熟悉鋼鐵企業的朋友可能知道，在高爐檢漏和連鑄連軋控制中會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備開啟關聯, 任何一個失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生產單位的設備安全、節約能耗以及鋼鐵產品性能指標。因此, 鋼鐵生產過程要求電磁流量計必須具有反應迅速、靈敏度高、重復性穩定性好、可靠性高等特點。本文為大家介紹一下為解決鋼鐵生產高爐檢漏和連軋連鑄中冷卻水可靠測量的問題。

一、電磁流量計在冷卻水測量中的一個故障特例

    2009年年初，山西某鋼鐵公司的煉鋼廠連鑄冷卻水測量中出現了故障流量。流量故障變化呈脈沖規律, 脈沖的幅度約為130m3 /h, 故障脈沖寬度大約為10~13s, 周期不定。這種故障造成了系統的誤報警, 給該工廠生產過程帶來了很多不必要的麻煩。盡管電磁流量計本身具有一定的智能化故障判斷功能, 但由于該故障是不定期發生的, 很難捕捉到檢測故障發生時流量計所反映的流體物化參數和噪聲干擾的信息, 因此也就很難按照電磁流量計的常規方法去判斷出現流量顯示輸出為零的可能性,進而 很難判定引起這種故障的原因。

    后來經過現場實地考察后我們發現，出現故障的流量計上游是DN100管道經90°彎頭后, 由漸擴管再擴大至DN150管道，然后進入電磁流量計傳感器。流量計上游的直管段長度不足5D, 計算得到從DN100~DN150的擴大錐角大約為40°。從現場安裝情況分析, 初步認為故障可能是由傳感器安裝位置泡擦過電極形成短暫時間的感應信號為零所致。也就是說, 這是一種氣穴現象，我們稱這種故障為氣泡噪聲(bubble noise)。那么氣泡又是如何產生的？為什么有時候模擬型轉換器看不到這種故障呢？

二、氣泡噪聲產生原因的分析
    
    顯而易見，從安裝情況看, 該案例中的實際安裝情況與電磁流量計的安裝要求是不符合的。流量計上游的彎頭、擴大管以及插入熱電偶位置距流量計電極的直管段都不足5D，這些情況都是容易在電極附近產生旋渦和不對稱流速分布以及分離液體中氣體形成氣泡。上游由小口徑(DN100)以高流速(6m/s以上的平均流速), 約40°的入射角流向DN150 管道。擴大管氣泡分離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展流。射流過程會形成擴大管內入口處周圍的負壓區域, 于是在電極前要產生大量的旋渦。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生和氣體分離。高溫液體在旋渦產生過程中更容易汽化分離氣泡, 這些都是鋼鐵行業冷卻水測量時容易遇到的現象。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。

    本案例的兩臺電磁流量計反映的故障時間都在10秒左右。為了使儀表輸出穩定, 電磁流量計設計有阻尼時間。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最大值, 儀表測量值并不是立即從零達到最大值, 而是需要一段時間。把從零到最大輸出值的63% (或歐洲產品習慣定義為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, 它是一個積分過程。當RC=3時, 輸出信號達到輸入信號最大值的95%。為了減小測量誤差, 則采用長阻尼時間, 通常取RC=(5~7)。同時應該注意到, 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, 達不到最大穩定值。但是, 阻尼時間過長, 會造成儀表的反應速度慢, 也就是說靈敏度低, 控制與調節的可靠性差。所以, 在一般情況下, 電磁流量計的阻尼時間設為3~6s。氣泡噪聲信號波形脈沖幅度從最大100% 下降到零, 并維持10余秒, 如果按一般阻尼時間設置為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定, 輸出存在大的紋波。

    模擬型電磁流量計沒有出現故障報警是由于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, 其積分時間常數由電阻電容和積分放大器決定, 通常模擬電路的時間常數比較大; 智能化電磁流量計是斷續采樣的, 依靠軟件設置CPU運算進行數字濾波, 阻尼時間需要設置, 設置的范圍很寬, 從0.5~100s。通常設置的阻尼時間小于氣泡噪聲的脈沖寬度。智能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。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。