鋼鐵企業(yè)在高爐檢漏和連鑄連軋控制中大量使用電磁流量計來測量冷卻水。冷卻水的測量信號往往與設(shè)備開啟關(guān)聯(lián)，任何一個誤動作將會造成無法彌補的損失。測量與控制的精度和可靠性涉及到設(shè)備安全、節(jié)約能耗以及鋼鐵產(chǎn)品性能指標。因此，鋼鐵生產(chǎn)過程對電磁流量計要求具有反應(yīng)迅速、靈敏度高、重復(fù)性穩(wěn)定性好、可靠性高等特點。
本文討論的就是為解決鋼鐵生產(chǎn)高爐檢漏和連軋連鑄中冷卻水可靠測量的問題。
1 冷卻水測量的一個故障特例
某鋼鐵公司的煉鋼廠連鑄冷卻水測量中出現(xiàn)了如圖1所示的故障流量曲線。流量故障變化呈脈沖規(guī)律，脈沖的幅度約為120m3/h，故障脈沖寬度大約為10～12s，周期不定。這種故障造成了系統(tǒng)的誤報警，導(dǎo)致工廠生產(chǎn)過程中的嚴重事故。盡管電磁流量計具有一定的智能化故障判斷功能，但由于故障是不定期發(fā)生的，很難捕捉到檢測故障發(fā)生時流量計所反映的流體物化參數(shù)和噪聲干擾的信息，因此很難按照電磁流量計的常規(guī)方法去判斷出現(xiàn)流量顯示輸出為零的可能性，很難判定這種故障的起因。
傳感器安裝示意圖如圖2所示。上游是DN80管道經(jīng)90°彎頭后，由漸擴管再擴大至DN150管道進入電磁流量傳感器。流量計上游的直管段長度不足5D，計算得到從DN80～DN150的擴大錐角β大約為40°。從現(xiàn)場安裝情況分析，初步認為故障可能是由氣泡擦過電極形成短暫時間的感應(yīng)信號為零所致。也就是說，這是一種氣穴現(xiàn)象[2]。所以，我們稱這種故障為“氣泡噪聲”（bubblenoise）。那么氣泡又是如何產(chǎn)生的，為什么有時候模擬型轉(zhuǎn)換器看不到這種故障。
2 氣泡噪聲產(chǎn)生原因的分析
從安裝情況看，本例的安裝情況與電磁流量計的安裝要求不符。流量計上游的彎頭、擴大管，以及插入熱電偶，距電極的直管段不足5D。這些都是容易在電極附近產(chǎn)生旋渦和不對稱流速分布以及分離液體中氣體形成氣泡的原因。上游由*********（DN80）以高流速（6m/s以上的平均流速），約40°的入射角流向DN150管道[3]。擴大管氣泡分離如圖3所示。
這種沿著管壁非順滑的流體流動，流體的流束首先是收縮呈射流形式流動，然后再逐漸將流束擴散為軸對稱的充分發(fā)展流。射流過程會形成擴大管內(nèi)入口處周圍的負壓區(qū)域，于是在電極前要產(chǎn)生大量的旋渦。這樣，破壞了電磁流量計測量要求即流速中心軸對稱的基本條件。更嚴重的是由于在電極前形成負壓，旋渦處可能分離氣體，并慢慢聚集形成氣泡。分離的氣泡常常附在流速幾乎為零的管壁上，流體流動容易攜帶氣泡沿管壁移動。當氣泡沿管壁移動擦過電極時，使電極上的感應(yīng)信號為零，這時的測量輸出和顯示為零。
彎頭和插入熱電偶的下游也會有旋渦產(chǎn)生和氣體分離。高溫液體在旋渦產(chǎn)生過程中更容易汽化分離氣泡，這些都是鋼鐵行業(yè)冷卻水測量時容易遇到的現(xiàn)象。
分離的氣泡向下游移動，擦過電極的時間受液體流動速度、管道內(nèi)壁粗糙度、流量計襯里的光滑程度、電極的形狀與突出襯里的高度等因素的影響長短不定。本例2臺儀表反映的故障時間都在10s左右。
為了使儀表輸出穩(wěn)定，電磁流量計設(shè)計有阻尼時間。儀表的阻尼是在被測量流量變動時能夠平滑儀表的測量值。當輸入量階躍上升到***大值，儀表測量值并不是立即從零達到***大值，而是需要一段時間。把從零到***大輸出值的63%（或歐洲產(chǎn)品習(xí)慣定義為90%）所需要的時間定義為阻尼時間。電信號的阻尼時間實際上是一個RC阻容濾波器的時間常數(shù)，它是一個積分過程。圖4為阻尼時間等效電路[4]。
圖4中：Ei為階躍輸入信號幅度；Eo為積分輸出信號幅度；t為阻尼時間；e=2.71828為常數(shù)；電阻電容之積RC就是阻尼時間常數(shù)；τ為階躍脈沖信號的寬度。
當RC=τ時，輸出信號達到輸入信號***大值的63%；當RC=3τ時，輸出信號達到輸入信號***大值的95%。為了減小測量誤差，則采用長阻尼時間，通常取RC=（5～7）τ。同時應(yīng)該注意到，如果阻尼時間小，后面的輸入信號脈沖需要再濾波，形成三角波狀輸出，達不到***大穩(wěn)定值。但是，阻尼時間過長，會造成儀表的反應(yīng)速度慢，也就是說靈敏度低，控制與調(diào)節(jié)的可靠性差。所以，在一般情況下，電磁流量計的阻尼時間設(shè)為3～6s。
氣泡噪聲信號波形脈沖幅度從***大100%下降到零，并維持10余秒，氣泡噪聲與阻尼時間的關(guān)系如圖5所示。
輸出幅度可用式（1）表示：
如果按一般阻尼時間設(shè)置為5s，計算信號輸出會下降到約40%，即原本測量輸出120m3/h，這時只能得到約50m3/h，低于工廠下限報警值，從而引起誤報警。同時，由于智能電磁流量計具有空管報警并將信號輸出自動置零的功能，在氣泡擦過電極時，電極電阻增大，發(fā)生空管報警，儀表使測量輸出保持在零值。氣泡擦過電極的時間大于阻尼時間，形成多次脈沖的濾波，其濾波次數(shù)決定于氣泡擦過電極的時間與阻尼時間的比。因此，該階段的流量顯示不穩(wěn)定，輸出存在大的紋波。
模擬型電磁流量計沒有出現(xiàn)故障報警是由于：①模擬型電磁流量計在信號處理時具有采樣電路和積分保持電路，其積分時間常數(shù)由電阻電容和積分放大器決定，通常模擬電路的時間常數(shù)比較大；智能化電磁流量計是斷續(xù)采樣的，依靠軟件設(shè)置CPU運算進行數(shù)字濾波，阻尼時間需要設(shè)置，設(shè)置的范圍很寬，從0.5～100s。通常設(shè)置的阻尼時間小于氣泡噪聲的脈沖寬度。②智能化電磁流量計具有空管檢測功能，當電極檢測到氣泡即提出報警，并把空管認為是沒有流量流過，自動將輸出顯示置于零狀態(tài)。模擬型電磁流量計一般不帶空管檢測功能，判斷不了電極出現(xiàn)氣泡，這時也就不會把輸出顯示置于零。因此，似乎顯得模擬型電磁流量計對氣泡噪聲影響不敏感。
3 問題的避免和解決方法
由以上分析可得，電磁流量計在鋼鐵行業(yè)冷卻水測量中出現(xiàn)的誤報警大多是由氣泡擦過電極引起的。所以，首先從安裝上滿足儀表上游直管段長度要求，規(guī)范儀表的安裝，選擇遠離熱源的安裝場所，合理使用管道流速，選用光潔度高的PFA氟塑料襯里和高純氧化鋁工業(yè)陶瓷導(dǎo)管。這些措施將有助于防止或減小旋渦和氣體分離的發(fā)生。也就是說，改進傳感器制造工藝、改善使用儀表環(huán)境條件和安裝條件、采用儀表上游加裝排氣閥等措施，有可能避免問題的發(fā)生[5]。其次，合理地設(shè)置儀表阻尼時間和功能，也可以解決出現(xiàn)氣泡噪聲測量的誤報警。阻尼時間的選擇是根據(jù)流量信號中發(fā)生氣泡噪聲的脈沖寬度來選取。一般應(yīng)取阻尼時間為氣泡噪聲脈沖寬度的3～5倍。如氣泡噪聲脈沖寬度是10s，阻尼時間應(yīng)取30～50s。具體選擇應(yīng)根據(jù)要求的控制精度，3倍脈沖寬度控制誤差在5%，5倍脈沖寬度控制精度高于1%。
加大儀表阻尼時間能有效地解決這種脈沖型氣泡噪聲的影響，同時也帶來了反應(yīng)遲鈍的缺點，即當真正流量波動時，儀表反應(yīng)很慢。這對要求靈敏控制的冷卻水系統(tǒng)無疑是個難題。為了解決這個問題，智能化電磁流量計可以使用軟件邏輯判斷即粗大誤差處理的方法[5]。在出現(xiàn)這種故障時，通過調(diào)整流量的不敏感時間和變化幅度限制這兩個條件來判斷是流量的變動，還是氣泡擦過電極。如果不是氣泡擦過電極的噪聲，CPU按正常采樣、運算和數(shù)字濾波；如果判定產(chǎn)生的是氣泡噪聲，切除測量值，維持前面的流量測量值。這樣，正常流量測量期間阻尼時間仍然為3～6s。只有在有氣泡噪聲時，根據(jù)脈沖寬度設(shè)置的長短將不敏感時間加長，系統(tǒng)控制的時間也會加長。
當我們合理選擇具有粗大誤差抑制功能電磁流量轉(zhuǎn)換器的“變化率限制值”和“不敏感時間值”時，轉(zhuǎn)換器不僅能夠抑制氣泡噪聲引起的誤報警，而且在正常工作時儀表的反應(yīng)速度仍然能夠保持所設(shè)置的阻尼時間值。
4 試驗驗證
氣泡噪聲的研究，應(yīng)該是用氣泡對電磁流量傳感器電極進行模擬試驗，但目前尚未有這種條件。因此，我們只用電磁流量信號發(fā)生器信號的切換，進行氣泡噪聲的模擬，輸出曲線如圖6所示。
從圖6可以看出，適當?shù)剡x取阻尼時間和智能型電磁流量計處理氣泡噪聲故障的方法，對觀察流量計顯示與輸出信號變化，判斷處理氣泡噪聲的效果明顯。切換電磁流量計標準信號源的開關(guān)，快速設(shè)置流速和零點，按需要保持信號為零的時間，模擬氣泡噪聲的發(fā)生和存在。改變儀表阻尼時間并設(shè)置不同的“變化率限制值”及“不敏感時間值”，測試儀表輸出的變化。
結(jié)果表明，加大阻尼時間和智能化氣泡噪聲處理都能達到輸出不發(fā)生大的變化，后者更有利于正常測量期間測量反應(yīng)速度的提高[6]。
本文提出氣泡噪聲的解決辦法，在現(xiàn)場運行正常，未再出現(xiàn)氣泡故障報警。
5 結(jié)束語
本文對氣泡噪聲的初步探索，有助于在電磁流量計的應(yīng)用中，判斷氣液兩相流分離氣泡和進行噪聲處理，充分利用現(xiàn)代的計算機技術(shù)提高測量的可靠性。
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