污水流量計工作過程中輸出跳動不穩定的故障分析

　　1　 故障類型

　　污水流量計(以下簡稱 EMF)常見故障現象有:

　　1)無流量信號輸出 ;2)零點不穩;3)輸出晃動 ;4)流量測量值與應用參比值不符 ;5)輸出信號超微度值五類 。

　　本報告僅討論其中因安裝不妥、選用不當,環境條件以及流體物性等應用技術方面原因所引起的輸出晃動, 不包括 EMF 本身(如元件損壞和調試 、設定繆誤等)引起的故障 。

　　輸出晃動大體上可歸納為 5 類故障原因, 它們是:

　　1)流動本身是波動或脈動的 ,實質上不是 EMF的故障,僅如實反映流動狀況 ;

　　2)管道未充滿液體或液體中含有氣泡 ;

　　3)外界雜散電流等電磁干擾 ;

　　4)液體物性方面(如液體電導率不均勻和含有較多顆粒的漿液等)的原因;

　　5)電極材料與液體匹配不妥 。

　　2　 檢查程序

　　通常檢查和判斷故障的程序如圖 1所示, 從顯示儀表工作是否正常開始 ,逆流量信號傳送的方向進行 。首先用模擬信號器測試轉換器, 以判斷故障是產生在轉換器及其后續儀器還是在連接電纜或傳感器發生的。若是轉換器故障, 由于當代儀表大部分均有互換性 ,就可方便地試調換轉換器部件甚至轉換器整機備用件 ;若是傳感器故障需要試調換時,因必須停止管道系統運行 ,涉及面廣 ,往往不易辦到。特別是大口徑 EMF , 試換工程量大 , 通常只能作完其他各項檢查 ,最后才下決心, 拆卸傳感器進行檢查或調換 。

　　圖2所示是檢查 EMF 輸出晃動的流程。先全面考慮作初步調查和判斷 ,然后再逐項細致檢查和試排除故障。圖 2 所示檢查順序的先后原則是 :

　　1)可經觀察或詢問了解而毋須作較大操作的在前, 即先易后難;

　　2)按過去現場檢修經驗,出現頻率較高今后可能出現概率較高者在前。若經初步調查確認故障原因是后幾項的原因,亦可提前作細致的檢查 。

　　3　 故障檢查和采取措施

　　本節分別討論上述 5 類故障原因的檢查和采取的措施 。

　　3.1　 流動本身的波動(或脈動)

　　若流動本身波動,儀表輸出晃動則是如實反映波動狀況 。檢查方法可在使用現場向操作人員和流程工藝人員詢問或巡視有否波動源。管系流動波動(或脈動)的原因通常有 3 個方面:

　　1)EMF 上游的流動動力源采用了往復泵或膜片泵(經常用于精細化工、食品、醫藥和給水凈化等加注藥液), 這些泵的脈動頻率通常在每分鐘幾次到百余次之間;

　　2)儀表下游的控制閥流動特性和尺寸選用不妥,從而產生獵振,這可觀察控制閥閥桿是否有振蕩性移動 ;

　　3)其他擾動源使流動波動 , 例如 :EMF上游管道中有否阻流件(如全開蝶閥)產 生旋渦(如象渦街流量計旋渦發生體產生的渦列, 傳感器進口端墊圈伸入流通通道, 墊圈條片狀碎 塊懸在 液流中擺動等等)

　　遇到懸掛在液流中的剝離襯里片, 隨著液流擺動造成流動波動的實例 。江西某銅礦冶煉廠裝有若干臺 EMF 測量含粉狀固相的漿液 , 幾年來一直使用正常 。到2008 年7 月用戶反映其中一臺 DN600 mm EMF 最近出現輸出晃動高達滿度值的 50%～ 100%。首先現場檢查 EMF 本身均正常 , 并且巡視和詢問得悉流動動力源未改動 , 不會新產生流動波動, 也排除了使用環境變壞新引入干擾的可能性?？傮w印象是儀表正常, 安裝和環境條件符合要求, 但因不能停流御下和檢查流量傳感器隱蔽部分及其鄰近管道狀況 ,一時未找出故障原因。直到月余后該廠停車檢修, 發現 EMF 附近上游襯有橡膠襯里的 U型管內,大片橡膠襯里脫落,懸掛于管內 ,隨液體流動而擺動 ,造成流動波動導致儀表輸出晃動。新換上U 型管后, 大幅輸出晃動就不再出現了。在有脈動流動源的管線上 ,要減緩其對流量儀表測量的影響, 通常采取流量傳感器遠離脈動源 ,利用管流流阻衰減脈動 ;或在管線適當位置裝上稱

　　作被動式濾波器的氣室緩沖器,吸收脈動。

　　3.2　 管道未充滿液體或液體中含有氣泡

　　3.2.1　 管道未充滿液體 。主要是不良管網工程設計使電磁流量傳感器的測量管未充滿液體或傳感器安裝位置不妥,如圖 3 中 a,b ,e 位置 。

　?。?)傳感器下游無背壓或背壓不足。傳感器如裝在圖 3 中 e 的位置 ,液流經下游很短一段管段即排入大氣 。若閥門 2 全開, 傳感器測量管內有可能未充滿液體 。有時候流程的流量較大能充滿而儀表運行正常,若流量減小就有可能液體不滿而使儀表失常。

　　2)傳感器安裝于自上而下流動的垂直管線上(圖 3中 b 位置), 其流動狀況亦有可能出現液體不滿的現象 。

　　3.2.2　 液體中含有氣體 。液體中泡狀氣體形成有外界吸入和液體中溶解氣體(空氣)轉變成游離狀氣泡兩種途經。液體中含有氣泡數量不多且氣泡球徑遠小于電極直徑 ,雖然減少了部分液體體積,但不會使 EMF 輸出晃動;較大氣泡則因擦過電極表面 ,與液體接觸, 電化學電勢突然變化會產生尖峰脈沖狀電噪聲, 使輸出晃動。若氣泡大到流過電極能遮蓋整個電極 , 使流量信號回路瞬間開路 ,則輸出信號晃動更大 。

　　1)液流中微小氣泡在流動過程中會逐漸在高點或死角積聚 ,若 EMF 裝在管系高點 ,潴留氣體減少傳感器內液體流通面積而影響測量準確度 ,潴留較多時還會產生干擾信號(參見下文故障實例):若傳感器裝在高點下游 ,高點積聚氣體超過容納量或因受壓力波動, 氣體以泡狀或片狀隨液體流動 ,遮蓋電極而造成輸出晃動。

　　電磁流量傳感器潴留氣體故障實例:20 世紀80 年代初南京某石化廠以 DN1000 mm 管道引長江水, 管道長 10 km 順地勢起伏途經小丘 ,在小丘頂裝華恒儀表的 DN700 mm EMF 。管系投入運行 EMF 不能正常工作 ,經現場檢查發現電磁流量傳感器及其附近有水流聲的不正?，F象 。初步分析認為管系啟用后未能將管道內空氣排凈,而工程設計未在高點裝排氣閥而無法放氣。測量電極信號高達 4 mV(大部分為干擾電勢), 因不能停水無法進一步檢查和排除故障 。數月后制造廠維修人員再次隨訪, 此時不再有水流聲 ,因經過一段時間流動, 剩留空氣隨水流帶走 ,重新調試即能使之正常運行。

　　筆者認為像這類安裝場所,流量傳感器最好安裝在水流自下向上的斜坡上 ;如果已經裝在最高頂點,改裝工程量大或有困難, 則可在流量傳感器上游高點裝自動排氣閥,至少在傳感器附近裝手動排氣閥補救之。

　　2)外界吸入空氣常見途徑在給水公用事業方面主要有江河原水含有氣泡 ,或吸入口水位高度過低(通常要求有1～ 2倍以上吸入口直徑的距離, 視吸入流速而異)形成吸入旋渦卷進空氣 。在流程工業方面的配比混合容器攪拌時混入空氣以及泵吸入端或管系其他局部產生密封不良的場所吸入空氣等 。這類故障在實踐中也常會碰到 。

　　旋渦卷入氣泡實例 :20 世紀 80 年代初廣西某水廠在郊區山頭設置清水池 ,利用水池高度勢能發送成品水 ,運行人員反映計量出水量的 DN700 mmEMF ,有時候流量顯示不穩 , 晃動達百分之十幾到百分之二十 ,誤差也大 ,估計相差 20%?，F場考查發現水池如圖 4 所示安裝流量傳感器,水位高度不足就會卷入氣泡 , 甚至 EMF 測量管內不能充滿 。如水位降至A 線時,雖高出 EMF 進口頂端,但高出不多 , 還會在C 處產生旋渦 ,將水位表面空氣卷入形成氣泡 ,使顯示晃動;若水位降到 B,EMF 將不滿管。我們建議如圖虛線所示裝一彎頭 ,擴大水池有效容量, 減少吸入氣泡的機會 ,彌補原設計的不足 。

　　3)液體中溶解空氣分離成游離氣泡 ,管系壓力降低 ,原溶解的空氣(或氣體)會分離成游離氣泡 。例如充滿液體管系二端閥門關閉, 停止運行后逐漸冷卻, 由于熱膨脹系數不同 ,液體收縮比管系收縮大得多,管系中形成收縮空間 ,形成局部真空狀態 。液體中溶解空氣便分離出來形成氣泡, 積聚于管系高點 。重新啟動 ,夾入氣泡的液體流過電極表面就可能使 EMF 輸出晃動。這可能是管系啟動運行初期 EMF 輸出晃動, 然后趨于穩定的這一現象的原因之一 。又如水在 1 個大氣壓 0 ℃時可溶解空氣的體積分數最多約 0.3 %, 若在流程中水溫升高空氣就會分離成游離氣泡(到 30 ℃時 ,最多只能溶解約0.15%)。積聚起來也有可能出現故障現象。

　　3.3　 檢查外界電磁干擾

　　EMF 由于流量信號小易受外界干擾影響 ,干擾源主要有管道雜散電流、靜電 、電磁波和磁場 。

　　1)管道雜散電流主要靠 EMF 良好接地保護 ,通常接地電阻要小于 100;,不要和其他電機和電器共用接地 。有時候環境條件較好, EMF 不接地也能正常工作, 但是我們認為即使如此還是作好接地為妥。因為一旦良好環境條件不復存在,儀表出現故障 ,屆時會影響使用 , 再作各種檢查帶來諸多麻煩 。

　　有時候 EMF 雖然良好接地, 由于管道雜散電流過于強大(如電解工藝流程管線和有陰極保護管網)影響 EMF 正常測量, 此時卻須將電磁流量傳感器與所接管道之間電氣絕緣隔離。具體實例及其檢查和排除過程可參閱文獻[3] 。

　　2)靜電和電磁波干擾會通過 EMF 傳感器和轉換器間的信號線引入, 通常若有良好屏蔽(如信號線用屏蔽電纜, 電纜置于保護鐵管內)是可以防止的。然而也曾遇到強電磁波防治無效的實例 ,此時將轉換器移近到傳感器附近, 縮短連接的信號電纜,或改用無外接電纜的一體型 EMF 。

　　3)磁場干擾通常只有采取電磁流量傳感器遠離強磁場源。EMF 抗磁場的能力視傳感器的結構設計而異 ,如傳感器激磁線圈保護外殼由非磁性材料(如鋁 ,塑料)制成 ,抗磁場影響的能力較弱,鋼鐵制成則較強。例如DN900mm EMF 為碳鋼保護外殼 ,裝在離數百千伏安電力變壓器 8 m 處 ,未見帶來明顯影響。

　　3.4　 檢查液體物性

　　液體物性中有 3 種因素會使輸出晃動, 它們是:1)液體中含有固相顆?；驓馀?,2)雙組分液體中二種液體電導率不同而未均勻混合 ,或管道化學反應尚未完全完成 ,3)液體的電導率接近下限值。

　　1)被測液體含有較多固體顆粒會像前文所述氣泡一樣, 使流量信號出現尖峰脈沖狀噪聲等 , 造成輸出晃動。固相若是粉狀通常則不會形成輸出晃動 。

　　2)在精細化工業 、食品業 、醫藥業和給水處理工程經常在主液內加藥液,而藥液通常是由往復泵或膜片泵按主液流量成比例地注入。注入藥液后的主液呈現有藥液段和無藥液段相間隔的段列, 若兩種電導率不同的液體沒有混和均勻 ,其下游測量流量的 EMF 輸出就會呈現晃動。出現這種情況就應將加液點移至 EMF 下游 ,或將 EMF 移至加液點上游 ;如果受現場條件限制或避免改裝工程量大 ,亦可在加液點下游裝靜態混合器補救之。但裝靜態混合器后液流將產生旋轉流 ,有可能造成 1%或以上的額外附加誤差。然而與輸出晃動無法測量相比 ,是權衡兩弊取其輕的措施。

　　若混合液在管道內化學反應未結束就進入EMF 測量, 也有可能出現輸出晃動現象。這種情況下只能改變測量點位置,務使測量位置在混合點上游或遠離混合段的下游。然而遠離混合段的相隔距離需要很 長 ,例如反應時間是 60 s,液體流速3 m/s,不考慮保險系數就要求相距 180 m。

　　3)液體電導率若接近下限值也有可能出現輸出晃動現象 。因為制造廠儀表規范(Specification)規定的下限值是在各種使用條件較好狀態下可測量的最低值, 而實際條件不可能都很理想。我們就多次遇到測量低度蒸餾水或去離子水 ,其電導率接近 EMF 規范規定的下限值 5 10 -6 S/cm, 使用時卻出現輸出晃動 。通常認為能穩定測量的電導率下限值要高 1～ 2 個數量級 。液體電導率可查閱有關手冊 ,缺少現成數據則可取樣用電導率儀測定。但有時候也有從管線上取樣去實驗室測定認為可用, 而實際 EMF 不能工作的情況 。這是由于測電導率時的液體與管線內液體已有差別。譬如液體已吸收了大氣中二氧化碳或氧化氮生成碳酸或硝酸, 改變了電導率。

　　3.5　 復核液體與電極材料的匹配

　　電極材料的選擇首先考慮是對被測液體的耐腐蝕性,然而選配不妥產生電極表面效應會形成輸出晃動等故障。電極表面效應包括電極表面生成鈍化膜或氧化膜等絕緣層以及極化現象和電化學等。介質-電極材料匹配還沒有像耐腐蝕性那樣有充足的資料可查 , 只有一些有限經驗, 尚待在實踐中積累。

　　鉭-水 、堿等非酸液 :鉭對水是耐腐的, 但使用鉭電極測量水流量時會形成絕緣層 ,使儀表失靈或運行一短時期后出現很大噪聲。在工藝流程中即使是極短時間鉭電極與水或非酸液接觸,如用清水沖洗管子,亦會影響儀表正常使用。氫氧化鈉等堿液亦不能選用鉭電極。

　　哈氏合金 B-高濃度鹽酸:哈氏合金 B 對溫度 、濃度不高的鹽酸是耐腐蝕的, 已有若干應用良好的實例 。然而濃度超過某值時會產生噪聲 ,筆者曾在現場與使用單位一起做過改變濃度的試驗 ,濃度逐漸增加超過 15%～ 20%時儀表輸出隨之晃動起來, 輸出晃動高達 20%。硝酸、硫酸等酸液也有相似效應的實踐經驗 。

　　鉑-過氧化氫 :鉑電極用于測量低壓過氧化氫(壓力低于 0.3 MPa)時, 由于觸媒作用在電極表面產生氣霧 ,阻斷了電氣通路而影響工作 。

　　鉑-濃度大于 10%的鹽酸:鉑電場對濃度大于10%的鹽酸會產生噪聲 ,應當改用鉭電極。

　　哈氏合金 B-硫酸鋁溶液 :水廠用硫酸鋁與原水混合以凝聚懸浮體 。筆者曾遇到哈氏合金 B 電極測量 15%硫酸鋁溶液 ,出現輸出晃動 ,后改用耐酸鋼電極即獲得滿意的結果 。