论文导读：自动化仪表在现代工业生产中占据重要地位，根据污水处理工艺设计需求不同，污水行业应用仪表基本可分为三大系列：(1)物位，包括液位计、液位差计、泥位计（超声波、雷达、静压）。(3)流量计，包括电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计。其中，中控系统设计安装仪表28套，现投入使用21套，物位仪表：液位计、液位差计、泥位计（超声波）。微波发射器（传感器）电激励以8度广角发射超声波脉冲直到被测物体，物体表面反射回波为此时的接收器（同一传感器）接收，转换成电气信号输出（平滑的表面回波角达到90时测量效果最好）。超声波回波质量优劣决定测量信号的精确性，因此，不能在同一料罐内安装多台超声波物位仪，且当料罐内部附近产生强烈的回波干扰（包括多次回波）或回波质量太差，如液面有大量泡沫、粉尘，以至于超声波无法到达真实物位时，需采取固定目标抑制功能在物位尽可能低的情况下进行回波抑制。一般由电极、电缆、安装支架、变送器四部分构成。
关键词：仪表，传感器，变送器，物位，涡街，回波
1. 前言
自动化仪表在现代工业生产中占据重要地位，根据污水处理工艺设计需求不同，污水行业应用仪表基本可分为三大系列：(1)物位，包括液位计、液位差计、泥位计（超声波、雷达、静压）；(2)分析仪表，包括PH、DO、浊度（SS）、COD、余氯、电导率；(3)流量计，包括电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计。
唐山市北郊污水处理厂是利用亚行贷款建设的河北省重点环保工程，设计规模日处理污水15万吨，该厂工艺先进，自动化水平高，施工质量优良，荣获2003年中国建筑工程最高奖“鲁班奖”。其中，中控系统设计安装仪表28套，现投入使用21套，物位仪表：液位计、液位差计、泥位计（超声波）；分析仪表：PH、DO、COD、余氯；流量计：电磁流量计，用于进厂污水及污泥体积流量测量。
2. 污水厂应用仪表类型
2.1物位仪
2.1.1超声波物位
超声波物位探测仪用于对液体及粗大颗粒或球状固体（颗粒尺寸大于4mm/0.16in）进行非接触性连接物位测量，污水厂内主要应用于液位、液位差及泥位的检测，安装地点如进水泵房、格栅间、储泥池等，由被测介质决定。微波发射器（传感器）电激励以8度广角发射超声波脉冲直到被测物体，物体表面反射回波为此时的接收器（同一传感器）接收，转换成电气信号输出（平滑的表面回波角达到90时测量效果最好）。脉冲在发射和接收中所消耗的时间—飞跃的时间—与传感器到物体表面的距离成正比。内有温度传感器同时对超声波脉冲的传感时间进行温度补偿。超声波回波质量优劣决定测量信号的精确性，因此，不能在同一料罐内安装多台超声波物位仪，且当料罐内部附近产生强烈的回波干扰（包括多次回波）或回波质量太差，如液面有大量泡沫、粉尘，以至于超声波无法到达真实物位时，需采取固定目标抑制功能在物位尽可能低的情况下进行回波抑制。
超声波穿透能力较差，需要坚实清晰的界面及较宽阔的测量平台，精度要求较高或液面狭窄时，宜采用静压或雷达式物位仪进行检测。
目前超声波物位仪在污水厂中大量应用，回波因子的调整、接地线屏蔽等均对数值稳定性造成影响。总体来说，运行稳定，维护方便。
2.1.2静压式物位
静压式物位仪一般安装于料罐底部承压点，标定较困难，但具有受低密度物质的影响较小的优点。如，当污水厂进水液面堆积泡沫过厚时，超声波物位仪发射的超声波由泡沫表层反射，不能穿透泡沫直达真实液面，而此时泡沫压力相对于水压可忽略不计，宜采用静压式物位检测，保证由压力变送的液位输出值与实际情况基本相符。现唐山市东郊污水处理厂格栅间采用罗斯蒙特生产的该系列静压产品。论文检测。
2.1.3雷达式物位
雷达式物位仪具有精度高、穿透力强等优点。其电磁波可穿透雾气、蒸汽、薄而大的泡沫，远优于超声波，精确性取决于介质的导电能力，但成本过高，恶劣工况中或被测液面狭窄时适用。
2.2分析仪表
分析仪表测量值对污水厂生产运营有重要的参考作用，其线性输出可作为逻辑条件进行工艺自动控制。一般由电极、电缆、安装支架、变送器四部分构成。
2.2.1 PH计
PH计在污水厂中大量用于进水酸碱度指示，如印染厂废水的排放对PH值有较大影响。
PH计属接触直接测量式仪表，采用浸入式安装，TOP68防水连接方式，根据氢离子在玻璃电极表面聚集的活跃程度产生电势，同时测量电极与参比电极之间填充电解液并以钨丝传导平衡电势，计算PH值，禁止在硫化氢或碱性过高的环境中使用（2%NaOH 80℃ approx.10—15hlifetime），且线性输出值与被测材质无关。
U=U0+RT/nF·ln(H+)
U——传感器电压
U0 ——当PH值为7时的电压
RT/nF——输出曲线斜率（slope=59,16mV at 25℃）
污水厂中化学成分浓度随机变动范围大，但持续时间短。污物可能渗透进入电导溶液，新型PH计采用异型填充物隔离测量与参比电极，以达到较好的测量稳定性，仪表寿命延长。
PH计制造技术现已比较成熟，维护方便，属生产易耗品。玻璃电极表面损伤、老化；离子交换膜损伤，氢离子运动应由内向外交换，若反向则伤害参比电极，产生零漂，严重时无法校回。以上两点应引起特别注意。此外，(1)电极探头镀有一层微米级厚度的金属膜，在非测量环境中必须保持探头湿润（可浸泡在清水或KCL溶液中）。(2)用4%盐酸或蒸馏水清洁电极，禁用碱溶液，油或脂肪可用酒精冲洗。(3)清洗探头时不可用力擦拭，以防损坏电极膜。(4)一般工况下三个月标定一次，污水厂环境中若维护得当，使用一至两年应更换探头。
2.2.2 DO（溶解氧）仪
溶解氧数值——污水处理工艺重要指示参数。水中溶解氧含量多少决定污水生物处理过程中指示生物的生存生活条件，从而影响出水质量。
溶解氧仪传感器由覆膜帽、电解液、金阴极、银阳极、参比电极（部分型号配备）、连接电缆组成。介质中的氧以溶解气体的形式产生，通过流体传送至覆膜，基于所用材质和生产过程，只有溶解气体能渗透覆膜，同样地，溶解盐和离子被保留下来，即当传感器覆膜被覆盖时，介质的电导率不影响测量信号。氧分子在金阴极上还原成氢氧根离子（OH-），在阳极上，银被氧化成银离子（Ag+）形成一层溴化银，金阴极释放离子，阳极接收离子形成电流，以相应PLC模拟量采集标准输出。正常条件下，电流与介质中氧浓度成正比。电流在测量装置中被转换，在LCD上显示溶解氧浓度（mg/l），氧的饱和指数以%SAT表示，或以hPa表示氧压力。
2.2.3浊度（SS）
可采用90º角散射光法或透射光法在线检测，污水厂主要安装于初沉污泥、活性污泥、出水口等。
常规的浊度测量在无压的采样液中进行，当采样液压力释放时，产生非常细小的气泡干扰正常的浊度测量值，因此低浊状态下需加装消泡器。传感器头部转刷定时对电极做自动清洗。
2.2.4 COD在线
化学需氧量是在一定条件下水体被强氧化剂重铬酸钾氧化的还原性物质所消耗重铬酸钾相对应的氧的质量浓度。论文检测。COD反应水中受还原性物质污染的程度，COD的测定可采用光学法或溶液滴定法。以国标二级排放标准COD 100mg/L为例，消解液配制重铬酸钾、硫酸亚铁铵摩尔浓度分别为0.05、0.02，需人工定时补充滴定。
2.2.5余氯
双电极结构（PH、余氯两个电极），内部设计有PH补偿电路。其PH电极原理构成同独立PH计，但无温度电极；余氯电极硝化银膜体变白即报废，属易耗品。可根据氯的消耗量估算其使用寿命，常温保存无特殊要求。
2.3流量计
2.3.1电磁流量计：
电磁流量计用于测量导电流体体积流量。北郊污水处理厂采用光华爱而美特分体式电磁流量计两台，在线检测污水及未浓缩处理的污泥体积流量，调试完成后基本处于FIT AND FORGET免维护状态，电极结构如图1。
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Ue=β·L·v·sinα
Ue—感应电势 L—电极距离 v—流速
根据法拉第电磁感应定律（图2），导电流体流经管道作切割磁力线运动时在垂直于磁场及流速的方向上产生感应电势，当磁感应强度为常数时，感应电势由两个与介质接触的电极检出并正比于平均流速。论文检测。同时为消除管道不满给流量带来的影响，加装空管检测电极。传感器腔体填充氮气密封。优点：电磁流量计无压力损耗；内无可移动部件；输出线性显示；衬里采用聚胺苯橡胶，具有超强耐磨性。缺点：超纯水电导率过低无法检测流量。
电磁流量计电极可采用电清洗或机械清洗，由软件自动控制。北郊污水处理厂现采用电极刮刀定时进行机械自清洗。
2.3.2涡街流量计
为保证流体剖面不受扰动，涡街流量计必须安装在任何引起流体扰动例如缩径、扩径或阀的上游。当流体经过流量计挡体时，科氏力导致流体变向产生漩涡，根据漩涡个数推算流速并以介质不同得出体积流量。三向抗震，性能良好。
2.3.3超声波流量计
适用于明渠体积流量测量，对温度敏感，室外安装注意遮阳。超声波流量计在污水厂进出水处应用广泛。
3. 维护保养
分体式仪表由传感器、变送器两部分构成。变送器放大板、电源板、LCD等一经损坏必须送交厂家维修；传感器依赖于日常维护。
3.1超声波物位
污水厂工况中非浸入式超声波传感器可进行电振动自清洗，定期擦拭传感器表面，数值波动时进行标定即可。
3.2分析仪表
PH、余氯等一体式电极属易耗品，浸入式安装，视工况清理传感器。年度制定采购计划更换。
DO仪在一般工况中的维护应遵循“三个一”原则，“一周清洗，一月标定，一年换液”。污水厂视使用情况而定，电解液、覆膜帽易损易耗，需定购。
3.3电磁流量计
管道安装，运行免维护。若条件允许，应在使用两年后重新进行空管及满管标定。
4. 运行问题及解决方案
4.1接地
接地在工程安装中应引起特别注意。北京某污水厂超声波液位计调试期间数值不稳定，无线性输出，经查，传感器、电缆正常，该故障由工作接地与电源接地端子连接反向引起。因此：
(1)正确连接变送器端子排工作接地及电源接地。
(2)安装点附近必须消除强电干扰。如，不能在配电箱附近安装变送器或传感器。
(3)电磁流量计埋地管通常不设专用接地线，空管检测电极、参比电极必须接地。一旦出现接地问题，则应将所有管道跨接后安全接地。
4.2 HART手操器
HART手操器是便携式仪表标定工具，操作界面直观友好，使用方便，特别适用于有防爆要求的工况。
(1)HART协议适用于大部分仪表标定。但厂家协议规约不相互开放，即手操器不能通用，且不同类型仪表之间不能通用。
(2)HART手操器直接接入测量回路使用，所括输出电气信号至PLC部分。此时手操器后端应大于250Ω，但整个回路电阻不得大于500Ω。若回路电阻大于500Ω，则摘除手操器后端电阻。
4.3溶解氧
现北郊污水处理厂以溶解氧作为工艺指示参数，东郊污水处理厂以溶氧值设计氧化沟自动运转控制。
(1)膜式溶解氧仪初期成本高维护成本低，北郊污水处理厂现有六台投入使用；固体式溶解氧仪维护费用高昂，如北京高碑店污水厂、顺义污水厂，电石损坏后仪表报废。
(2)工艺选择安装点不同影响数值可参考性。以北郊污水处理厂氧化沟工艺为例，边槽安装选择两转刷中间点距转刷约10m，转刷浸水300mm，溶解氧支架浸水1.5m。转刷启动后快速作用于溶氧输出，数值曲线以60º角攀升；转刷关闭后数值陡降，硝化反硝化交替作用，氧化沟溶氧状态反应瞬时值而非一般状态，且由于安装深度导致采样值偏低。
(3)预处理运行问题导致日常维护困难。北郊污水处理厂粗格栅距40mm，细格栅距10mm，栅距相对较宽，滤除效果差；且原设计以时间控制格栅启停，由于设备机械故障非正常运转，后续设备如溶氧探头、连接杆常被污物缠绕，造成维护困难。
(4)安装选点应考虑便于日常维护操作。
4.4流量计脉动流
类似加料蠕动泵产生的脉动流，潜水泵脉动流使流量计累积出现偏移，此时需要平衡净流量，开启EPD重新标定。
4.5超声波回波干扰
(1)安装点附近不能出现强电磁干扰，保证安全接地。
(2)因超声波以8°角散射发送，其安装位置距离池壁至少20—30cm。
(3)水面漂浮物干扰回波，调整回波因子或设置固定目标抑制。
5．结束语
综上所述，仪表的合理利用与严格控制工艺参数及设备运转相辅相承。建立完备的仪表使用维护机制、技术归档制度，提高专职人员业务工作素质，可有效促进污水厂节能降耗，保证出水达标排放，生产步入良性发展。
参考文献：
Endress+HauserProduct Manual,2003
顾夏声等，水处理微生物学，北京，中国建筑工业出版社，2002
