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(jì)來(lái)測(cè)量冷卻水。冷卻水的測(cè)量信號(hào)往往與設(shè)備開啟關(guān)聯(lián)，任何一個(gè)誤動(dòng)作將會(huì)造成無(wú)法彌補(bǔ)的損失。測(cè)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(biāo)。因此，鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程對(duì)電磁流量計(jì)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(diǎn)。
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(cè)量的問(wèn)題。
1 冷卻水測(cè)量的一個(gè)故障特例
某鋼鐵公司的煉鋼廠連鑄冷卻水測(cè)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(bào)警，導(dǎo)致工廠生產(chǎn)過(guò)程中的嚴(yán)重事故。盡管電磁流量計(jì)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(cè)故障發(fā)生時(shí)流量計(jì)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(jì)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(kuò)管再擴(kuò)大至DN150管道進(jìn)入電磁流量傳感器。流量計(jì)上游的直管段長(zhǎng)度不足5D，計(jì)算得到從DN80～DN150的擴(kuò)大錐角β大約為40°。從現(xiàn)場(chǎng)安裝情況分析，初步認(rèn)為故障可能是由氣泡擦過(guò)電極形成短暫時(shí)間的感應(yīng)信號(hào)為零所致。也就是說(shuō)，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(shí)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(jì)的安裝要求不符。流量計(jì)上游的彎頭、擴(kuò)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(duì)稱流速分布以及分離液體中氣體形成氣泡的原因。上游由小口徑（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(kuò)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(dòng)，流體的流束首先是收縮呈射流形式流動(dòng)，然后再逐漸將流束擴(kuò)散為軸對(duì)稱的充分發(fā)展流。射流過(guò)程會(huì)形成擴(kuò)大管內(nèi)入口處周圍的負(fù)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(jì)測(cè)量要求即流速中心軸對(duì)稱的基本條件。更嚴(yán)重的是由于在電極前形成負(fù)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(dòng)容易攜帶氣泡沿管壁移動(dòng)。當(dāng)氣泡沿管壁移動(dòng)擦過(guò)電極時(shí)，使電極上的感應(yīng)信號(hào)為零，這時(shí)的測(cè)量輸出和顯示為零。
彎頭和插入熱電偶的下游也會(huì)有旋渦產(chǎn)生和氣體分離。高溫液體在旋渦產(chǎn)生過(guò)程中更容易汽化分離氣泡，這些都是鋼鐵行業(yè)冷卻水測(cè)量時(shí)容易遇到的現(xiàn)象。
分離的氣泡向下游移動(dòng)，擦過(guò)電極的時(shí)間受液體流動(dòng)速度、管道內(nèi)壁粗糙度、流量計(jì)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(zhǎng)短不定。本例2臺(tái)儀表反映的故障時(shí)間都在10s左右。
為了使儀表輸出穩(wěn)定，電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)有阻尼時(shí)間。儀表的阻尼是在被測(cè)量流量變動(dòng)時(shí)能夠平滑儀表的測(cè)量值。當(dāng)輸入量階躍上升到最大值，儀表測(cè)量值并不是立即從零達(dá)到最大值，而是需要一段時(shí)間。把從零到最大輸出值的63%（或歐洲產(chǎn)品習(xí)慣定義為90%）所需要的時(shí)間定義為阻尼時(shí)間。電信號(hào)的阻尼時(shí)間實(shí)際上是一個(gè)RC阻容濾波器的時(shí)間常數(shù)，它是一個(gè)積分過(guò)程。圖4為阻尼時(shí)間等效電路[4]。
圖4中：Ei為階躍輸入信號(hào)幅度；Eo為積分輸出信號(hào)幅度；t為阻尼時(shí)間；e=2.71828為常數(shù)；電阻電容之積RC就是阻尼時(shí)間常數(shù)；τ為階躍脈沖信號(hào)的寬度。
當(dāng)RC=τ時(shí)，輸出信號(hào)達(dá)到輸入信號(hào)最大值的63%；當(dāng)RC=3τ時(shí)，輸出信號(hào)達(dá)到輸入信號(hào)最大值的95%。為了減小測(cè)量誤差，則采用長(zhǎng)阻尼時(shí)間，通常取RC=（5～7）τ。同時(shí)應(yīng)該注意到，如果阻尼時(shí)間小，后面的輸入信號(hào)脈沖需要再濾波，形成三角波狀輸出，達(dá)不到最大穩(wěn)定值。但是，阻尼時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)造成儀表的反應(yīng)速度慢，也就是說(shuō)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(jì)的阻尼時(shí)間設(shè)為3～6s。
氣泡噪聲信號(hào)波形脈沖幅度從最大100%下降到零，并維持10余秒，氣泡噪聲與阻尼時(shí)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(shí)間設(shè)置為5s，計(jì)算信號(hào)輸出會(huì)下降到約40%，即原本測(cè)量輸出120m3/h，這時(shí)只能得到約50m3/h，低于工廠下限報(bào)警值，從而引起誤報(bào)警。同時(shí)，由于智能電磁流量計(jì)具有空管報(bào)警并將信號(hào)輸出自動(dòng)置零的功能，在氣泡擦過(guò)電極時(shí)，電極電阻增大，發(fā)生空管報(bào)警，儀表使測(cè)量輸出保持在零值。氣泡擦過(guò)電極的時(shí)間大于阻尼時(shí)間，形成多次脈沖的濾波，其濾波次數(shù)決定于氣泡擦過(guò)電極的時(shí)間與阻尼時(shí)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(jì)沒(méi)有出現(xiàn)故障報(bào)警是由于：①模擬型電磁流量計(jì)在信號(hào)處理時(shí)具有采樣電路和積分保持電路，其積分時(shí)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(shí)間常數(shù)比較大；智能化電磁流量計(jì)是斷續(xù)采樣的，依靠軟件設(shè)置CPU運(yùn)算進(jìn)行數(shù)字濾波，阻尼時(shí)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(shí)間小于氣泡噪聲的脈沖寬度。②智能化電磁流量計(jì)具有空管檢測(cè)功能，當(dāng)電極檢測(cè)到氣泡即提出報(bào)警，并把空管認(rèn)為是沒(méi)有流量流過(guò)，自動(dòng)將輸出顯示置于零狀態(tài)。模擬型電磁流量計(jì)一般不帶空管檢測(cè)功能，判斷不了電極出現(xiàn)氣泡，這時(shí)也就不會(huì)把輸出顯示置于零。因此，似乎顯得模擬型電磁流量計(jì)對(duì)氣泡噪聲影響不敏感。
3 問(wèn)題的避免和解決方法
由以上分析可得，電磁流量計(jì)在鋼鐵行業(yè)冷卻水測(cè)量中出現(xiàn)的誤報(bào)警大多是由氣泡擦過(guò)電極引起的。所以，首先從安裝上滿足儀表上游直管段長(zhǎng)度要求，規(guī)范儀表的安裝，選擇遠(yuǎn)離熱源的安裝場(chǎng)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(shuō)，改進(jìn)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(wèn)題的發(fā)生[5]。其次，合理地設(shè)置儀表阻尼時(shí)間和功能，也可以解決出現(xiàn)氣泡噪聲測(cè)量的誤報(bào)警。阻尼時(shí)間的選擇是根據(jù)流量信號(hào)中發(fā)生氣泡噪聲的脈沖寬度來(lái)選取。一般應(yīng)取阻尼時(shí)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(shí)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(shí)間能有效地解決這種脈沖型氣泡噪聲的影響，同時(shí)也帶來(lái)了反應(yīng)遲鈍的缺點(diǎn)，即當(dāng)真正流量波動(dòng)時(shí)，儀表反應(yīng)很慢。這對(duì)要求靈敏控制的冷卻水系統(tǒng)無(wú)疑是個(gè)難題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，智能化電磁流量計(jì)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(shí)，通過(guò)調(diào)整流量的不敏感時(shí)間和變化幅度限制這兩個(gè)條件來(lái)判斷是流量的變動(dòng)，還是氣泡擦過(guò)電極。如果不是氣泡擦過(guò)電極的噪聲，CPU按正常采樣、運(yùn)算和數(shù)字濾波；如果判定產(chǎn)生的是氣泡噪聲，切除測(cè)量值，維持前面的流量測(cè)量值。這樣，正常流量測(cè)量期間阻尼時(shí)間仍然為3～6s。只有在有氣泡噪聲時(shí)，根據(jù)脈沖寬度設(shè)置的長(zhǎng)短將不敏感時(shí)間加長(zhǎng)，系統(tǒng)控制的時(shí)間也會(huì)加長(zhǎng)。
當(dāng)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(shí)間值”時(shí)，轉(zhuǎn)換器不僅能夠抑制氣泡噪聲引起的誤報(bào)警，而且在正常工作時(shí)儀表的反應(yīng)速度仍然能夠保持所設(shè)置的阻尼時(shí)間值。
4 試驗(yàn)驗(yàn)證
氣泡噪聲的研究，應(yīng)該是用氣泡對(duì)電磁流量傳感器電極進(jìn)行模擬試驗(yàn)，但目前尚未有這種條件。因此，我們只用電磁流量信號(hào)發(fā)生器信號(hào)的切換，進(jìn)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(dāng)?shù)剡x取阻尼時(shí)間和智能型電磁流量計(jì)處理氣泡噪聲故障的方法，對(duì)觀察流量計(jì)顯示與輸出信號(hào)變化，判斷處理氣泡噪聲的效果明顯。切換電磁流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的開關(guān)，快速設(shè)置流速和零點(diǎn)，按需要保持信號(hào)為零的時(shí)間，模擬氣泡噪聲的發(fā)生和存在。改變儀表阻尼時(shí)間并設(shè)置不同的“變化率限制值”及“不敏感時(shí)間值”，測(cè)試儀表輸出的變化。
結(jié)果表明，加大阻尼時(shí)間和智能化氣泡噪聲處理都能達(dá)到輸出不發(fā)生大的變化，后者更有利于正常測(cè)量期間測(cè)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(chǎng)運(yùn)行正常，未再出現(xiàn)氣泡故障報(bào)警。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)氣泡噪聲的初步探索，有助于在電磁流量計(jì)的應(yīng)用中，判斷氣液兩相流分離氣泡和進(jìn)行噪聲處理，充分利用現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)提高測(cè)量的可靠性。
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