摘 要： 論文闡述了自動(dòng)化儀表在水處理生產(chǎn)中的基本作用，常用儀表的分類及選配的一般要求。重點(diǎn)分析了4種液位計(jì)3種流量計(jì)的工作原理，注意事項(xiàng)和適用范圍以及濁度儀表的選型和注意事項(xiàng)。總結(jié)出自動(dòng)化儀表在水處理行業(yè)現(xiàn)代化管理中的重要性，專業(yè)技術(shù)人員在儀表投入使用及管理控制中的重要性。
關(guān)鍵字： 自動(dòng)化 電子儀表 水處理 工藝管理
1 自動(dòng)化儀表在水處理生產(chǎn)中的基本作用
以秦皇島市某凈水廠為例：主要工藝過(guò)程基本與相應(yīng)的儀表及自控技術(shù)有關(guān)。通過(guò)電子儀表連續(xù)檢測(cè)各工藝數(shù)據(jù)，根據(jù)這些即時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)控制，從而協(xié)調(diào)供需之間、系統(tǒng)各組成部分之間、各水處理工藝之間的關(guān)系，以便使水處理設(shè)備與設(shè)施得到更充分、合理的使用。同時(shí)，由于檢測(cè)儀表測(cè)定的數(shù)值與設(shè)定值可連續(xù)進(jìn)行比較，發(fā)生偏差時(shí)，立即進(jìn)行調(diào)整，從而保證水處理質(zhì)量。根據(jù)儀表檢測(cè)的參數(shù)，能進(jìn)一步自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制藥劑投加量，保證水泵機(jī)組的合理運(yùn)行，使管理更加科學(xué)化，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。由于儀表具有連續(xù)檢測(cè)、越限報(bào)警的功能，便于及時(shí)處理事故。
2 市政水處理工藝常用儀表的分類
市政水處理工藝所用儀表大致可分為兩大類：一類屬于監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程物理參數(shù)的儀表，如檢測(cè)溫度、壓力、液位、流量等。這類儀表采用了一部分國(guó)產(chǎn)表，其性能和質(zhì)量基本能滿足要求。另一類屬于檢測(cè)水質(zhì)的分析儀表，如檢測(cè)水的濁度、pH值、溶氧含量、電導(dǎo)率、余氯、SCD值等。這些專用儀表在我國(guó)發(fā)展比較晚，因此，基本選用國(guó)外進(jìn)口E+H產(chǎn)品，從實(shí)際效果看是比較經(jīng)濟(jì)、可靠的。
檢測(cè)儀表的好壞直接關(guān)系到水廠自動(dòng)化的效果，甚至是供水的安全性。在水廠儀表設(shè)計(jì)選型中，從儀表的性能、質(zhì)量、價(jià)格、備件情況、售后服務(wù)等方面進(jìn)行了反復(fù)比較，最后采用進(jìn)口儀表和國(guó)產(chǎn)儀表相結(jié)合的方法。
3 水處理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(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，誤差越小，精確度越高。生產(chǎn)過(guò)程物理檢測(cè)儀表的精確度為±1%，水質(zhì)分析儀表的精確度為±2%，測(cè)高濁水的濁度儀的精確度為±5%。（2）響應(yīng)時(shí)間：當(dāng)對(duì)被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，儀表指示值總要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能顯示出來(lái)，這段時(shí)間即為儀表的響應(yīng)時(shí)間。一只儀表能不能盡快反應(yīng)出參數(shù)變化的情況，是很重要的指標(biāo)。對(duì)水質(zhì)分析儀表要求的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不超過(guò)3min。（3）輸出信號(hào)：儀表的模擬輸出應(yīng)是4mA～20mADC信號(hào)，負(fù)載能力不小于600Ω。（4）儀表的防護(hù)等級(jí)應(yīng)滿足所在環(huán)境的要求，一般應(yīng)不低于IP65，用于藥劑投加系統(tǒng)的檢測(cè)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(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀表宜選用數(shù)顯儀。（7）儀表的工作電源應(yīng)獨(dú)立，不應(yīng)和計(jì)算機(jī)共用電源，以保證發(fā)生故障和檢修時(shí)電源互不干擾，使各自都能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。（8）為使計(jì)算機(jī)能檢測(cè)到電壓互感器和電流互感器的異常信號(hào)并報(bào)警，設(shè)計(jì)選配的電壓及電流變送器的輸入信號(hào)應(yīng)比電流及電壓互感器大，即分別為0～6A及0～120V。（9）應(yīng)選擇能夠提供可靠服務(wù)和有豐富經(jīng)驗(yàn)的儀表生產(chǎn)廠商。
4 液位計(jì)的選型及注意事項(xiàng)
選型時(shí)應(yīng)注意測(cè)量對(duì)象的性質(zhì)，如被測(cè)介質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)，以及工作壓力和溫度、安裝條件、液位變化的速度等；還要兼顧測(cè)量和控制要求，如測(cè)量范圍、測(cè)量或控制精確度、顯示方式、現(xiàn)場(chǎng)指示、遠(yuǎn)距離指示、與計(jì)算機(jī)的接口、安全防腐、可靠性及施工方便性。
現(xiàn)有市政給排水工程中常用的液位計(jì)如下：
（1）浮球式液位計(jì)：在液體中放入一個(gè)空心的浮球，當(dāng)液位變化時(shí)，浮球?qū)a(chǎn)生與液位變化相同的位移。可用機(jī)械或電的方法來(lái)測(cè)得浮球的位移，其精確度較低，這種液位計(jì)不適用于高粘度的液體，輸出端為開(kāi)關(guān)控制。在我公司凈水廠及新建污水廠的設(shè)計(jì)中，多將此種液位開(kāi)關(guān)用于地下設(shè)備間污水坑，用于控制排污泵的自動(dòng)開(kāi)停。
（2）靜壓或差壓式液位計(jì)：由于液柱的靜壓與液位成正比，因此利用壓力表測(cè)量基準(zhǔn)面上液柱的靜壓就可測(cè)得液位。根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的密度及液體測(cè)量范圍計(jì)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(jì)的精確度為±0.5%～2%。
（3）電容式液位計(jì)：在容器內(nèi)插入電極，當(dāng)液位變化時(shí)，電極內(nèi)部介質(zhì)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(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的直流電信號(hào)。其精確度為±0.5%～1.5%。
電容式液位計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：傳感器無(wú)機(jī)械可動(dòng)部分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠；精確度高；檢測(cè)端消耗電能小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；維護(hù)方便，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是被測(cè)液體的介電常數(shù)不穩(wěn)定會(huì)引起誤差。電容式液位計(jì)一般用于調(diào)節(jié)池、清水池等的液位測(cè)量。當(dāng)測(cè)量范圍不超過(guò)2m時(shí)，采用棒狀、板狀、同軸電極；當(dāng)超過(guò)2m時(shí)，采用纜式電極。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)為水時(shí)，采用帶絕緣層可用聚乙烯的電極。
（4）超聲液位計(jì)：超聲液位計(jì)的傳感器由一對(duì)發(fā)射、接收換能器組成。發(fā)射換能器面對(duì)液面發(fā)射超聲波脈沖，超聲波脈沖從液面上反射回來(lái)，被接收換能器接收。根據(jù)發(fā)射至接收的時(shí)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(jì)無(wú)機(jī)械可動(dòng)部分，可靠性高，安裝簡(jiǎn)單、方便，屬于非接觸測(cè)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(cè)量。但此種方法有一定的盲區(qū)，且價(jià)格較貴。
5 流量?jī)x表的選型及注意事項(xiàng)
流量測(cè)量分為兩種，一種用于流量檢測(cè)，參與過(guò)程控制，以達(dá)到提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平，改善生產(chǎn)工藝條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的目的。另一種用于流量的計(jì)量，不僅計(jì)量產(chǎn)品的產(chǎn)量，還是供水企業(yè)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算的依據(jù)。在供水企業(yè)最主要的8項(xiàng)基本經(jīng)濟(jì)指標(biāo)中，有4項(xiàng)指標(biāo)是以流量計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。
流量計(jì)的選型應(yīng)考慮以下因素：任何型號(hào)的流量計(jì)都必須有國(guó)家計(jì)量部門檢定的證書方可選用。流量計(jì)本身的壓力損失要小。根據(jù)行業(yè)要求，流量計(jì)的準(zhǔn)確度應(yīng)不低于2.5級(jí)。安裝現(xiàn)場(chǎng)條件應(yīng)滿足所選流量計(jì)對(duì)直管段的要求。所選流量計(jì)應(yīng)能適應(yīng)安裝現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件如溫度、濕度、電磁干擾。所選流量計(jì)應(yīng)能適用于待測(cè)的液體介質(zhì)。
目前，在給排水工程設(shè)計(jì)中，采用最多的是電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)。
（1）電磁流量計(jì)：電磁流量計(jì)的原理是應(yīng)用法拉弟電磁感應(yīng)定律，由傳感器和轉(zhuǎn)換器組成。在測(cè)量中，液體本身為導(dǎo)體，磁場(chǎng)通過(guò)安裝在管路中的兩個(gè)線圈產(chǎn)生。線圈由交流或直流電源勵(lì)磁，磁場(chǎng)作用于管道內(nèi)流動(dòng)的液體，在管道中產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)流體平均流速V相對(duì)應(yīng)的電壓，且該電壓與流體的流速分布無(wú)關(guān)。與管道絕緣的兩個(gè)電極監(jiān)測(cè)液體的感應(yīng)電壓。磁場(chǎng)方向、流體流向及兩個(gè)檢測(cè)電極的相對(duì)位置三者互相垂直。
電磁流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量不受被測(cè)液體的溫度、壓力或粘度的影響。沒(méi)有壓力損失。能連續(xù)測(cè)量，測(cè)量精確度高。口徑范圍和測(cè)量范圍大，測(cè)量范圍連續(xù)可調(diào)。與流速分布無(wú)關(guān)。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。穩(wěn)定性好，輸出為標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)，可方便地進(jìn)入自控系統(tǒng)。變送器導(dǎo)管內(nèi)壁有襯里材料，具備良好的耐腐、耐磨性。轉(zhuǎn)換器體積小，消耗功率小，抗干擾性能強(qiáng)，便于現(xiàn)場(chǎng)觀察。應(yīng)用于水處理系統(tǒng)的電磁流量計(jì)的襯里材料多選用氯丁橡膠，因其有較好的耐磨性。
安裝時(shí)應(yīng)注意遠(yuǎn)離外界的電磁場(chǎng)源，以免影響傳感器的工作磁場(chǎng)及流量信號(hào)，傳感器水平安裝時(shí)，要求兩個(gè)電極的中心軸線處于水平狀態(tài)，防止顆粒雜質(zhì)沉積，影響電極工作。測(cè)量管內(nèi)應(yīng)為滿管，不允許大量氣泡通過(guò)傳感器，當(dāng)不能滿足條件時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)措施。為使儀表可靠地工作，提高測(cè)量精確度，不受外界寄生電勢(shì)的干擾，傳感器應(yīng)有良好的單獨(dú)接地線，且接地電阻應(yīng)小于10Ω，尤其是安裝在陰極保護(hù)管道上時(shí)。
在滿足安裝環(huán)境、使用要求的前提下，轉(zhuǎn)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(chǎn)生的強(qiáng)電信號(hào)的干擾。
（2）超聲流量計(jì)：最近十幾年來(lái)，由于電子技術(shù)的發(fā)展，超聲流量計(jì)才得以應(yīng)用于流量測(cè)量。利用超聲流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量的方法有很多種，其中較為典型的是時(shí)差法和多普勒法。凈水廠多選用時(shí)差法流量計(jì)，其方法是在測(cè)量管道上安裝兩個(gè)換能器，因順流與逆流流速差別的影響，測(cè)量從發(fā)射到接收而產(chǎn)生的時(shí)間差，據(jù)此測(cè)出流速。
超聲流量計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)：安裝維護(hù)方便。隨著夾裝式傳感器的廣泛使用，在安裝和維護(hù)超聲流量計(jì)時(shí)不需在管道上打孔或切斷流量，就可在已存在的應(yīng)用場(chǎng)合很方便地進(jìn)行安裝，尤其適用于大口徑管道檢測(cè)系統(tǒng)。口徑范圍大，且價(jià)格不受管徑影響。測(cè)量可靠性高。無(wú)壓力損失。不受流體參數(shù)影響。輸出標(biāo)準(zhǔn)化直流信號(hào)，可方便地進(jìn)入自控系統(tǒng)。
選用超聲流量計(jì)要特別注意傳感器的安裝誤差、管道內(nèi)壁結(jié)垢、防腐層均勻與否，這些因素對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大。另?yè)?jù)超聲流量計(jì)的測(cè)量原理，只有流速分布均勻時(shí)才能保證測(cè)量的精確度，所以在流量計(jì)的上下游要有足夠的直管段，參考各種資料及流量計(jì)的使用手冊(cè)，要求上游最少不小于10D，下游大于5D。
由于自來(lái)水行業(yè)為連續(xù)生產(chǎn)，進(jìn)行不間斷計(jì)量是極為重要的，所以一般安裝于管道上的流量計(jì)不能經(jīng)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(jì)，按周期送國(guó)家認(rèn)證單位進(jìn)行校準(zhǔn)，作為企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)器具，再用比對(duì)的方式定期檢測(cè)在線流量計(jì)。
（3）明渠流量計(jì)：公司東區(qū)污水廠現(xiàn)有明渠流量計(jì)的實(shí)質(zhì)為超聲波液位計(jì)與巴歇爾槽的配合使用。巴歇爾槽可以把明渠內(nèi)流量的大小轉(zhuǎn)成液位的高低。巴歇爾槽的優(yōu)點(diǎn)是水位損失小、水中即使有固態(tài)物質(zhì)也幾乎不沉淀、對(duì)下流側(cè)的水位影響比較小等，所以被用來(lái)測(cè)量農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水等其它液體的流量。
超聲波明渠流量計(jì)特點(diǎn)：可測(cè)量非滿管（圓管、蛋形管或其它異形管）流量。可測(cè)量渠道（圓形渠、矩形渠或其它異形渠）流量。可測(cè)量天然的河、溪流量。可測(cè)量污水排放渠道或管道（下水道）流量。可測(cè)量正向和反向流速和流量。可提供瞬時(shí)流量值和累計(jì)流量值。輸出信號(hào)：RS-485、Modbus、4～20Ma電流信號(hào)和多路開(kāi)關(guān)量。傳感器可在惡劣的現(xiàn)場(chǎng)和污水水質(zhì)下長(zhǎng)期工作。可選配短信或GPRS無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測(cè)。傳感器外殼為聚碳酸酯，防護(hù)等級(jí)IP68。內(nèi)置自動(dòng)溫度補(bǔ)償。盲區(qū)可調(diào)節(jié)，屏蔽探頭附近干擾信號(hào)。
超聲波明渠流量計(jì)的精度有兩個(gè)概念：超聲波探頭和變送器處理液位值的精度，以及液位信號(hào)、面積、時(shí)間經(jīng)過(guò)積分計(jì)算后的精度，一般為0.2%～0.5%。
6 濁度儀表的選型及注意事項(xiàng)
濁度是水體渾濁程度的度量，凈水廠負(fù)責(zé)供應(yīng)居民生活用水和工業(yè)用水，供水的質(zhì)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(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量。濁度是一項(xiàng)很重要的水質(zhì)指標(biāo)，因此對(duì)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(cè)定濁度儀和化驗(yàn)室固定及便攜式濁度儀，就其設(shè)計(jì)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(duì)水的低濁度有較高的靈敏度，準(zhǔn)確度高，相對(duì)誤差小，重復(fù)性好，水的色度不示濁度，且散射光與入射光強(qiáng)度比可呈線性關(guān)系，故1992年9月世界衛(wèi)生組織公布的《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》中規(guī)定將散射光濁度儀作為測(cè)定儀器。
我公司凈水廠工藝中使用E+H散射光式濁度儀，水質(zhì)化驗(yàn)室及龍海道二期使用HACH散射光式濁度儀。聚光束從傳感器頭部組件中向下投射到濁度儀主體內(nèi)的水樣中，浸在水樣中的光電管測(cè)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。
濁度儀取樣點(diǎn)的選擇應(yīng)與工藝專業(yè)緊密結(jié)合，選取最有代表性的點(diǎn)，取樣孔不要開(kāi)在被取樣管道的頂部，避免將管道中的氣泡抽進(jìn)取樣管而影響濁度儀的測(cè)量準(zhǔn)確度，水樣的提取最好用小型采樣泵取樣，保證取樣管內(nèi)有一定流速，不易在管道內(nèi)壁結(jié)垢。取樣管道的口徑應(yīng)根據(jù)儀表取樣水的總需要量決定。測(cè)量濾后水的濁度儀安裝于濾站管廊內(nèi)，采用壁掛及柜裝，出廠水的測(cè)量在送水泵房設(shè)置水質(zhì)儀表間進(jìn)行，將濁度儀及其他水質(zhì)檢測(cè)儀表置于儀表間內(nèi)，再將信號(hào)引至監(jiān)控站。
7 自動(dòng)化儀表系統(tǒng)的接地和防雷
接地可分為保護(hù)接地和工作接地。保護(hù)接地是為避免工作人員因設(shè)備絕緣損壞或絕緣性能下降時(shí)遭受觸電危險(xiǎn)和保護(hù)設(shè)備的安全。工作接地是為保證儀表穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。一般凈水廠儀表系統(tǒng)的接地采用TN-S系統(tǒng)，即3根相線A、B、C，1根中性線N即保護(hù)線PE。用電設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分接到PE線上，其優(yōu)點(diǎn)是PE線在正常工作時(shí)不呈現(xiàn)電流，因此設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分不呈現(xiàn)對(duì)地電壓而且在事故時(shí)也容易切斷電源，有較強(qiáng)的電磁適應(yīng)性，避免了高次諧波的干擾。工作接地的原則是單點(diǎn)接地。由于對(duì)地電位差的存在，如果出現(xiàn)一個(gè)以上的接地點(diǎn)就會(huì)形成地回路，將干擾引入儀表中，所以，同一信號(hào)回路、同一屏蔽層只能有一個(gè)接地點(diǎn)。
儀表工作接地可單獨(dú)設(shè)置或與保護(hù)接地共用同一接地體。從工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，接地電阻一般應(yīng)不超過(guò)1Ω。凈水廠設(shè)施分散，構(gòu)筑物低矮，地形平坦、空曠，特別是有些流量計(jì)井位于廠區(qū)之外，在這種情況下，儀表設(shè)備的被雷擊率增加。在實(shí)踐中，2009年4月，凈水廠曾發(fā)生過(guò)雷擊損壞設(shè)備事件。因此，安裝品質(zhì)優(yōu)良，動(dòng)作可靠的避雷器是不可缺少的保護(hù)措施。
8 自動(dòng)化儀表選型安裝及管理措施的總結(jié)
（1）要實(shí)現(xiàn)水處理行業(yè)的現(xiàn)代化管理，必須使用自動(dòng)化儀表。（2）儀表安裝人員應(yīng)具有專業(yè)技能，為用戶著想，在設(shè)計(jì)與選用儀表時(shí)，應(yīng)做到：穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單，安裝方便，物美價(jià)廉，連續(xù)測(cè)量，反應(yīng)靈敏，互換性強(qiáng)，便于維護(hù)等。（3）水處理企業(yè)應(yīng)有專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行管理，平時(shí)應(yīng)注意技術(shù)資料的收集、整理，以便于消化吸收。儀表正確投入使用后，技術(shù)人員應(yīng)多下現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)儀表的使用情況做跟蹤調(diào)查，了解儀表的工作情況，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以利于今后的管理工作日
