摘 要： 論文闡述了自動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。重點分析了4種液位計3種流量計的工作原理，注意事項和適用范圍以及濁度儀表的選型和注意事項。總結(jié)出自動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： 自動化 電子儀表 水處理 工藝管理
1 自動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：主要工藝過程基本與相應(yīng)的儀表及自控技術(shù)有關(guān)。通過電子儀表連續(xù)檢測各工藝數(shù)據(jù)，根據(jù)這些即時數(shù)據(jù)進行手動或自動控制，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，由于檢測儀表測定的數(shù)值與設(shè)定值可連續(xù)進行比較，發(fā)生偏差時，立即進行調(diào)整，從而保證水處理質(zhì)量。根據(jù)儀表檢測的參數(shù)，能進一步自動調(diào)節(jié)和控制藥劑投加量，保證水泵機組的合理運行，使管理更加科學(xué)化，達到經(jīng)濟運行的目的。由于儀表具有連續(xù)檢測、越限報警的功能，便于及時處理事故。
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)測生產(chǎn)過程物理參數(shù)的儀表，如檢測溫度、壓力、液位、流量等。這類儀表采用了一部分國產(chǎn)表，其性能和質(zhì)量基本能滿足要求。另一類屬于檢測水質(zhì)的分析儀表，如檢測水的濁度、pH值、溶氧含量、電導(dǎo)率、余氯、SCD值等。這些專用儀表在我國發(fā)展比較晚，因此，基本選用國外進口E+H產(chǎn)品，從實際效果看是比較經(jīng)濟、可靠的。
檢測儀表的好壞直接關(guān)系到水廠自動化的效果，甚至是供水的安全性。在水廠儀表設(shè)計選型中，從儀表的性能、質(zhì)量、價格、備件情況、售后服務(wù)等方面進行了反復(fù)比較，最后采用進口儀表和國產(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，儀表測量結(jié)果的準確程度，誤差越小，精確度越高。生產(chǎn)過程物理檢測儀表的精確度為±1%，水質(zhì)分析儀表的精確度為±2%，測高濁水的濁度儀的精確度為±5%。（2）響應(yīng)時間：當對被測量進行測量時，儀表指示值總要經(jīng)過一段時間才能顯示出來，這段時間即為儀表的響應(yīng)時間。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。對水質(zhì)分析儀表要求的響應(yīng)時間應(yīng)不超過3min。（3）輸出信號：儀表的模擬輸出應(yīng)是4mA～20mADC信號，負載能力不小于600Ω。（4）儀表的防護等級應(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)場監(jiān)測儀表宜選用數(shù)顯儀。（7）儀表的工作電源應(yīng)獨立，不應(yīng)和計算機共用電源，以保證發(fā)生故障和檢修時電源互不干擾，使各自都能穩(wěn)定可靠地運行。（8）為使計算機能檢測到電壓互感器和電流互感器的異常信號并報警，設(shè)計選配的電壓及電流變送器的輸入信號應(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)驗的儀表生產(chǎn)廠商。
4 液位計的選型及注意事項
選型時應(yīng)注意測量對象的性質(zhì)，如被測介質(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；還要兼顧測量和控制要求，如測量范圍、測量或控制精確度、顯示方式、現(xiàn)場指示、遠距離指示、與計算機的接口、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如下：
（1）浮球式液位計：在液體中放入一個空心的浮球，當液位變化時，浮球?qū)a(chǎn)生與液位變化相同的位移。可用機械或電的方法來測得浮球的位移，其精確度較低，這種液位計不適用于高粘度的液體，輸出端為開關(guān)控制。在我公司凈水廠及新建污水廠的設(shè)計中，多將此種液位開關(guān)用于地下設(shè)備間污水坑，用于控制排污泵的自動開停。
（2）靜壓或差壓式液位計：由于液柱的靜壓與液位成正比，因此利用壓力表測量基準面上液柱的靜壓就可測得液位。根據(jù)被測介質(zhì)的密度及液體測量范圍計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。這種液位計的精確度為±0.5%～2%。
（3）電容式液位計：在容器內(nèi)插入電極，當液位變化時，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)換成標準化的直流電信號。其精確度為±0.5%～1.5%。
電容式液位計具有以下優(yōu)點：傳感器無機械可動部分，結(jié)構(gòu)簡單、可靠；精確度高；檢測端消耗電能小，動態(tài)響應(yīng)快；維護方便，壽命長。缺點是被測液體的介電常數(shù)不穩(wěn)定會引起誤差。電容式液位計一般用于調(diào)節(jié)池、清水池等的液位測量。當測量范圍不超過2m時，采用棒狀、板狀、同軸電極；當超過2m時，采用纜式電極。當被測介質(zhì)為水時，采用帶絕緣層可用聚乙烯的電極。
（4）超聲液位計：超聲液位計的傳感器由一對發(fā)射、接收換能器組成。發(fā)射換能器面對液面發(fā)射超聲波脈沖，超聲波脈沖從液面上反射回來，被接收換能器接收。根據(jù)發(fā)射至接收的時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%。這種液位計無機械可動部分，可靠性高，安裝簡單、方便，屬于非接觸測量，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量。但此種方法有一定的盲區(qū)，且價格較貴。
5 流量儀表的選型及注意事項
流量測量分為兩種，一種用于流量檢測，參與過程控制，以達到提高生產(chǎn)自動化水平，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量，不僅計量產(chǎn)品的產(chǎn)量，還是供水企業(yè)主要技術(shù)經(jīng)濟指標計算的依據(jù)。在供水企業(yè)最主要的8項基本經(jīng)濟指標中，有4項指標是以流量計測量的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。
流量計的選型應(yīng)考慮以下因素：任何型號的流量計都必須有國家計量部門檢定的證書方可選用。流量計本身的壓力損失要小。根據(jù)行業(yè)要求，流量計的準確度應(yīng)不低于2.5級。安裝現(xiàn)場條件應(yīng)滿足所選流量計對直管段的要求。所選流量計應(yīng)能適應(yīng)安裝現(xiàn)場環(huán)境條件如溫度、濕度、電磁干擾。所選流量計應(yīng)能適用于待測的液體介質(zhì)。
目前，在給排水工程設(shè)計中，采用最多的是電磁流量計和超聲流量計。
（1）電磁流量計：電磁流量計的原理是應(yīng)用法拉弟電磁感應(yīng)定律，由傳感器和轉(zhuǎn)換器組成。在測量中，液體本身為導(dǎo)體，磁場通過安裝在管路中的兩個線圈產(chǎn)生。線圈由交流或直流電源勵磁，磁場作用于管道內(nèi)流動的液體，在管道中產(chǎn)生一個與被測流體平均流速V相對應(yīng)的電壓，且該電壓與流體的流速分布無關(guān)。與管道絕緣的兩個電極監(jiān)測液體的感應(yīng)電壓。磁場方向、流體流向及兩個檢測電極的相對位置三者互相垂直。
電磁流量計的優(yōu)點：測量不受被測液體的溫度、壓力或粘度的影響。沒有壓力損失。能連續(xù)測量，測量精確度高。口徑范圍和測量范圍大，測量范圍連續(xù)可調(diào)。與流速分布無關(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，輸出為標準化信號，可方便地進入自控系統(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，便于現(xiàn)場觀察。應(yīng)用于水處理系統(tǒng)的電磁流量計的襯里材料多選用氯丁橡膠，因其有較好的耐磨性。
安裝時應(yīng)注意遠離外界的電磁場源，以免影響傳感器的工作磁場及流量信號，傳感器水平安裝時，要求兩個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。測量管內(nèi)應(yīng)為滿管，不允許大量氣泡通過傳感器，當不能滿足條件時，應(yīng)采取相應(yīng)措施。為使儀表可靠地工作，提高測量精確度，不受外界寄生電勢的干擾，傳感器應(yīng)有良好的單獨接地線，且接地電阻應(yīng)小于10Ω，尤其是安裝在陰極保護管道上時。
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)生的強電信號的干擾。
（2）超聲流量計：最近十幾年來，由于電子技術(shù)的發(fā)展，超聲流量計才得以應(yīng)用于流量測量。利用超聲流量計進行測量的方法有很多種，其中較為典型的是時差法和多普勒法。凈水廠多選用時差法流量計，其方法是在測量管道上安裝兩個換能器，因順流與逆流流速差別的影響，測量從發(fā)射到接收而產(chǎn)生的時間差，據(jù)此測出流速。
超聲流量計的主要優(yōu)點：安裝維護方便。隨著夾裝式傳感器的廣泛使用，在安裝和維護超聲流量計時不需在管道上打孔或切斷流量，就可在已存在的應(yīng)用場合很方便地進行安裝，尤其適用于大口徑管道檢測系統(tǒng)。口徑范圍大，且價格不受管徑影響。測量可靠性高。無壓力損失。不受流體參數(shù)影響。輸出標準化直流信號，可方便地進入自控系統(tǒng)。
選用超聲流量計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，這些因素對測量結(jié)果影響很大。另據(jù)超聲流量計的測量原理，只有流速分布均勻時才能保證測量的精確度，所以在流量計的上下游要有足夠的直管段，參考各種資料及流量計的使用手冊，要求上游最少不小于10D，下游大于5D。
由于自來水行業(yè)為連續(xù)生產(chǎn)，進行不間斷計量是極為重要的，所以一般安裝于管道上的流量計不能經(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，按周期送國家認證單位進行校準，作為企業(yè)的標準器具，再用比對的方式定期檢測在線流量計。
（3）明渠流量計：公司東區(qū)污水廠現(xiàn)有明渠流量計的實質(zhì)為超聲波液位計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)點是水位損失小、水中即使有固態(tài)物質(zhì)也幾乎不沉淀、對下流側(cè)的水位影響比較小等，所以被用來測量農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水等其它液體的流量。
超聲波明渠流量計特點：可測量非滿管（圓管、蛋形管或其它異形管）流量。可測量渠道（圓形渠、矩形渠或其它異形渠）流量。可測量天然的河、溪流量。可測量污水排放渠道或管道（下水道）流量。可測量正向和反向流速和流量。可提供瞬時流量值和累計流量值。輸出信號：RS-485、Modbus、4～20Ma電流信號和多路開關(guān)量。傳感器可在惡劣的現(xiàn)場和污水水質(zhì)下長期工作。可選配短信或GPRS無線模塊實現(xiàn)遠程遙測。傳感器外殼為聚碳酸酯，防護等級IP68。內(nèi)置自動溫度補償。盲區(qū)可調(diào)節(jié)，屏蔽探頭附近干擾信號。
超聲波明渠流量計的精度有兩個概念：超聲波探頭和變送器處理液位值的精度，以及液位信號、面積、時間經(jīng)過積分計算后的精度，一般為0.2%～0.5%。
6 濁度儀表的選型及注意事項
濁度是水體渾濁程度的度量，凈水廠負責供應(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。濁度是一項很重要的水質(zhì)指標，因此對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)測定濁度儀和化驗室固定及便攜式濁度儀，就其設(shè)計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水的低濁度有較高的靈敏度，準確度高，相對誤差小，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)準則》中規(guī)定將散射光濁度儀作為測定儀器。
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，取樣孔不要開在被取樣管道的頂部，避免將管道中的氣泡抽進取樣管而影響濁度儀的測量準確度，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，出廠水的測量在送水泵房設(shè)置水質(zhì)儀表間進行，將濁度儀及其他水質(zhì)檢測儀表置于儀表間內(nèi)，再將信號引至監(jiān)控站。
7 自動化儀表系統(tǒng)的接地和防雷
接地可分為保護接地和工作接地。保護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遭受觸電危險和保護設(shè)備的安全。工作接地是為保證儀表穩(wěn)定可靠地運行。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)點是PE線在正常工作時不呈現(xiàn)電流，因此設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分不呈現(xiàn)對地電壓而且在事故時也容易切斷電源，有較強的電磁適應(yīng)性，避免了高次諧波的干擾。工作接地的原則是單點接地。由于對地電位差的存在，如果出現(xiàn)一個以上的接地點就會形成地回路，將干擾引入儀表中，所以，同一信號回路、同一屏蔽層只能有一個接地點。
儀表工作接地可單獨設(shè)置或與保護接地共用同一接地體。從工程實踐經(jīng)驗來看，接地電阻一般應(yīng)不超過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。在實踐中，2009年4月，凈水廠曾發(fā)生過雷擊損壞設(shè)備事件。因此，安裝品質(zhì)優(yōu)良，動作可靠的避雷器是不可缺少的保護措施。
8 自動化儀表選型安裝及管理措施的總結(jié)
（1）要實現(xiàn)水處理行業(yè)的現(xiàn)代化管理，必須使用自動化儀表。（2）儀表安裝人員應(yīng)具有專業(yè)技能，為用戶著想，在設(shè)計與選用儀表時，應(yīng)做到：穩(wěn)定可靠，操作簡單，安裝方便，物美價廉，連續(xù)測量，反應(yīng)靈敏，互換性強，便于維護等。（3）水處理企業(yè)應(yīng)有專業(yè)技術(shù)人員進行管理，平時應(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，對儀表的使用情況做跟蹤調(diào)查，了解儀表的工作情況，及時總結(jié)經(jīng)驗，以利于今后的管理工作日
