液位控制技术在北京地铁给排水系统中的应用与探讨

液位控制技术在北京地铁给排水系统中的应用与探讨[内容摘要] 目前，在北京地铁既有线路的给排水系统中,并存着三种液位控
制方式。

它们分别为浮球液位控制、压力传感器液位控制、超声波液位控制。

这三种控制方式由于各有所长，所以分别适用于不同的工作环境中。

本文将简要阐述三种控制方式的工作原理、适用场合、安装技术要求，并探讨总结在实际应用中如何通过技术改进抵抗监测干扰。

[关键词]: 地铁；液位控制；浮球；压力传感器；超声波
一、引言
在北京地铁早期运营线路的给排水系统中，污废水池的液位控制采用的是JYB-714液位继电器或浮球液位控制器。

但是，随着1、2号线设备改造及新线建设中大量新型自动化设备的引进，压力传感器（投入式液位计）和超声波液位计得了到广泛应用，并实现了液位信号远程线性传输和液位数值实时在线监测。

本文在阐述三种控制方式的工作原理、适用场合、安装技术要求的基础上，针对在实际应用中出现的环境干扰因素，探讨、总结出若干项技术措施。

二、浮球液位控制器
目前在北京地铁给排水系统中，总共采用两种浮球液位控制器。

一种是球形水银液位开关，主要应用于车站小型局部排水泵贮水池的起停泵控制；另一种是连杆浮球液位开关，主要安装在冷却塔蓄水池内，用于高、低水位报警。

（一）球形水银液位开关
开关外壳由具有一定抗腐蚀能力的不锈钢或塑料材质制成，形状为球体或椭球体，表面光滑，不易附着污物，可在含有较高浊度的废水或粪便污水中使用。

其内部装设水银开关，水银开关接于软质电缆上，通过调整电缆长度，达到相应目标水位。

开关悬空吊在固定杆上，当液位上升触及开关时，球体在浮力的作用下发生倾斜，依靠水银的流动性和导电性使得开关断开或闭合，从而控制水泵启停或发出异常水位报警信号。

例如，在蓄水池中，吊装两个液位开关，分别用于控制水泵启动和停止；若还需异常水位报警功能，则需要装设更多的液位开关。

（二）连杆浮球液位开关
连杆浮球液位开关是一种安全可靠、使用方便、结构简单的液位控制器，与球形水银液位开关相比，其优势在于一支开关即可实现多点控制。

但是，其液位控制原理与前者具有相似之处。

在密封的非磁性金属管或塑胶管内根据使用需要设置一点或多点磁簧开关，再将内部装有环形磁铁的浮球套在连杆上，并固定在对应杆内磁簧开关的位置上，使浮球在一定范围内上下浮动。

利用浮球内的磁铁吸引磁簧开关的闭合或打开，从而引发开关动作，输出通断信号。

当连杆浮球液位开关与水泵控制箱配套使用时，开关输出与液面位置相对应的干簧接点信号，可控制水泵启停，从而保证液面在设计范围内浮动；若输出至报警回路，可用于异常液位报警。

通常，液位开关接线盒防护等级应在IP65 以上。

正是基于以上所述结构特点，浮球易被水中较大颗粒或黏性污物卡阻，不能随液面顺利上浮或下沉，造成延误水泵启停。

同时，在实际使用中发现，由于连杆底部材料抗腐蚀能力有限，易发生锈蚀，造成干簧管进水，导通电路，造成水泵误动作。

因此，连杆浮球液位开关宜装设于浊度较低且pH值呈中性的水池内。

液位开关的安装位置宜远离入水口，以尽量减小由于跌水或水流冲击造成的开关误动作。

若水池内有搅拌设备或液体波动剧烈，如开关附近安装有潜水泵，则可加装防波管。

三、压力传感器（投入式液位计）
（一）工作原理
压力传感器（投入式液位计）也被称作静压液位变送器。

顾名思义，其工作原理是将传感器投入被测液体，液体介质的静压力直接作用于传感膜片[1]，静压力的大小与传感器所处的液体深度成正比，静压力使测量膜片产生位移，导致膜片的电阻值发生变化，液位变送器将这一变化进行检测、放大并转换为4～20mA DC信号进行输出。

传感器迎液面（正压腔）受到的压力由如下公式表达：
Ρ＝ρ×g×H＋Po，其中：
P：传感器迎液面受到的绝对压强；ρ：被测液体密度；g：当地重力加速度；Po：当地大气压强；H：传感器投入液体的深度而在传感器的背液面（负压腔），受到的当地大气压强Po，以抵消传感器迎液面的Po ，使传感器测得的压力为ρ×g×H。

显然，通过测取压强P，可以得到压力传感器所处的液位深度。

由于压力传感器在工作时必须与被测液体接触，所以为了减轻水体对传感器的锈蚀，当前在北京地铁既有线路中，压力传感器多安装于局部排水泵贮水池，车站及区间废水泵贮水池，以及洞口排雨泵贮水池。

这些水池中水质浊度较低且
pH值适中。

与浮球液位控制器相比，压力传感器最大的优势在于其通过液位变送器可以输出4～20mA模拟量，通过预先设定的程序换算，可以实现液位的实时在线监测；同时，还可以根据实际需要，集成其它传感器（例如温度传感器），实现复合监测。

（二）安装方法与技巧
在北京地铁房山线的给排水系统中，大量采用了压力传感器液位控制技术。

通过不断摸索，我们总结出了一套经过实践检验行之有效的安装方法和技巧，并以此来抵抗由于水流冲击和水中泥沙对测量精度的干扰。

为确保监测数值稳定，应尽可能使压力传感器置于静止的水体中，所以在安装时应尽量远离水池入水口，避免传感器直接受到水流的冲击而不断摆动，影响测量精度。

如果现场条件不允许，可以将传感器固定在竖直安装且内径为45mm 至50mm的不锈钢穿孔花管内，水流通过孔洞漫入花管，管内外液位持平；如果打孔时选择在水流冲击的背面，可以获得更好效果。

当然，在水池入水口加装水流扩散装置，将大水流打散；或将引入管管口略微上翘，使水流分散地从上空扬下，也可降低水流对传感器的冲击力度。

在水池底部，经常会沉积一层污泥，并且随着时间延长，沉积物厚度不断增加。

因此，宜在测量传感器底部距池底之间保留50mm距离，以免池底沉积物堵塞传压孔。

对于安装于穿孔花管内的传感器，可在钢管打孔时预留出距离，即仅在距管下端头50mm以上的位置打孔。

在实践中，我们发现尽管传感器与池底间留有距离，但随着使用时间的延长，仍会有小颗粒伴随水流颤动进入传压孔并将其阻塞，或小颗粒进入传压孔后大量聚集在正压腔内，从而压迫内部感应膜片，使水位监测数值失准。

经过试验效果比较，最终的解决方案是在传感器上套一个橡胶薄膜，并在薄膜内充水。

原因是如果膜内为空气，而空气密度远小于水，相对而言空气是可压缩介质，而水是不可压缩介质，测量数值将偏小达100mm左右。

（三）参数设定与调整
由于液位变送器是根据压力传感器的电阻变化值以4～20mA模拟量线性输出，所以参数设定的第一步就是用尺实地测量出各待定液位控制点。

大多数贮水池为侧壁进水，根据经验，一般在传感器底部以上30mm～50mm处设为低水位报警点，在进水口下边缘以下50mm处设高水位报警点。

在以上两个报警点之间从下至上依次设置停泵点、一号泵启泵点，二号泵启泵点（如果设置两台泵的话）。

依照GB50015-2003_建筑给水排水设计规范(2009版)规定，污水泵每小时启动次数不宜超过6次，以此标准根据水泵排水流量以及池底面积确定水池的调节容积，进而确定启停泵水位。

参数设定的第二步就是在液位显示器上将电流值与实际水深建立关系，例如：将4mA定义为水面达到的下限值，将20mA定义为水面允许上升的高度（图1）。

以下将依照图1对液位信息上传流程作进一步阐释：
1. 数据采集：
压力传感器通过安装在其前部的压电转换器（膜片）将水的压强变化值转换为电阻值。

2.数据传输：
变送器将来自压力传感器的电阻值转化为一个测量范围在4-20mA的电流Ⅰ传送，传送至液位显示仪。

其中，Ⅰ传送=(h液实÷h有效)×16＋4。

3.数据处理：
液位显示仪采集变送器送来的电流数值Ⅰ传送后，通过电阻将其转换为电压，并通过电压比较器输出一个二进制的码值（即传送码值），此过程即为模电转换；同时液位显示仪将Ⅰ传送通过内部程序处理变换为h液显呈现在液位显示仪表板上。

其中，h液显＝（Ⅰ传送－4）÷16×h有效。

4.数据传输：BAS模块箱中的AI模块对数据传送接口进行时时扫描，并将扫描到的二进制数值进行处理后以MODBUS报文协议形式上传至ISCS终端显示。

5.数据显示：ISCS终端按照MODBUS报文协议对报文进行解析，最终通过服务器将液位数值显示在终端上。

（五）日常维护
由于压力传感器安装方式属于全淹没式，易导致传感器锈蚀或传压孔被水中污物阻塞、覆盖，影响测量精度。

因此，有必要定期将传感器探头提出进行检查和清洗。

此外，还应检查传感器与液位变送器之间的连接电缆是否出现老化和损伤。

因为该电缆在担负输送电信号的同时，还要将大气压力Po传至传感器负压腔，所以电缆及其接头的密封性同样关系测量的精度。

四、超声波液位控制器
无论是浮球液位控制器还是压力传感器，它们都必须与被测液体相接触，如此就对设备的抗腐蚀性和密封性提出一定要求。

然而，超声波液位探测却是一种
非接触型探测技术，相关设备不会受到液体的直接侵蚀，同时，也不会受到液体中大颗粒污物的干扰，这无疑拓宽了超声波液位探测技术的应用领域；不仅如此，超声波液位计同样可以通过液位变送器将液位信号转换为4～20mA直流电流进行线性输出，实现液位的连续监测和显示，所以，超声波液位探测也兼顾了压力传感器的优点。

但是，由于超声波探测时存在一定盲区，且探头在发射超声波时存在一定波束角，所以在探头安装时需要满足一定的技术要求，否则探测器无法正常工作。

（一）工作原理
声波按照振荡频率可分为次声波、可闻声波、超声波。

振荡频率在20KHz 以上的为超声波。

按照声波的波形不同可分为纵波、横波、表面波。

由于横波的特点是质点的振动方向垂直于波传播的方向，所以只能在固体中传播。

因此，目前应用在液位探测的超声波多为纵波，振荡频率主要集中在40KHz～60KHz[4]，探测范围在2～10m。

超声波液位传感器中的换能器是整个探测系统的核心部件。

按照作用原理的不同，换能器可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式。

其中，由压电式陶瓷晶片制成的换能器最为常见[1]。

目前，北京地铁采用的超声波液位传感器中就是安装的这种换能器。

压电式换能器一般采用双压电陶瓷晶片制成，它的特点是所需压电材料较少，价格低廉，非常适于在气体和液体介质中应用。

在压电陶瓷晶片上施加大小和方向不断变化的交流电压，由于压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小与外加的交流电压的大小成正相关。

换言之，在压电陶瓷晶片上施加了一定频率的电压脉冲后，晶片就会产生同频率的机械振动。

这种机械振动推动空气，便会发出相应频率的声波。

当频率高于20KHz时，就会产生超声波。

超声波液位传感器通过换能器发射出超声波脉冲，每一个脉冲由液面反射产生一个回波并被换能器接收，测量出这一过程所需的时间T，在根据公式计算出换能器与液面的距离S。

公式：S=V×T/2 ，V＝V0 + 0.6t
V0：声音在温度为0℃的空气中传播的速度，单位为m/s；
T：超声波从发射到接收一个周期所用的时间，单位为s；
t：当时的空气温度，单位为℃；
（二）盲区产生的原因及应对措施
超声波液位传感器（探头）在发射超声波脉冲时，不能同时检测反射回波。

由于发射的超声波脉冲具有一定的时间宽度，另外发射完成后传感器仍有余振，
期间不能检测反射回波，因此造成紧邻探头表面向下的一小段距离无法正常检测，这段距离称为盲区[2]。

盲区的存在是利用超声波进行液位探测的一个特点，所以在参数设定时必须把盲区加以考虑，否则液位一旦进入盲区，传感器将失灵，进而延误水泵及时启动。

以北京地铁10号线采用的JCS-08NF型超声波液位传感器为例，技术手册给出的盲区为500mm～800mm。

由于参考盲区是一个范围，因此根据使用经验，在贮水池深度足够的情况下，为保证设备运行安全，建议取盲区参考范围的上限。

如果实际情况不允许，也可以自行测定盲区的具体数值。

在安装前，可手持探头，照射一块平板，向远离平板的方向缓慢移动探头。

当液位变送器上出现数值时，表明探头已脱离盲区。

此时用尺量取平板与探头间的距离所得到的数值即为盲区的实际大小。

（三）安装方法与技巧
为确保能够精确测量，超声波液位传感器在设计时就使超声波像手电筒光柱一样成圆锥形射出，这样就存在一定的投射角。

以JCS-08NF型超声波液位传感器为例，投射角为10°～12°[3]。

在安装探头时，必须将其完全下探到贮水池顶板以下，同时，要与池壁保持1500mm，否则超声波将触及结构，给测量带来误差。

如果池深较浅，当液位较高时容易进入盲区，因而必须提高探头的安装位置时，可选用专用导波管以增强超声波的方向性，减小结构对测量的影响；如果被测水面经常出现形状各异的漂浮物、泡沫，超声波回波会发生漫反射，反射波波强衰减加大，影响测量精度，此时也可通过加装导波管加以解决。

此外，探头应垂直安装，确保使其能够顺利接收具有足够强度的回波；超声波照射区域应远离入水口及一切障碍物，如池内检修爬梯、管道等。

（四）参数设定与调整
与压力传感器相似，超声波液位计的参数设定同样分成两步，第一步是用尺实地测量出各待定液位控制点，第二步是通过参数设定将液位变送器输出的4～20mA电流与实际水深建立联系。

在第一步中，要先测量出从水泵吸水口至水池顶板下表面的高度（H1），再应用以下公式计算出停泵水位。

公式：启泵水位＝H1－H2－H3－Ha ，其中：
H2：探头下表面至水池顶板下表面的距离；
H3：盲区的高度；
Ha：安全距离，一般取30～50mm。

停泵水位可设定在水泵吸水管进口以上30～50mm。

当然，也可根据实际需
要，在水泵吸水管进口和停泵水位间设置低水位报警点；在启泵水位和盲区下边界设置高水位报警点。

第二步与使用压力传感器时的设定方法相同，在此不再赘述。

五、结束语
通过以上对几种不同类型的液位控制方式进行的分析与探讨，我们并不能笼统地认为哪种液位控制方式更具优势，因为这要在很大程度上取决于应用环境与需求。

如果是水质较好的废水池且只需确定水泵的启停点或异常液位报警点，那么选用浮球液位控制器较为经济；如果需要实时显示液位数值，则需要安装压力传感器；如果是污水池，则采用非接触探测形式的超声波液位计或许是较好的选择。

［参考文献］
[1] 吴高峰．给排水安全节能、节水──应用技术及实施方案．北京：机械工业出版社，2005．
[2] 刘艳艳．超声波液位计的研究．《北京化工大学》2007年．
[3] JCS 系列超声波物位变送器技术手册.
[4] 张记龙．密闭容器非接触式超声波液位测量仪的研究. 《压电与声光》2009年03期.。