电磁流量计在冷却水测量中的一个故障特例及原因分析

熟悉钢铁企业的朋友可能知道，在高炉检漏和连铸连轧控制中会大量使用电磁流量计来测量冷却水。冷却水的测量信号往往与设备开启关联, 任何一个失误动作将会造成无法弥补的损失。测量与控制的精度和可靠性涉及到生产单位的设备安全、节约能耗以及钢铁产品性能指标。因此, 钢铁生产过程要求电磁流量计必须具有反应迅速、灵敏度高、重复性稳定性好、可靠性高等特点。本文为大家介绍一下为解决钢铁生产高炉检漏和连轧连铸中冷却水可靠测量的问题。

一、电磁流量计在冷却水测量中的一个故障特例

    2009年年初，山西某钢铁公司的炼钢厂连铸冷却水测量中出现了故障流量。流量故障变化呈脉冲规律, 脉冲的幅度约为130m3 /h, 故障脉冲宽度大约为10~13s, 周期不定。这种故障造成了系统的误报警, 给该工厂生产过程带来了很多不必要的麻烦。尽管电磁流量计本身具有一定的智能化故障判断功能, 但由于该故障是不定期发生的, 很难捕捉到检测故障发生时流量计所反映的流体物化参数和噪声干扰的信息, 因此也就很难按照电磁流量计的常规方法去判断出现流量显示输出为零的可能性,进而 很难判定引起这种故障的原因。

    后来经过现场实地考察后我们发现，出现故障的流量计上游是DN100管道经90°弯头后, 由渐扩管再扩大至DN150管道，然后进入电磁流量计传感器。流量计上游的直管段长度不足5D, 计算得到从DN100~DN150的扩大锥角大约为40°。从现场安装情况分析, 初步认为故障可能是由传感器安装位置泡擦过电极形成短暂时间的感应信号为零所致。也就是说, 这是一种气穴现象，我们称这种故障为气泡噪声(bubble noise)。那么气泡又是如何产生的？为什么有时候模拟型转换器看不到这种故障呢？

二、气泡噪声产生原因的分析
    
    显而易见，从安装情况看, 该案例中的实际安装情况与电磁流量计的安装要求是不符合的。流量计上游的弯头、扩大管以及插入热电偶位置距流量计电极的直管段都不足5D，这些情况都是容易在电极附近产生旋涡和不对称流速分布以及分离液体中气体形成气泡。上游由小口径(DN100)以高流速(6m/s以上的平均流速), 约40°的入射角流向DN150 管道。扩大管气泡分离这种沿着管壁非顺滑的流体流动, 流体的流束首先是收缩呈射流形式流动, 然后再逐渐将流束扩散为轴对称的充分发展流。射流过程会形成扩大管内入口处周围的负压区域, 于是在电极前要产生大量的旋涡。这样, 破坏了电磁流量计测量要求即流速中心轴对称的基本条件。更严重的是由于在电极前形成负压, 旋涡处可能分离气体, 并慢慢聚集形成气泡。分离的气泡常常附在流速几乎为零的管壁上, 流体流动容易携带气泡沿管壁移动。当气泡沿管壁移动擦过电极时, 使电极上的感应信号为零, 这时的测量输出和显示为零。弯头和插入热电偶的下游也会有旋涡产生和气体分离。高温液体在旋涡产生过程中更容易汽化分离气泡, 这些都是钢铁行业冷却水测量时容易遇到的现象。分离的气泡向下游移动, 擦过电极的时间受液体流动速度、管道内壁粗糙度、流量计衬里的光滑程度、电极的形状与突出衬里的高度等因素的影响长短不定。

    本案例的两台电磁流量计反映的故障时间都在10秒左右。为了使仪表输出稳定, 电磁流量计设计有阻尼时间。仪表的阻尼是在被测量流量变动时能够平滑仪表的测量值。当输入量阶跃上升到最大值, 仪表测量值并不是立即从零达到最大值, 而是需要一段时间。把从零到最大输出值的63% (或欧洲产品习惯定义为90% )所需要的时间定义为阻尼时间。电信号的阻尼时间实际上是一个RC阻容滤波器的时间常数, 它是一个积分过程。当RC=3时, 输出信号达到输入信号最大值的95%。为了减小测量误差, 则采用长阻尼时间, 通常取RC=(5~7)。同时应该注意到, 如果阻尼时间小, 后面的输入信号脉冲需要再滤波, 形成三角波状输出, 达不到最大稳定值。但是, 阻尼时间过长, 会造成仪表的反应速度慢, 也就是说灵敏度低, 控制与调节的可靠性差。所以, 在一般情况下, 电磁流量计的阻尼时间设为3~6s。气泡噪声信号波形脉冲幅度从最大100% 下降到零, 并维持10余秒, 如果按一般阻尼时间设置为5s, 计算信号输出会下降到约40%, 即原本测量输出120m3/h, 这时只能得到约50m3/h, 低于工厂下限报警值, 从而引起误报警。同时, 由于智能电磁流量计具有空管报警并将信号输出自动置零的功能, 在气泡擦过电极时, 电极电阻增大, 发生空管报警, 仪表使测量输出保持在零值。气泡擦过电极的时间大于阻尼时间, 形成多次脉冲的滤波, 其滤波次数决定于气泡擦过电极的时间与阻尼时间的比。因此, 该阶段的流量显示不稳定, 输出存在大的纹波。

    模拟型电磁流量计没有出现故障报警是由于模拟型电磁流量计在信号处理时具有采样电路和积分保持电路, 其积分时间常数由电阻电容和积分放大器决定, 通常模拟电路的时间常数比较大; 智能化电磁流量计是断续采样的, 依靠软件设置CPU运算进行数字滤波, 阻尼时间需要设置, 设置的范围很宽, 从0.5~100s。通常设置的阻尼时间小于气泡噪声的脉冲宽度。智能电磁流量计具有空管检测功能, 当电极检测到气泡即提出报警, 并把空管认为是没有流量流过, 自动将输出显示置于零状态。模拟型电磁流量计一般不带空管检测功能, 判断不了电极出现气泡, 这时也就不会把输出显示置于零。因此, 似乎显得模拟型电磁流量计对气泡噪声影响不敏感。