新型濾池參數測定儀的研發與應用

袁 琳，張 志，龔保華，王 健，史寶德，肖 輝，李成林

（鄭州自來水投資控股有限公司，河南鄭州 450000）

0 引言

目前國內地表水自來水廠的常規處理工藝為混凝、沉淀、過濾和消毒[1]，而地下水自來水廠的常規處理工藝為過濾和消毒。由此可見過濾是整個給水工藝中至關重要的環節，也是工藝相對復雜的環節，其過濾效果直接影響出水水質，因此，在自來水廠運行過程中，需要定期對濾池參數進行測定，便于及時掌握濾池工作的技術狀態，確保濾池安全、高效運行[2]。

濾池參數共6 項，包括濾速、反沖強度、濾料膨脹率、濾料層高度、濾料含泥率、濾后水濁度[3]，其中前四項均需要利用測桿實現測定，后兩項只需取樣化驗即可，因此本文只針對前四項參數的測定進行討論。目前，自來水廠的測定方法一般是用手持測桿直立在濾料層上方，通過肉眼觀測，記錄水面流經標記長度的時間，從而推算濾速和反沖強度，同時用膨脹率測定工具測量膨脹高度[4]。雖然這種測定方法應用廣泛且成本極低，但存在諸多缺點：

（1）手持測桿無法保證始終直立，尤其是在反沖洗過程中，砂面松動，測桿極易上下竄動，增大測量誤差。

（2）利用肉眼觀測水位變化時，由于視角不同和光線在水中發生折射，會造成觀測不準確。

（3）在對濾料進行反沖洗過程中，水面上會逐漸浮出大量棕色泡沫，影響真實水位觀測，導致記錄時間不準確。

（4）在反沖過程中除了要測定反沖強度外還要測定膨脹率，單人無法同時完成，浪費人力。

針對以上問題，研發一款新型濾池參數測定儀并應用于實際生產，不僅可以保持測桿的直立穩定，最大程度降低測量誤差，而且可以實現膨脹率和反沖強度的同時測定。

1 新型濾池參數測定儀

1.1 結構組成

測定儀外部結構如圖1 所示，測定儀中下部剖面圖如圖2所示。整個裝置采用干電池供電，由測桿、砂斗、腳踏板、接線盒及數顯時間繼電器五大部分組成。

圖1 濾池參數測定儀外部結構

圖2 濾池參數測定儀局部剖面圖

測桿材質為PVC-U 管材，測桿內含導線，線路下端布有上液位感應裝置及下液位感應裝置（Y25-PNP 5～12 V），感應裝置外部加設PVC-U 材質的可拆卸濾網，進液孔孔徑為5 mm，用來過濾反沖時上浮的大量泡沫，以防止液位感應器被誤觸發。

測桿上端設有PVC 接線盒和數顯時間繼電器，其中接線盒內含主控電路及電源開關、過濾和反沖功能轉換開關及相應功能指示燈，接線盒上部為高精度數顯時間繼電器（DH48S-1Z），與上、下液位感應裝置相連，可以直接顯示過濾、反沖過水時間，精確度為0.01 s。測桿中上部設有腳踏板，通過抱箍與測桿連接，可以按需求調整高度。

測桿下半部與感應裝置相對一側設置有若干砂斗，用來測量濾池膨脹率，砂斗按照自下而上階梯狀排布，任意兩個相鄰砂斗開口的垂直距離為1.5 cm；砂斗一側標記有刻度，用來測量濾層厚度和濾料膨脹高度，精確度為0.1 mm。測桿終端及各打孔處密封處理，防止池水進入測桿內部。

1.2 測定儀電路及工作原理

工作原理：如圖3 所示，當濾池處于反沖狀態時，開啟電源開關K1，將轉換開關K2置于反沖檔，水面上升到下液位感應開關時，繼電器KM1的線圈得電，同時KM1 常開接點閉合，數顯時間繼電器線圈得電，表頭自動開始計時。當水位上升到上液位感應開關處時，繼電器KM2 線圈得電，KM2 常開接點閉合，接通數顯時間繼電器的第1 觸腳和第4 觸腳（1、4觸腳短接數顯時間繼電器暫停），表頭時間數字停止并保持，此時讀數即為反沖過水時間。

圖3 濾池參數測定儀工作電路

當濾池處于過濾狀態時，開啟電源開關K1，將轉換開關K2 置于過濾檔。當水位下降到上液位感應開關時，繼電器KM4 線圈失電，KM4 常閉接點接通，數顯時間繼電器線圈得電，表頭開始自動計時；當水位下降到下液位感應開關處時，繼電器KM3 失電，KM3 的常閉接點閉合，接通數顯時間繼電器的第1 觸腳和第4 觸腳，表頭時間數字停止并保持，此數值即為過濾時間。

1.3 使用方法及步驟

將測定儀器豎直放入濾池內，底板接觸砂面，調整踏板使其水平搭在濾池臺沿上。同時關閉濾池進水閥，開啟出水閥，直至水位下降至測定儀下部感應裝置以下。

（1）測定反沖強度。打開總電源開關，并將轉換開關打至反沖。隨后開始進行濾池反沖操作，隨著水位的上升，數顯時間繼電器開始工作，記錄數顯屏上最后顯示的總時長t反，關閉電源開關，并根據測定儀上下液位感應裝置之間的高度H計算反沖強度：

式中 I——濾池反沖強度，m/h

H——測定儀上下液位感應裝置之間的高度，m

t反——數顯反沖時間，s

（2）測濾池濾速。打開總電源開關，將轉換開關打至過濾。關閉濾池進水閥，全開出水閥，隨著水位的下降，數顯時間繼電器開始工作，記錄數顯屏上最后顯示的總時長t濾，推算過濾速度，并關閉電源開關。

式中v——濾池濾速，m/h

H——測定儀上下液位感應裝置之間的高度，m

t濾——數顯過濾時間，s

（3）測濾料層厚度。經反沖和過濾操作，濾料層高度會發生變化，待池水完全濾干后，重新調整踏板高度，使底板接觸砂面，同時記錄濾池臺沿對應在測桿上的刻度h2，計算濾料層厚度：

式中 h——濾料層厚度，m

h1——濾池池底至臺面的高度，m

h2——為濾料層表面至臺面的高度，m

（4）測膨脹率。在反沖過程中，沙礫膨脹，砂斗會截留砂礫，以上測定結束后，將測定儀取出，找到留存砂礫最高處的砂斗，記錄該砂斗口對應的刻度，即濾料膨脹高度h3[5]，計算膨脹率：

式中 r——膨脹率，%

h3——濾料膨脹高度，m

h——濾料層厚度，m

2 設計創新點

（1）該裝置確保在測量過程中測桿完全豎直立在濾池中，尤其是在反沖洗過程中，砂面松動，測桿極易上下竄動，避免了觀察記錄有誤。

（2）該裝置采用數顯計時，避免了肉眼觀測不精確問題，消除視覺誤差，極大降低了計時誤差。

（3）液位感應器外部安裝的過濾裝置可以過濾掉反沖帶來的大量浮沫，防止感應器被誤觸發，降低測量誤差。

（4）減少人力，一人即可以完成以上4 項測量。

（5）測桿上設有固定刻度標尺，減少每次測量的誤差。

3 結束語

截至目前，該新型測定儀已經在鄭州自來水投資控股有限公司石佛水廠的濾池參數測定工作中得到了應用，它克服了以往手持測桿測定的各種缺點，兼顧經濟性與實用性特點，表現出維護簡單、測量誤差小、使用人工成本低，性能穩定可靠的優勢，未來可廣泛應用于自來水廠的濾池參數測定工作，該裝置目前已獲得實用新型專利（ZL201921503273.2）。