導波雷達液位計在污水明渠流量測量中的應用

 摘要： 污水矩形堰液位的測量儀表選型存在一定困難，工況表現為水質波動較大、環境溫度較低、水面積存泡沫。本文分析了兩種常規儀表：超聲波液位計、雷達液位計應用此工況的局限性。zui后介紹了本項目采用的計量方法，由導波雷達液位計測量堰上水頭，并換算為計量堰液位。

1　引言
在逸盛大化PTA污水處理項目中，排放的污水是一種比較難處理的化工污水，具有水質水量均波動較大的特點，需設置多個裝置進行調節中和、厭氧反應等處理。在污水處理過程中，設計了厭氧計量矩形堰，用于測量污水液位。然而，矩形堰的工藝條件比較苛刻，給液位計選型造成了一定的困難。具體條件為：
（1）計量堰為矩形堰，常規的管道式液位計均不能選用，需選擇明渠液位計與其配合測量；（2）廠址位于大連市，環境溫度變化較大，冬季zui低溫度可以達到零下二十幾度；（3）水質水量變化比較大，計量堰的水面積存了大量稠密的泡沫，影響儀表的準確測量。

針對以上的工藝條件，本文分析了兩種常用的測量儀表的應用，并討論了此兩類儀表應用的局限性，zui后介紹了本項目的儀表選型和測量方法：由導波雷達測量堰上水頭液位，再通過計量堰液位的公式，將液位轉為明渠液位值。經項目實際應用，此種測量方法較好地解決了這一測量問題。

2　明渠的測量原理
明渠液位的測量方式主要有節流式測量和潛水型雷達液位計兩種形式。潛水型雷達液位計為密封式結構，整個傳感器浸在污水中，污水只從雷達液位計中流過，從而測量液位。但是，污水中含有的化學物質或夾帶的活性污泥都會影響到雷達液位計的正常運行，并且污水中通常含有大量的雜質，電導率不穩定，采用雷達液位計測量，會引起液位計精確度的嚴重飄移，造成計量不準。因此，在對污水進行測量時，應該優先選用節流式測量方式。節流式測量方式是在明渠中安裝量水器具（堰、槽） ,器具對明渠中的被測流體形成約束阻力，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應關系。如果能保證量水器具下游出口的液位不變，測量上游液位即可得出明渠橫截面的平均流速，從而得出明渠的液位。明渠液位計由量水器具和液位計組成。量水器具分為堰式、槽式兩大類，常用的有三角堰、矩形堰、帕歇爾槽等。液位計zui常用的為超聲波液位計。本文選取兩種液位計：超聲波液位計、雷達液位計，分析液位計對此工況的應用情況，并介紹本項目的儀表選型和應用：采用導波雷波雷達液位計進行測量。

 

3　兩種液位計的應用分析
3.1　超聲波明渠液位計的應用分析

測量明渠液位時，應用zui為廣泛的即為超聲波液位計。超聲波液位計采用非接觸的測量方式，適用于液體、固體、有毒介質的測量。測量原理為由發送器發射超聲波脈沖，聲波到達液面形成反射波，該反射波又被接收器接收。由計時電路測量發射波和反射波的傳播時間，以及聲波的傳播速度，經過運算即可得出液面高度。

 

超聲波液位計具有測量距離遠，精度較高的特點，并且儀表價格不高，因此適用范圍較廣。然而，由于測量原理的限制，液位計的測量易受到溫度、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%，可見聲速受溫度影響顯著。超聲波液位計帶有內置溫度傳感器，可對溫度變化進行補償。但顯然，超聲波液位計不適用于溫度變化較大的設備或場合，如果探頭處與液面處的溫度差較大，會影響測量。

 

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

 

3.2　非接觸式的雷達液位計的應用分析
非接觸式的雷達液位計能夠對液體、漿料、淤泥、固料進行連續的測量，可用于真空設備的測量，幾乎不受被測介質溫度、壓力、易燃易爆特性的影響；且由于雷達液位計利用雷達波進行檢測，雷達波可穿透蒸汽、粉塵等干擾源，抗干擾性強，應用范圍非常廣泛。雷達液位計測量方式與超聲波液位計類似，不同之處為雷達液位計是由天線發射超高頻雷達波，當雷達波碰到液面后反射回來仍由天線接收，儀表檢測出發射波及回波的時差，由計算得出液面高度。相較于超聲波液位計，雷達波的傳播無需通過空氣，環境溫度和流體溫度不會影響測量，并且雷達液位計的測量不受介質密度變化的影響；但是，由雷達液位計的測量原理決定， 雷達液位計需接收雷達波的反射才能完成測量。本項目中，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波反射回來，對測量的影響不大，中性泡沫會吸收和擴散雷達波，導致影響反射甚至沒有回波。當介質表面為稠密的泡沫時，儀表無法測量。因此，非接觸式的雷達液位計無法排除泡沫的影響，也不適用于此工況。

 

4　導波雷達液位計的選型和應用
經上文分析，以上兩種常規液位計均不適用于此類工況?；诖饲闆r，本項目選用了導波雷達液位計進行測量。導波雷達液位計除了具有雷達液位計的特點，即不受溫度、介質密度、粉塵和蒸汽的影響，同時在介質表面存在泡沫時，也可用于測量。導波雷達液位計的原理如圖1所示，探頭發出高頻脈沖并沿纜繩傳播，到達液位表面時，由于介電常數發生突變，脈沖反射形成回波并返回到脈沖發射裝置，測量出脈沖波的傳導時間，經計算就可得到液位高度。

測量距離h與脈沖發出與接收的時間成正比：

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

導波雷達液位計選型時需注意選擇探頭的形式，探頭形式包括纜式探頭、桿式探頭、同軸桿式探頭。其中纜式探頭主要用于測量固體料位和大量程的液體料位，桿式探頭適用于測量小量程的固體料位和液體，同軸桿式探頭用于測量粘度較高、介電常數偏小的液體液位，并且適用于界面測量。

本項目選用E+H公司生產的FMP40導波雷達，探頭型式為桿式，發射器尺寸為16mm，適用于測量小量程液體液位。測量時需注意兩個問題：一是液位計存在測量盲區，盲區包括頂部盲區和底部盲區，如圖1所示，頂部盲區是指能夠測量的zui高物位與測量參考點之間的zui小距離，底部盲區是指探頭末端無法精確測量的距離，安裝和計算時需將頂部盲區和底部盲區考慮在內，不得使量程范圍包括盲區距離，否則無法保證液位的準確測量。盲區的距離是固有的，頂部盲區的值與流體的介電常數和環境溫度有關。 FMP40儀表頂部盲區為200mm，底部盲區為50mm；二是液位計安裝時需要與堰壁保持一定的距離，并且在整個量程范圍內，應該確保桿式探頭與支架等障礙物的距離至少為300mm；三是探頭末端應與堰底保持一定距離，桿式探頭為50mm。本項目的計量堰為矩形堰，矩形堰的測量原理如圖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，液位升高直至超過堰高P時，在重力作用下，流體越過堰板向下游流去，液位和堰上水頭（h）成一定的對應關系。

明渠液位公式如下：

式中Q—液位； b—堰寬； H—堰上水頭； m—液位系數。液位系數計算如下：若堰寬與堰前水面寬度相等，則稱無側面收縮，當無側面收縮，且水流流速V小的可以忽略不計時，

 

m=0.405+0.0027/H

 

分析導波雷達液位計于此工況的使用，與上文所述儀表相比，導波雷達是一種接觸式的液位計，不受溫度、積存泡沫的影響，導波雷達發射的脈沖信號通過導波桿傳播，而不是通過空氣，所以導波桿上凝潔水不會影響性能，且導波雷達精度較高，可達到3mm。

 

5　結語
在污水項目中，測量儀表的選型應該根據現場實際情況，選擇合適的測量方法，才能保證測量的準確。本項目選用導波雷達液位計進行測量，經過實際應用，儀表工作性能穩定可靠，抗干擾能力強，測量效果較好。