Zastosowania ultradźwiękowych przetworników poziomu w procesach uzdatniania wody: Od wody surowej do wody odzyskanej, rozwiązując wyzwania monitoringu pełnego procesu

Przemysł uzdatniania wody obejmuje cztery główne etapy: "pobór wody surowej - uzdatnianie wody oczyszczonej - oczyszczanie ścieków - ponowne wykorzystanie wody odzyskanej". Monitorowanie poziomu na każdym etapie ma bezpośredni wpływ na stabilność procesu, jakość ścieków i koszty operacyjne. Tradycyjne urządzenia do pomiaru poziomu (takie jak pływakowe i zanurzeniowe) często zawodzą w scenariuszach uzdatniania wody z powodu takich problemów, jak zanieczyszczenie medium (osad, zawiesiny), zakłócenia środowiskowe (piana, korozja) i częste potrzeby konserwacyjne. Wykorzystując pomiary bezkontaktowe, silne możliwości przeciwzakłóceniowe i niskie wymagania konserwacyjne, ultradźwiękowe przetworniki poziomu stały się podstawowym wyposażeniem do monitorowania poziomu w całym procesie uzdatniania wody. Ich zastosowanie wymaga indywidualnego projektu w oparciu o charakterystykę pracy każdego etapu.

I. Etap poboru wody surowej: Monitorowanie poziomu w mętnych i ekstremalnych środowiskach

Pobór wody surowej wyznacza punkt wyjścia uzdatniania wody, a typowe scenariusze obejmują zbiorniki, rzeki i punkty poboru wód gruntowych. Podstawowym wymogiem monitoringu jest śledzenie w czasie rzeczywistym magazynowania wody surowej, aby uniknąć wahań procesu spowodowanych niewystarczającym lub nadmiernym poborem wody. Poniżej przedstawiono problemy operacyjne tego etapu oraz rozwiązania adaptacyjne dla ultradźwiękowych przetworników poziomu:

(I) Problemy operacyjne

Mętne medium: Woda surowa zawiera duże ilości osadu i glonów (np. mętność rzeki przekracza 500 NTU w porze powodzi). Sonda tradycyjnych zanurzeniowych przetworników poziomu jest podatna na zanieczyszczenia, co prowadzi do znacznego dryftu pomiaru.
Zakłócenia ekstremalnych warunków pogodowych: Zjawiska pogodowe, takie jak ulewne deszcze i tajfuny, powodują nagłe wzrosty i spadki poziomu wody surowej. Burzliwy przepływ wody generuje również fale, wpływając na stabilność pomiaru.
Surowe środowisko zewnętrzne: Punkty poboru znajdują się głównie na zewnątrz, w warunkach zmiennych temperatur od -20℃ do 40℃, wysokiej wilgotności i ryzyka wyładowań atmosferycznych. Sprzęt musi mieć wysoką ochronę i odporność na wyładowania atmosferyczne.

(II) Rozwiązania adaptacyjne techniczne dla ultradźwiękowych przetworników poziomu

Wybór sprzętu

Wybierz modele z zakresem bez obciążenia o 30% wyższym niż rzeczywista głębokość poboru wody (np. zakres 15 metrów dla punktu poboru 10 metrów), aby zarezerwować redundancję dla tłumienia sygnału spowodowanego falami i osadem.
Używaj sond wykonanych ze stali nierdzewnej 316L (odpornej na korozję na zewnątrz) o stopniu ochrony IP68. Niektóre modele są wyposażone w moduły ochrony odgromowej (zgodne z normą GB/T 17626.5), aby wytrzymać zakłócenia od wyładowań atmosferycznych.
Zastosuj konstrukcję zasilania o szerokim napięciu 24 V DC, aby dostosować się do wahań napięcia z zewnętrznych generatorów lub systemów zasilania słonecznego.

Optymalizacja algorytmu

Włącz "algorytm filtrowania fal": Wygładź wahania poziomu spowodowane falami, uśredniając 10 zestawów danych w ciągu 10 sekund, zmniejszając zakres wahań danych z ±10 cm do ±2 cm.
Dynamiczna regulacja progu: Dostosuj próg wykrywania echa w oparciu o mętność wody surowej (połączony z miernikami mętności na miejscu w punkcie poboru). Próg automatycznie wzrasta, gdy mętność wzrasta, aby uniknąć błędnych osądów spowodowanych sygnałami rozproszonymi przez osad.

Projekt instalacji

Zainstaluj sondę w miejscu punktu poboru z dala od wpływu przepływu wody (np. platforma wieży poboru) i dodaj osłonę fal (wykonaną z metalu lub PVC) poniżej, aby zmniejszyć wpływ zakłóceń przepływu wody na wiązkę fal dźwiękowych.
W przypadku punktów poboru z głębokich studni użyj kombinacji "sonda + rura falowodowa". Rura falowodowa ma średnicę wewnętrzną 100-150 mm, aby uniknąć odbicia od ściany studni i zakłóceń przepływu wody, kontrolując błąd w granicach ±1 cm dla zakresu 10 metrów.

(III) Przykład zastosowania: Monitorowanie poziomu w punkcie poboru wody surowej ze zbiornika

Warunki pracy: Głębokość poboru ze zbiornika wynosi 8 metrów, mętność sięga 800 NTU w porze powodzi, a minimalna temperatura zimą wynosi -15℃. Tradycyjne pływakowe przetworniki poziomu wymagają czyszczenia dwa razy w miesiącu z powodu zaplątania się osadu, z błędem pomiaru ±15 cm podczas ulewnych deszczy.
Rozwiązanie: Wybierz ultradźwiękowy przetwornik poziomu o zakresie 12 metrów, ochronie IP68 i module ochrony odgromowej, w połączeniu z osłoną fal i algorytmem filtrowania fal.
Wyniki: Dokładność pomiaru jest stabilnie utrzymywana na poziomie ±2 cm, z 18 miesiącami bezobsługowej pracy. Żadne skoki danych nie występują podczas ulewnych deszczy, a urządzenie działa normalnie w niskich temperaturach zimą, zmniejszając koszty konserwacji o 90%.

II. Etap uzdatniania wody oczyszczonej: Zapewnienie precyzyjnej kontroli poziomu w osadnikach i zbiornikach filtracyjnych

Uzdatnianie wody oczyszczonej jest kluczowym etapem oczyszczania wody surowej do wody z kranu. Kluczowe scenariusze monitoringu obejmują osadniki, zbiorniki filtracyjne i zbiorniki czystej wody. Podstawowym wymogiem jest zapewnienie stabilnej wydajności sedymentacji, wydajności filtracji i magazynowania czystej wody poprzez precyzyjną kontrolę poziomu. Poniżej przedstawiono problemy operacyjne i rozwiązania adaptacyjne dla tego etapu:

(I) Typowe scenariusze, problemy operacyjne i problemy z tradycyjnym sprzętem

Scenariusz	Główne problemy	Problemy z tradycyjnym sprzętem
Osadnik	Pływający żużel na powierzchni cieczy, osadzanie się osadu na dnie zbiornika i potrzeba stabilnej kontroli poziomu	Urządzenia pływakowe są podatne na zaplątanie się przez pływający żużel; urządzenia zanurzeniowe są łatwo blokowane przez osad
Zbiornik filtracyjny	Nagły spadek poziomu podczas płukania wstecznego, wymagający precyzyjnego uruchomienia procesu płukania wstecznego	Sprzęt kontaktowy jest łatwo uszkadzany przez uderzenia przepływu wody podczas płukania wstecznego
Zbiornik czystej wody	Monitorowanie poziomu w czasie rzeczywistym wymagane w celu uniknięcia niewystarczającego zaopatrzenia w wodę lub przepełnienia	Niektóre urządzenia nie mają wystarczającej dokładności, aby sprostać potrzebom harmonogramu dostaw wody

(II) Dostosowane zastosowanie ultradźwiękowych przetworników poziomu

1. Monitorowanie poziomu osadników

Adaptacja techniczna: Użyj sondy niskiej częstotliwości 25 kHz (o silnej penetracji, aby przejść przez cienkie warstwy pływającego żużla) i włącz "algorytm filtrowania pływającego żużla" — automatycznie eliminuj zakłócenia pływającego żużla, identyfikując różnice między echami pływającego żużla (słaba amplituda, długi czas trwania) a echami powierzchni cieczy (silna amplituda, stroma krawędź narastania).
Praktyczne wyniki: Po zastosowaniu w 8-metrowym osadniku wodociągu, błąd pomiaru jest nadal kontrolowany w granicach ±1 cm, nawet gdy grubość pływającego żużla sięga 10 cm. Efekt sedymentacji jest stabilny, a mętność ścieków jest zmniejszona z 0,5 NTU do 0,3 NTU.

2. Kontrola poziomu dla płukania wstecznego zbiornika filtracyjnego

Adaptacja techniczna: Zastosuj tryb "dwupunktowego wyzwalania poziomu" — uruchom proces płukania wstecznego, gdy poziom w zbiorniku filtracyjnym spadnie do 1 metra (zwiększony opór filtracji); zatrzymaj płukanie wsteczne, gdy poziom wzrośnie do 3 metrów po zakończeniu płukania wstecznego. Cały proces jest przekazywany w czasie rzeczywistym przez ultradźwiękowy przetwornik poziomu.
Praktyczne wyniki: Po zastosowaniu w zbiornikach filtracyjnych oczyszczalni wody, czas reakcji wyzwalania płukania wstecznego jest skrócony z 10 sekund do 1 sekundy, zużycie wody do płukania wstecznego jest zmniejszone o 15%, a żywotność mediów filtracyjnych jest przedłużona o 2 lata.

3. Monitorowanie poziomu zbiorników czystej wody

Adaptacja techniczna: Wybierz modele o wysokiej precyzji (dokładność ±0,2% FS), które obsługują komunikację Modbus-RTU w celu integracji z systemem harmonogramu dostaw wody. Dane o poziomie w czasie rzeczywistym są przesyłane w celu połączenia z pompami wodnymi, umożliwiając automatyczną kontrolę "uzupełniania wody na niskich poziomach i wyłączania pompy na wysokich poziomach".
Praktyczne wyniki: Po zastosowaniu w 15-metrowym zbiorniku czystej wody w powiecie, wahania ciśnienia w dostawie wody są zmniejszone z ±0,2 MPa do ±0,05 MPa, znacznie poprawiając doświadczenia mieszkańców w zakresie korzystania z wody, a wskaźnik wypadków związanych z przepełnieniem jest zmniejszony z 3 razy w roku do zera.

III. Etap oczyszczania ścieków: Pokonywanie wyzwań monitoringu piany, korozji i zawiesin

Oczyszczanie ścieków jest kluczowym etapem w cyklu wodnym. Kluczowe scenariusze monitoringu obejmują zbiorniki wyrównawcze, zbiorniki napowietrzania, wtórne osadniki i zbiorniki zagęszczania osadu. Warunki pracy są złożone i trudne, wymagając wysokich zdolności antyzanieczyszczeniowych, antykorozyjnych i przeciwzakłóceniowych przetworników poziomu.

(I) Przełomy techniczne w kluczowych scenariuszach

1. Rozwiązywanie zakłóceń piany w zbiornikach napowietrzania

Problem: Stabilna warstwa piany o grubości 20-30 cm tworzy się na powierzchni cieczy podczas napowietrzania. Tradycyjne przetworniki poziomu błędnie identyfikują powierzchnię piany jako rzeczywistą powierzchnię cieczy, co skutkuje błędem ±15 cm.
Rozwiązanie:
- Sprzęt: Użyj sondy nadawczej o dużej mocy 15 W (w celu zwiększenia penetracji fal dźwiękowych), z powierzchnią sondy pokrytą politetrafluoroetylenem (PTFE), aby zapobiec przyleganiu piany.
- Algorytm: Włącz "ulepszony tryb filtrowania piany" — wydłuż czas wykrywania echa do 100 ms, aby uchwycić rzeczywiste echo powierzchni cieczy poniżej piany i skorygować prędkość dźwięku poprzez kompensację temperatury (temperatura zbiornika napowietrzania waha się o 5-10℃).
Wynik: Po zastosowaniu w 10-metrowym zbiorniku napowietrzania oczyszczalni ścieków w parku przemysłowym chemicznym, błąd pomiaru jest zmniejszony z ±15 cm do ±2 cm, w pełni spełniając wymagania kontroli procesu ±5 cm.

2. Ochrona przed korozją dla zbiorników ścieków przemysłowych

Problem: Ścieki przemysłowe (np. ścieki z galwanizacji, ścieki z trawienia) zawierają silne kwasy i zasady (pH=1-13) oraz jony metali ciężkich. Tradycyjne sondy metalowe ulegają korozji w ciągu 3-6 miesięcy.
Rozwiązanie:
- Materiał sondy: Użyj w pełni pokrytych PTFE sond (w tym obudów i interfejsów kablowych) o odporności na korozję zgodnej z normą ISO 10289, zdolnych do wytrzymania ekstremalnych warunków pH=1-14.
- Konstrukcja przeciwwybuchowa: W przypadku wymagań przeciwwybuchowych w parkach przemysłowych chemicznych, wybierz ultradźwiękowe przetworniki poziomu z klasą przeciwwybuchową Ex d IIC T6, aby zapobiec wypadkom bezpieczeństwa spowodowanym mieszaninami olejowo-gazowymi.
Wynik: Po zastosowaniu w 5-metrowym zbiorniku ścieków z trawienia w fabryce galwanicznej, sonda działa przez 24 miesiące bez uszkodzeń korozyjnych. Jego żywotność jest 4 razy dłuższa niż w przypadku tradycyjnego sprzętu, a koszty konserwacji są zmniejszone o 80%.

3. Rozwiązywanie zakłóceń zawiesin w zbiornikach zagęszczania osadu

Problem: Stężenie osadu przekracza 10 000 mg/l, a zawiesiny łatwo rozpraszają fale dźwiękowe, co skutkuje słabymi sygnałami echa i awarią pomiaru.
Rozwiązanie:
- Pomoc rury falowodowej: Zainstaluj rurę falowodową ze stali nierdzewnej 316L (średnica wewnętrzna 120 mm) poniżej sondy. Fale dźwiękowe przenoszą się wzdłuż rury falowodowej, aby uniknąć rozpraszania przez zawiesiny.
- Dynamiczna regulacja mocy: Automatycznie zwiększ moc nadawczą w oparciu o stężenie osadu (połączone z miernikami stężenia na miejscu). Im wyższe stężenie, tym większa moc (do 20 W), aby zapewnić siłę sygnałów echa.
Wynik: Po zastosowaniu w 8-metrowym zbiorniku zagęszczania osadu miejskiej oczyszczalni ścieków, efektywny wskaźnik pomiaru wzrasta z 60% do 99,8%, błąd jest kontrolowany w granicach ±3 cm, a wydajność odwadniania osadu poprawia się o 10%.

(II) Przykład zastosowania: Monitorowanie pełnego procesu w oczyszczalni ścieków w parku przemysłowym

Obejmujące scenariusze: 5-metrowy zbiornik wyrównawczy, 10-metrowy zbiornik napowietrzania, 8-metrowy wtórny osadnik, 6-metrowy zbiornik zagęszczania osadu.
Ujednolicone rozwiązanie: Użyj ultradźwiękowych przetworników poziomu tej samej marki, zintegrowanych z systemem SCADA parku za pośrednictwem protokołu Modbus-RTU, aby uzyskać wizualizację danych o poziomie w całym procesie i połączoną kontrolę.
Kompleksowe wyniki:
- Dokładność pomiaru na każdym etapie wynosi ≤±2 cm, a stabilność procesu poprawia się o 30%.
- Średni czas między awariami (MTBF) sprzętu sięga 18 miesięcy, a koszty konserwacji są zmniejszone o 92%.
- Łącząc się z systemami dopływu wody, napowietrzania i drenażu, zdolność oczyszczania ścieków wzrasta o 20%, a wskaźnik zgodności ścieków wzrasta z 95% do 100%.