导波雷达液位计在污水明渠流量测量中的应用

 摘要： 污水矩形堰液位的测量仪表选型存在一定困难，工况表现为水质波动较大、环境温度较低、水面积存泡沫。本文分析了两种常规仪表：超声波液位计、雷达液位计应用此工况的局限性。zui后介绍了本项目采用的计量方法，由导波雷达液位计测量堰上水头，并换算为计量堰液位。

1　引言
在逸盛大化PTA污水处理项目中，排放的污水是一种比较难处理的化工污水，具有水质水量均波动较大的特点，需设置多个装置进行调节中和、厌氧反应等处理。在污水处理过程中，设计了厌氧计量矩形堰，用于测量污水液位。然而，矩形堰的工艺条件比较苛刻，给液位计选型造成了一定的困难。具体条件为：
（1）计量堰为矩形堰，常规的管道式液位计均不能选用，需选择明渠液位计与其配合测量；（2）厂址位于大连市，环境温度变化较大，冬季zui低温度可以达到零下二十几度；（3）水质水量变化比较大，计量堰的水面积存了大量稠密的泡沫，影响仪表的准确测量。

针对以上的工艺条件，本文分析了两种常用的测量仪表的应用，并讨论了此两类仪表应用的局限性，zui后介绍了本项目的仪表选型和测量方法：由导波雷达测量堰上水头液位，再通过计量堰液位的公式，将液位转为明渠液位值。经项目实际应用，此种测量方法较好地解决了这一测量问题。

2　明渠的测量原理
明渠液位的测量方式主要有节流式测量和潜水型雷达液位计两种形式。潜水型雷达液位计为密封式结构，整个传感器浸在污水中，污水只从雷达液位计中流过，从而测量液位。但是，污水中含有的化学物质或夹带的活性污泥都会影响到雷达液位计的正常运行，并且污水中通常含有大量的杂质，电导率不稳定，采用雷达液位计测量，会引起液位计精确度的严重飘移，造成计量不准。因此，在对污水进行测量时，应该优先选用节流式测量方式。节流式测量方式是在明渠中安装量水器具（堰、槽） ,器具对明渠中的被测流体形成约束阻力，从而在量水器具的上、下游形成液位差，此液位差与明渠横截面上平均流速成对应关系。如果能保证量水器具下游出口的液位不变，测量上游液位即可得出明渠横截面的平均流速，从而得出明渠的液位。明渠液位计由量水器具和液位计组成。量水器具分为堰式、槽式两大类，常用的有三角堰、矩形堰、帕歇尔槽等。液位计zui常用的为超声波液位计。本文选取两种液位计：超声波液位计、雷达液位计，分析液位计对此工况的应用情况，并介绍本项目的仪表选型和应用：采用导波雷波雷达液位计进行测量。

 

3　两种液位计的应用分析
3.1　超声波明渠液位计的应用分析

测量明渠液位时，应用zui为广泛的即为超声波液位计。超声波液位计采用非接触的测量方式，适用于液体、固体、有毒介质的测量。测量原理为由发送器发射超声波脉冲，声波到达液面形成反射波，该反射波又被接收器接收。由计时电路测量发射波和反射波的传播时间，以及声波的传播速度，经过运算即可得出液面高度。

 

超声波液位计具有测量距离远，精度较高的特点，并且仪表价格不高，因此适用范围较广。然而，由于测量原理的限制，液位计的测量易受到温度、湿度、气压的影响。研究表明，声波的传播速度随着温度的增加而提高，表现为温度增加1℃，声速增加约为0.17%/℃，气压每变化0.1kPa，声速约变化0.05%，可见声速受温度影响显著。超声波液位计带有内置温度传感器，可对温度变化进行补偿。但显然，超声波液位计不适用于温度变化较大的设备或场合，如果探头处与液面处的温度差较大，会影响测量。

 

分析超声波液位计应用于本项目的使用情况：（1）工厂位于北方城市，冬季环境温度可达到零下二十几度，但是流体的温度为33℃，与环境温度差别很大。由于超声波的传播速度与温度成正比，因此温度对测量结果的影响是很显著的；（2）流体表面容易产生雾气，雾气会形成对超声波有吸收和散射作用的雾汽层，影响仪表测量；（3）水面上存在稠密的泡沫，超声波液位计需要液面反射良好，当污水表面存在泡沫等漂浮物时，声阻加大，反射波强度减弱甚至消失，从而影响测量结果。显然，超声波液位计不适用于此种工况。

 

3.2　非接触式的雷达液位计的应用分析
非接触式的雷达液位计能够对液体、浆料、淤泥、固料进行连续的测量，可用于真空设备的测量，几乎不受被测介质温度、压力、易燃易爆特性的影响；且由于雷达液位计利用雷达波进行检测，雷达波可穿透蒸汽、粉尘等干扰源，抗干扰性强，应用范围非常广泛。雷达液位计测量方式与超声波液位计类似，不同之处为雷达液位计是由天线发射超高频雷达波，当雷达波碰到液面后反射回来仍由天线接收，仪表检测出发射波及回波的时差，由计算得出液面高度。相较于超声波液位计，雷达波的传播无需通过空气，环境温度和流体温度不会影响测量，并且雷达液位计的测量不受介质密度变化的影响；但是，由雷达液位计的测量原理决定， 雷达液位计需接收雷达波的反射才能完成测量。本项目中，水面上积存着大量稠密的泡沫。泡沫按照属性可以分为：干泡沫、湿泡沫、中性泡沫、重型泡沫。干泡沫和湿泡沫能将雷达波反射回来，对测量的影响不大，中性泡沫会吸收和扩散雷达波，导致影响反射甚至没有回波。当介质表面为稠密的泡沫时，仪表无法测量。因此，非接触式的雷达液位计无法排除泡沫的影响，也不适用于此工况。

 

4　导波雷达液位计的选型和应用
经上文分析，以上两种常规液位计均不适用于此类工况。基于此情况，本项目选用了导波雷达液位计进行测量。导波雷达液位计除了具有雷达液位计的特点，即不受温度、介质密度、粉尘和蒸汽的影响，同时在介质表面存在泡沫时，也可用于测量。导波雷达液位计的原理如图1所示，探头发出高频脉冲并沿缆绳传播，到达液位表面时，由于介电常数发生突变，脉冲反射形成回波并返回到脉冲发射装置，测量出脉冲波的传导时间，经计算就可得到液位高度。

测量距离h与脉冲发出与接收的时间成正比：

h=c× t/2
c为光的传播速度，已知0%量程的高度H，即可得出：
L=H-h

导波雷达液位计选型时需注意选择探头的形式，探头形式包括缆式探头、杆式探头、同轴杆式探头。其中缆式探头主要用于测量固体料位和大量程的液体料位，杆式探头适用于测量小量程的固体料位和液体，同轴杆式探头用于测量粘度较高、介电常数偏小的液体液位，并且适用于界面测量。

本项目选用E+H公司生产的FMP40导波雷达，探头型式为杆式，发射器尺寸为16mm，适用于测量小量程液体液位。测量时需注意两个问题：一是液位计存在测量盲区，盲区包括顶部盲区和底部盲区，如图1所示，顶部盲区是指能够测量的zui高物位与测量参考点之间的zui小距离，底部盲区是指探头末端无法精确测量的距离，安装和计算时需将顶部盲区和底部盲区考虑在内，不得使量程范围包括盲区距离，否则无法保证液位的准确测量。盲区的距离是固有的，顶部盲区的值与流体的介电常数和环境温度有关。 FMP40仪表顶部盲区为200mm，底部盲区为50mm；二是液位计安装时需要与堰壁保持一定的距离，并且在整个量程范围内，应该确保杆式探头与支架等障碍物的距离至少为300mm；三是探头末端应与堰底保持一定距离，杆式探头为50mm。本项目的计量堰为矩形堰，矩形堰的测量原理如图2所示，在明渠中垂直放一块上部有矩形缺口的堰板，流体被堰板挡住，液位升高直至超过堰高P时，在重力作用下，流体越过堰板向下游流去，液位和堰上水头（h）成一定的对应关系。

明渠液位公式如下：

式中Q—液位； b—堰宽； H—堰上水头； m—液位系数。液位系数计算如下：若堰宽与堰前水面宽度相等，则称无侧面收缩，当无侧面收缩，且水流流速V小的可以忽略不计时，

 

m=0.405+0.0027/H

 

分析导波雷达液位计于此工况的使用，与上文所述仪表相比，导波雷达是一种接触式的液位计，不受温度、积存泡沫的影响，导波雷达发射的脉冲信号通过导波杆传播，而不是通过空气，所以导波杆上凝洁水不会影响性能，且导波雷达精度较高，可达到3mm。

 

5　结语
在污水项目中，测量仪表的选型应该根据现场实际情况，选择合适的测量方法，才能保证测量的准确。本项目选用导波雷达液位计进行测量，经过实际应用，仪表工作性能稳定可靠，抗干扰能力强，测量效果较好。