電磁流量計(jì)測(cè)量中的氣泡噪聲處理方法 v錐流量計(jì)：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120 m3 /h, 故障脈沖寬度大約為10~ 12 s, 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。圖1.. 故障流量曲線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)入電磁流量計(jì)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..大約為40..。從現(xiàn)場(chǎng)安裝情況分析, 初步認(rèn)為故障可能是由氣圖2.. 傳感器安裝示意圖泡擦過電極形成短暫時(shí)間的感應(yīng)信號(hào)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.. ( bubble noise)。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
v錐流量計(jì)：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。圖3.. 擴(kuò)大管氣泡分離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10 s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)輸入量階躍上升到值, 儀表測(cè)量值并不是立即從零達(dá)到值, 而是需要一段時(shí)間。把從零到輸出值的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)積分過程。圖4為阻尼時(shí)間等效電路[ 4] 。圖4.. 阻尼時(shí)間等效電路圖4中: e i 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. 718 28為常數(shù); 電阻電容之積rc 就是阻尼時(shí)間常數(shù); ..為階躍脈沖信號(hào)的寬度。當(dāng)rc = ..時(shí), 輸出信號(hào)達(dá)到輸入信號(hào)值的63%; 當(dāng)rc = 3..時(shí), 輸出信號(hào)達(dá)到輸入信號(hào)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) ..。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)不到穩(wěn)定值。但是, 阻尼時(shí)間過長(zhǎng), 會(huì)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(jì)的阻尼時(shí)間設(shè)為3~ 6 s。氣泡噪聲信號(hào)波形脈沖幅度從99% 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。圖5.. 氣泡噪聲與阻尼時(shí)間的關(guān)系輸出幅度可用式( 1)表示: eo = e i 1- e- t .. ( 1) 如果按一般阻尼時(shí)間設(shè)置為5 s, 計(jì)算信號(hào)輸出會(huì)下降到約40%, 即原本測(cè)量輸出120 m3 /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)沒有出現(xiàn)故障報(bào)警是由于: .. 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 ~ 100 s。通常設(shè)置的阻尼時(shí)間小于氣泡噪聲的脈沖寬度。.. 智能電磁流量計(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)為是沒有流量流過, 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, 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10 s, 阻尼時(shí)間應(yīng)取30~ 50 s。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)無疑是個(gè)難題。為了解決這個(gè)問題, 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)條件來判斷是流量的變動(dòng), 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(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~ 6 s。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。圖6.. 輸出曲線從圖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。切換智能電磁流量計(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
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。