کاربردهای فرستنده‌های سطح فراصوت در فرآیندهای تصفیه آب: از آب خام تا آب بازیافتی، رسیدگی به چالش‌های نظارت بر کل فرآیند

صنعت تصفیه آب شامل چهار مرحله اصلی است: "ورود آب خام - تصفیه آب تصفیه شده - تصفیه فاضلاب - استفاده مجدد از آب بازیافتی". نظارت بر سطح در هر مرحله مستقیماً بر پایداری فرآیند، کیفیت آب خروجی و هزینه های عملیاتی تأثیر می گذارد. دستگاه های اندازه گیری سطح سنتی (مانند شناور و زیردریایی) اغلب در سناریوهای تصفیه آب به دلیل مسائلی مانند آلودگی محیط (رسوب، جامدات معلق)، تداخل محیطی (کف، خوردگی) و نیاز به تعمیر و نگهداری مکرر، با شکست مواجه می شوند. با بهره گیری از اندازه گیری غیر تماسی، قابلیت های ضد تداخل قوی و الزامات نگهداری کم، فرستنده های سطح اولتراسونیک به تجهیزات اصلی برای نظارت بر سطح کل فرآیند در تصفیه آب تبدیل شده اند. کاربرد آنها مستلزم طراحی سفارشی بر اساس ویژگی های عملیاتی هر مرحله است.

I. مرحله ورود آب خام: نظارت بر سطح برای محیط های کدر و شدید

ورود آب خام نقطه شروع تصفیه آب را نشان می دهد که سناریوهای رایج شامل مخازن، رودخانه ها و نقاط ورودی آب زیرزمینی است. نیاز اصلی نظارت، ردیابی بلادرنگ ذخیره آب خام برای جلوگیری از نوسانات فرآیند ناشی از ورودی آب ناکافی یا بیش از حد است. در زیر نقاط درد عملیاتی این مرحله و راه حل های انطباق برای فرستنده های سطح اولتراسونیک آمده است:

(I) نقاط درد عملیاتی

محیط کدر: آب خام حاوی مقادیر زیادی رسوب و جلبک است (به عنوان مثال، کدورت رودخانه در فصول سیل بیش از 500 NTU است). پروب های فرستنده های سطح زیردریایی سنتی مستعد گرفتگی هستند که منجر به انحراف اندازه گیری قابل توجهی می شود.
تداخل شدید آب و هوا: رویدادهای آب و هوایی مانند باران های شدید و طوفان ها باعث افزایش و کاهش ناگهانی سطح آب خام می شوند. جریان آب متلاطم نیز امواج ایجاد می کند که بر پایداری اندازه گیری تأثیر می گذارد.
محیط خشن در فضای باز: نقاط ورودی بیشتر در فضای باز قرار دارند و با تغییرات دما از -20 درجه سانتیگراد تا 40 درجه سانتیگراد، رطوبت بالا و خطرات صاعقه مواجه هستند. تجهیزات باید دارای حفاظت بالا و قابلیت مقاومت در برابر صاعقه باشند.

(II) راه حل های انطباق فنی برای فرستنده های سطح اولتراسونیک

انتخاب سخت افزار

مدل هایی را انتخاب کنید که محدوده بار خالی آنها 30٪ بیشتر از عمق ورودی آب واقعی باشد (به عنوان مثال، محدوده 15 متری برای نقطه ورودی 10 متری) تا افزونگی برای تضعیف سیگنال ناشی از امواج و رسوب ذخیره شود.
از پروب هایی استفاده کنید که از فولاد ضد زنگ 316L ساخته شده اند (مقاوم در برابر خوردگی در فضای باز) با درجه حفاظت IP68. برخی از مدل ها مجهز به ماژول های حفاظت از صاعقه (مطابق با استاندارد GB/T 17626.5) برای مقاومت در برابر تداخل صاعقه هستند.
طراحی منبع تغذیه ولتاژ گسترده 24 ولت DC را برای انطباق با نوسانات ولتاژ از ژنراتورهای فضای باز یا سیستم های انرژی خورشیدی اتخاذ کنید.

بهینه سازی الگوریتم

"الگوریتم فیلتر موج" را فعال کنید: نوسانات سطح ناشی از امواج را با میانگین گیری 10 مجموعه داده در عرض 10 ثانیه هموار کنید و دامنه نوسان داده را از ±10 سانتی متر به ±2 سانتی متر کاهش دهید.
تنظیم آستانه پویا: آستانه تشخیص اکو را بر اساس کدورت آب خام تنظیم کنید (مرتبط با کنتورهای کدورت در محل در نقطه ورودی). هنگامی که کدورت افزایش می یابد، آستانه به طور خودکار افزایش می یابد تا از اشتباه ناشی از سیگنال های پراکنده رسوب جلوگیری شود.

طراحی نصب

پروب را در موقعیتی از نقطه ورودی دور از ضربه جریان آب نصب کنید (به عنوان مثال، سکوی برج ورودی) و یک محافظ موج (ساخته شده از فلز یا PVC) در زیر اضافه کنید تا تأثیر اختلال جریان آب بر پرتو امواج صوتی کاهش یابد.
برای نقاط ورودی چاه عمیق، از ترکیب "پروب + لوله موجبر" استفاده کنید. لوله موجبر دارای قطر داخلی 100-150 میلی متر است تا از انعکاس دیواره چاه و تداخل جریان آب جلوگیری شود و خطا را در محدوده ±1 سانتی متر برای محدوده 10 متری کنترل کند.

(III) مورد کاربردی: نظارت بر سطح در نقطه ورودی آب خام مخزن

شرایط عملیاتی: عمق ورودی مخزن 8 متر است، کدورت در فصول سیل به 800 NTU می رسد و حداقل دما در زمستان -15 درجه سانتیگراد است. فرستنده های سطح شناور سنتی به دلیل درهم تنیدگی رسوب، نیاز به تمیز کردن دو بار در ماه دارند، با خطای اندازه گیری ±15 سانتی متر در باران های شدید.
راه حل: یک فرستنده سطح اولتراسونیک با محدوده 12 متری، حفاظت IP68 و یک ماژول حفاظت از صاعقه، همراه با یک محافظ موج و الگوریتم فیلتر موج را انتخاب کنید.
نتایج: دقت اندازه گیری به طور پایدار در ±2 سانتی متر حفظ می شود، با 18 ماه عملکرد بدون نیاز به تعمیر و نگهداری. هیچ جهش داده ای در باران های شدید رخ نمی دهد و دستگاه در دمای پایین در زمستان به طور معمول کار می کند و هزینه های نگهداری را 90٪ کاهش می دهد.

II. مرحله تصفیه آب تصفیه شده: اطمینان از کنترل دقیق سطح مخازن ته نشینی و مخازن فیلتر

تصفیه آب تصفیه شده مرحله اصلی تصفیه آب خام به آب لوله کشی است. سناریوهای اصلی نظارت شامل مخازن ته نشینی، مخازن فیلتر و مخازن آب شفاف است. نیاز اصلی اطمینان از راندمان ته نشینی پایدار، عملکرد فیلتراسیون و ذخیره آب شفاف از طریق کنترل دقیق سطح است. در زیر نقاط درد عملیاتی و راه حل های انطباق برای این مرحله آمده است:

(I) سناریوهای معمولی، نقاط درد عملیاتی و مسائل مربوط به تجهیزات سنتی

سناریو	نقاط درد اصلی	مسائل مربوط به تجهیزات سنتی
مخزن ته نشینی	توده های شناور روی سطح مایع، رسوب در کف مخزن و نیاز به کنترل سطح پایدار	دستگاه های شناور مستعد درهم تنیدگی توسط توده های شناور هستند. دستگاه های زیردریایی به راحتی توسط رسوب مسدود می شوند
مخزن فیلتر	افت ناگهانی سطح در هنگام شستشوی معکوس، نیاز به راه اندازی دقیق فرآیند شستشوی معکوس	تجهیزات تماسی به راحتی توسط ضربه جریان آب شستشوی معکوس آسیب می بینند
مخزن آب شفاف	نظارت بر سطح در زمان واقعی برای جلوگیری از کمبود آب یا سرریز	برخی از تجهیزات فاقد دقت کافی برای پاسخگویی به نیازهای برنامه ریزی تامین آب هستند

(II) کاربرد سفارشی فرستنده های سطح اولتراسونیک

1. نظارت بر سطح مخازن ته نشینی

انطباق فنی: از یک پروب فرکانس پایین 25 کیلوهرتز (با نفوذ قوی برای عبور از لایه های نازک توده های شناور) استفاده کنید و "الگوریتم فیلتر توده های شناور" را فعال کنید - با شناسایی تفاوت های بین اکوهای توده های شناور (دامنه ضعیف، مدت زمان طولانی) و اکوهای سطح مایع (دامنه قوی، لبه بالارونده تند)، تداخل توده های شناور را به طور خودکار حذف کنید.
نتایج عملی: پس از استفاده در یک مخزن ته نشینی 8 متری از یک تصفیه خانه آب، خطای اندازه گیری حتی زمانی که ضخامت توده های شناور به 10 سانتی متر می رسد، در ±1 سانتی متر کنترل می شود. اثر ته نشینی پایدار است و کدورت خروجی از 0.5 NTU به 0.3 NTU کاهش می یابد.

2. کنترل سطح برای شستشوی معکوس مخزن فیلتر

انطباق فنی: حالت "راه اندازی سطح دو نقطه ای" را اتخاذ کنید - هنگامی که سطح مخزن فیلتر به 1 متر می رسد (افزایش مقاومت فیلتراسیون)، فرآیند شستشوی معکوس را راه اندازی کنید. هنگامی که سطح پس از تکمیل شستشوی معکوس به 3 متر می رسد، شستشوی معکوس را متوقف کنید. کل فرآیند توسط فرستنده سطح اولتراسونیک در زمان واقعی بازخورد داده می شود.
نتایج عملی: پس از استفاده در مخازن فیلتر یک تصفیه خانه آب، زمان پاسخ راه اندازی شستشوی معکوس از 10 ثانیه به 1 ثانیه کاهش می یابد، مصرف آب شستشوی معکوس 15٪ کاهش می یابد و عمر مفید محیط فیلتر 2 سال افزایش می یابد.

3. نظارت بر سطح مخازن آب شفاف

انطباق فنی: مدل های با دقت بالا (دقت ±0.2٪ FS) را انتخاب کنید که از ارتباط Modbus-RTU برای ادغام در سیستم برنامه ریزی تامین آب پشتیبانی می کنند. داده های سطح در زمان واقعی برای پیوند با پمپ های آب منتقل می شوند و امکان کنترل خودکار "تجدید آب در سطوح پایین و خاموش شدن پمپ در سطوح بالا" را فراهم می کنند.
نتایج عملی: پس از استفاده در یک مخزن آب شفاف 15 متری از یک شهرستان، نوسان فشار تامین آب از ±0.2 مگاپاسکال به ±0.05 مگاپاسکال کاهش می یابد، که به طور قابل توجهی تجربه استفاده از آب ساکنان را بهبود می بخشد و میزان حوادث سرریز از 3 بار در سال به صفر کاهش می یابد.

III. مرحله تصفیه فاضلاب: غلبه بر چالش های نظارت بر کف، خوردگی و جامدات معلق

تصفیه فاضلاب یک مرحله کلیدی در چرخه آب است. سناریوهای اصلی نظارت شامل مخازن تعادل، مخازن هوادهی، مخازن ته نشینی ثانویه و مخازن تغلیظ لجن است. شرایط عملیاتی پیچیده و سخت است و به قابلیت های ضد آلودگی، ضد خوردگی و ضد تداخل بالایی از فرستنده های سطح نیاز دارد.

(I) پیشرفت های فنی در سناریوهای اصلی

1. حل تداخل کف در مخازن هوادهی

نقطه درد: یک لایه کف پایدار 20-30 سانتی متری در سطح مایع در حین هوادهی تشکیل می شود. فرستنده های سطح سنتی به اشتباه سطح کف را به عنوان سطح مایع واقعی شناسایی می کنند که منجر به خطای ±15 سانتی متری می شود.
راه حل:
- سخت افزار: از یک پروب انتقال دهنده با توان بالا 15 وات (برای افزایش نفوذ امواج صوتی) استفاده کنید، با سطح پروب پوشیده شده با پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) برای جلوگیری از چسبیدن کف.
- الگوریتم: "حالت فیلتر کف پیشرفته" را فعال کنید - زمان تشخیص اکو را تا 100 میلی ثانیه افزایش دهید تا اکوی سطح مایع واقعی را در زیر کف ثبت کنید و سرعت صوت را از طریق جبران دما (دمای مخزن هوادهی 5-10 درجه سانتیگراد نوسان دارد) اصلاح کنید.
نتیجه: پس از استفاده در یک مخزن هوادهی 10 متری از یک کارخانه تصفیه فاضلاب پارک صنعتی شیمیایی، خطای اندازه گیری از ±15 سانتی متر به ±2 سانتی متر کاهش می یابد و به طور کامل نیاز کنترل فرآیند ±5 سانتی متر را برآورده می کند.

2. حفاظت از خوردگی برای مخازن فاضلاب صنعتی

نقطه درد: فاضلاب صنعتی (به عنوان مثال، فاضلاب آبکاری، فاضلاب ترشی) حاوی اسیدها و قلیاهای قوی (pH=1-13) و یون های فلزات سنگین است. پروب های فلزی سنتی در عرض 3-6 ماه خورده می شوند.
راه حل:
- جنس پروب: از پروب های کاملاً پوشیده شده با PTFE (شامل محفظه ها و رابط های کابل) با مقاومت در برابر خوردگی مطابق با استاندارد ISO 10289 استفاده کنید که قادر به تحمل شرایط شدید pH=1-14 است.
- طراحی ضد انفجار: برای الزامات ضد انفجار در پارک های صنعتی شیمیایی، فرستنده های سطح اولتراسونیک را با درجه ضد انفجار Ex d IIC T6 انتخاب کنید تا از حوادث ایمنی ناشی از مخلوط های روغن و گاز جلوگیری شود.
نتیجه: پس از استفاده در یک مخزن فاضلاب ترشی 5 متری از یک کارخانه آبکاری، پروب به مدت 24 ماه بدون آسیب خوردگی کار می کند. عمر مفید آن 4 برابر بیشتر از تجهیزات سنتی است و هزینه های نگهداری 80٪ کاهش می یابد.

3. حل تداخل جامدات معلق در مخازن تغلیظ لجن

نقطه درد: غلظت لجن از 10000 میلی گرم در لیتر تجاوز می کند و جامدات معلق به راحتی امواج صوتی را پراکنده می کنند که منجر به سیگنال های اکو ضعیف و خرابی اندازه گیری می شود.
راه حل:
- کمک لوله موجبر: یک لوله موجبر فولادی ضد زنگ 316L (قطر داخلی 120 میلی متر) را در زیر پروب نصب کنید. امواج صوتی در امتداد لوله موجبر منتقل می شوند تا از پراکندگی توسط جامدات معلق جلوگیری شود.
- تنظیم قدرت پویا: به طور خودکار قدرت انتقال را بر اساس غلظت لجن افزایش دهید (مرتبط با کنتورهای غلظت در محل). هرچه غلظت بیشتر باشد، قدرت بیشتر (تا 20 وات) برای اطمینان از قدرت سیگنال های اکو.
نتیجه: پس از استفاده در یک مخزن تغلیظ لجن 8 متری از یک تصفیه خانه فاضلاب شهری، میزان اندازه گیری موثر از 60٪ به 99.8٪ افزایش می یابد، خطا در ±3 سانتی متر کنترل می شود و راندمان آبگیری لجن 10٪ بهبود می یابد.