推算過(guò)濾速度，并關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)。

式中v——濾池濾速，m/h

H——測(cè)定儀上下液位感應(yīng)裝置之間的高度，m

t濾——數(shù)顯過(guò)濾時(shí)間，s

（3）測(cè)濾料層厚度。經(jīng)反沖和過(guò)濾操作，濾料層高度會(huì)發(fā)生變化，待池水完全濾干后，重新調(diào)整踏板高度，使底板接觸砂面，同時(shí)記錄濾池臺(tái)沿對(duì)應(yīng)在測(cè)桿上的刻度h2，計(jì)算濾料層厚度：

式中 h——濾料層厚度，m

h1——濾池池底至臺(tái)面的高度，m

h2——為濾料層表面至臺(tái)面的高度，m

（4）測(cè)膨脹率。在反沖過(guò)程中，沙礫膨脹，砂斗會(huì)截留砂礫，以上測(cè)定結(jié)束后，將測(cè)定儀取出，找到留存砂礫最高處的砂斗，記錄該砂斗口對(duì)應(yīng)的刻度，即濾料膨脹高度h3[5]，計(jì)算膨脹率：

式中 r——膨脹率，%

h3——濾料膨脹高度，m

h——濾料層厚度，m

2 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）該裝置確保在測(cè)量過(guò)程中測(cè)桿完全豎直立在濾池中，尤其是在反沖洗過(guò)程中，砂面松動(dòng)，測(cè)桿極易上下竄動(dòng)，避免了觀察記錄有誤。

（2）該裝置采用數(shù)顯計(jì)時(shí)，避免了肉眼觀測(cè)不精確問(wèn)題，消除視覺(jué)誤差，極大降低了計(jì)時(shí)誤差。

（3）液位感應(yīng)器外部安裝的過(guò)濾裝置可以過(guò)濾掉反沖帶來(lái)的大量浮沫，防止感應(yīng)器被誤觸發(fā)，降低測(cè)量誤差。

（4）減少人力，一人即可以完成以上4 項(xiàng)測(cè)量。

（5）測(cè)桿上設(shè)有固定刻度標(biāo)尺，減少每次測(cè)量的誤差。

3 結(jié)束語(yǔ)

截至目前，該新型測(cè)定儀已經(jīng)在鄭州自來(lái)水投資控股有限公司石佛水廠的濾池參數(shù)測(cè)定工作中得到了應(yīng)用，它克服了以往手持測(cè)桿測(cè)定的各種缺點(diǎn)，兼顧經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性特點(diǎn)，表現(xiàn)出維護(hù)簡(jiǎn)單、測(cè)量誤差小、使用人工成本低，性能穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)可廣泛應(yīng)用于自來(lái)水廠的濾池參數(shù)測(cè)定工作，該裝置目前已獲得實(shí)用新型專利（ZL201921503273.2）。