超声波泥位计应用问题及解决措施
时间：2023-01-23 19:20:03 来源：天一资源网 本文已影响 人 
赵延广 雷 斌
（1.重庆川仪分析仪器有限公司，重庆 401121；
2.哈希水质分析仪器（上海）有限公司，上海 200035）
在自来水厂和污水处理厂，各种类型的沉淀池承担了非常重要的任务。在沉淀池的运行管理中，排泥是最重要也是最难控制的一个操作：什么时候开始排泥、每次排泥多长时间才能达到最佳效果很难判断［1］。
最理想的控制排泥的方式是利用泥位计测量泥层厚度，根据泥层厚度来控制排泥。泥位测量的方式有超声波泥位计和污泥浓度泥位计两种，其原理分别如下：
超声波泥位计：泥位计传感器发出一束超声波，该波束被池底泥层反射，传感器通过监测回波强度和回波时间来计算泥位。
污泥浓度原理：污泥浓度传感器在沉淀池内上下移动，当接触到泥层时，污泥浓度测量值会发生突变，根据此时传感器的位置来计算泥位。
由于后者系统比较复杂，功耗较大，且无法连续实时测量，所以目前常用超声波泥位计来测量泥位。很多自来水厂和污水厂都在沉淀池上安装超声波污泥位计，希望通过测量池底的污泥界面或污泥厚度来指导排泥。但很多泥位计应用效果并不理想，无法准确有效的监测泥位，致使大量的泥位计瘫痪在现场，起不到应有的作用，也降低了用户对超声波泥位计的信心。
在泥位计无法正常工作的情况下，用户只能根据经验来控制排泥，但是这种方法存在排泥滞后或过渡排泥的情况，沉淀池难以保证在最佳点运行。所以，不能实时监测泥位，是用户的一大痛点。
为了解决这一问题，本文分析了多家用户泥位计的使用情况，总结出泥位计使用过程中的典型问题及解决方案。
超声波泥位计采用超声波脉冲原理测量污泥界面。传感器发出的超声波信号直接传入水池中的污泥层（如图1），污泥层高度和深度的测量是根据超声波返回传感器表面的时间确定的，仪器通过计算回波的时间和强度，根据设定的阈值计算出泥位，进而计算出泥层厚度［2］。
图1 超声波泥位计原理
根据超声波泥位计的测量原理可知，要想准确的测量泥位，需要正确的设置传感器到池底的距离和信号的阈值。另外，安装点附近需要没有影响回波的干扰物。
阈值用于根据回波强度判断泥位，是指相对于最大回波强度的百分比，比如设定阈值为0.7，且最大回波强度为1，则仪器计算回波强度初次大于0.7的点位，记录为泥层位置。仪器一般默认是自动阈值，取值范围是0.3～1.0，不需要特殊设置。但是某些应用，比如泥水界面不清晰，泥位处回波强度弱时，可能需要手动修改阈值至仪器自动阈值下限以下，典型应用是自来水厂高密度沉淀池，一般阈值需要设置在0.3 以下。
超声波泥位计原理简单，可以实时测量泥层位置和泥层厚度。但是其应用受限条件较多，致使很多情况下应用效果并不好。典型的问题包括仪器故障、测量结果不准确、数据波动等。本文重点讨论仪器硬件正常时的应用问题，仪器故障不做讨论。针对各种问题，结合案例进行介绍。
3.1 仪器测量值很低且变化不大
该问题的主要现象是仪器测量的泥位持续较低，且变化不大或几乎无变化，与用户沉淀池的运行经验明显不符。出现该问题的原因可能有三，分别如下：
（1）池深和探头安装深度设置不正确，导致仪器结果计算错误，这是比较常见的问题，可通过参数设置解决，具体见4.2 节。
（2）仪器阈值设置过高
如果阈值设置过高，会导致仪器找不到符合阈值的回波强度，从而也无法计算泥位，导致泥位为0或者值很低。由于仪器一般采用自动阈值，所以此类情况出现较少，一般是自来水厂，因为原水悬浮物浓度低，致使沉淀池内污泥量少，泥水界面不清晰，此时在0.3～1.0 的自动阈值范围内找不到回波，所以无法检测到泥位。
（3）仪器测量结果正确，现场工艺确实在低泥位运行，但由于与用户经验不符而被质疑，这也是常见的一种情况。如重庆某水厂仪器测量信号如图2 所示。
图2 某水厂泥位测量信号
图中上部为回波图，下部曲线为泥位测量值。仪器测量的泥位一直在0.18 米附近，且伴有约12分钟的周期性波动，而被质疑测量不正确。后经比测发现泥位确实只有0.2 米左右，周期性的波动是因为刮泥机经过时刮泥板顶部被仪器检测到，刮泥机的转动周期为12分钟，与波动周期吻合，说明仪器是正常工作的。
（4）传感器信号幅值很低
因为传感器被污染或者传感器故障而导致信号幅值低，从而测量的结果也比较到底。
前者可以通过清洗传感器解决，但后者就需要联系厂家解决。
3.2 测量出现异常高值
此类问题也比较常见，其原因一般是仪器安装位置有干扰或传感器刮刷位置不正确。如某污水厂二沉池池深3.5 米，仪器测量泥层厚度为2.7 米，且一直不变化。仪器回波图如图3 所示。
图3 某污水厂泥位测量信号
从图中可以看拿出，在2.71米处有异常干扰，导致出现常烈的回波，仪器根据回波强度判定泥层厚度为2.71米，从而导致测量结果异常。经查原因是安装点附近有管线经过。此时需要更改安装位置避开干扰，当无法避开时，也可以通过设置盲区的方式解决，即让仪器避开干扰位置附近的检测信号。具体见4.3节所述。
3.3 测量信号波动
测量信号波动常见于自来水厂沉淀池，由于污泥量小，没有成形的污泥层，而是以泥水混合层的形式存在，此时回波强度小，需要降低阈值才能判断出泥位，但是降低阈值会导致仪器灵敏度升高，测量结果波动。另外当污泥沉降性能不佳，当有泥团经过时，也会导致测量值出现波动。
综上，导致超声波泥位计应用效果不佳的主要原因有安装问题、配置问题、应用问题、仪器故障等，各种原因的解决方案如下：
4.1 安装问题
安装问题主要是安装点位不合适或安装方式不当。
超声波泥位计通过测量超声波回波来测量污泥界面，进而计算出污泥位置或泥层厚度。如果安装点位选择不当，会影响回波信号，从而影响测量结果。超声波泥位计使用问题大部分都是因安装问题导致。
超声波泥位计安装要求主要如下：
1）安装点位附近无干扰，且池底平坦
安装带因为附近无线缆或管道等会影响回波强度的构筑物。不同的沉淀池，适合的安装位置也各不相同，建议将仪器安装在远离泥斗，且底部比较平缓的区域。图4、图5分别为平流沉淀池和辐流式沉淀池的安装建议图，最佳安装位置均建议在B 区域［2］。
图4 平流沉淀池
图5 辐流式沉淀池
安装完毕后，测试一下仪器的回波强度，以传感器到池底之间没有明显的干扰为最佳。表1为sonatax sc 的回波表。
表1 泥位计回波表
从表1中可以看出在0.87米和2.15米处有两处干扰，且池底为3.3米。此时应调整安装位置，使得只在3.3 米处有回波。
2）传感器到池壁距离足够远
由于超声波发生器发出的超声波束都有一定的发散角，当传感器距池壁较近时，波束可能打到池壁上产生回波从而影响测量。所以安装时传感器距池壁应足够远。以哈希公司sonatax sc为例，要求传感器距池壁的距离不小于0.2+（0.05×池深）［2］。其他厂家也各有不同的要求，安装时需严格遵循。
3）传感器竖直安装
当传感器安装出现角度偏差时，会使得超声波路径变长，从而影响测量结果。所以安装时应保证传感器数值安装，各厂家的传感器都有角度检测的功能，可借助该功能保证安装角度。
4.2 设置问题
如前文所述，超声波泥位计需要准确设置池深、传感器到池底距离、检测阈值、测量参数（泥层位置或泥层厚度）等参数，如果这些参数设置不当，会影响测量结果。最常见的设置问题是池深和传感器浸没深度输入不正确，这会导致一定的测量偏差；
另外，测量参数是泥层位置或泥层厚度也经常选错，从而导致测量的结果相差很大。因为泥层位置是相对于基准的距离，基准一般为池顶位置；
而泥层厚度是泥层位置相对于池底的距离，两者有较大的差异。
图6 是安装示意图，超声波泥位计安装完毕正式投运之前，需要正确的测量并输入A（浸没深度）和C（池深）的数值［2］。
图6 安装示意图
4.3 应用问题
常见的应用问题有两类，一是应用点位不适合，比如自来水厂高密的沉淀池，当原水悬浮物含量低时，沉淀池内的污泥量小，在沉淀池中下部会形成一段泥水混合层，而没有清晰的泥位，此时泥位计的回波强度低且变化较小，仪器难以准确判断泥层，导致测量出现偏差。而高密度沉淀池最佳运行工况是需要保证底部有一定污泥层，因此，此种情况建议更改沉淀池运行工艺，通过污泥回流调整进水悬浮物浓度值，从而保证沉淀池内有一定的污泥层，此时，超声波泥位计就能很好的测量污泥厚度。
另一种应用问题时安装点位附近有不可避开的干扰，此时会出现3.2 节所示的异常高值。这种情况可以通过设置盲区的方式，让仪器避开干扰段的测量。以3.2节所示的案例为例，采用的是sonatax测量，利用仪器的淡出功能屏蔽掉2.5～3.0 米这一段，之后再次测量回波图如图7 所示。
图7 去除干扰后的回波图
此时测量的泥层厚度是0.26米，与实验室测量结果一致，且符合沉淀池运行情况。
4.4 仪器问题：仪器硬件故障
即仪器硬件故障，当仪器出现硬件故障，或者传感器监测面被污染时，都可能对测量造成影响。此时可先清洗传感器，若仍无法解决，则可通过诊断功能查看仪器的报警信息，并根据手册所描述的处理办法进行处理。
综上所述，超声波泥位计在仪器硬件正常、安装和设置正确的情况下，可以实时、正确的测量各种类型沉淀池的泥位，可以用于指导沉淀池排泥工作，且相较于污泥浓度法的泥位计，超声波泥位计有着系统简单、测量快速等优点。现场应用不佳大多是由于应用不当所致，包括安装位置选点不当、仪器基本参数设置问题等，此类问题都可根据本文所述方法，通过安装或者仪器设置解决。但是诸如自来水高密池等泥位不清晰的工况，超声波泥位计的应用确实会受到局限，出现测量不准确或者测量数值波动的问题。
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