污水流量計(jì)工作過(guò)程中輸出跳動(dòng)不穩(wěn)定的故障分析

　　1　 故障類型

　　污水流量計(jì)(以下簡(jiǎn)稱 EMF)常見故障現(xiàn)象有:

　　1)無(wú)流量信號(hào)輸出 ;2)零點(diǎn)不穩(wěn);3)輸出晃動(dòng) ;4)流量測(cè)量值與應(yīng)用參比值不符 ;5)輸出信號(hào)超微度值五類 。

　　本報(bào)告僅討論其中因安裝不妥、選用不當(dāng),環(huán)境條件以及流體物性等應(yīng)用技術(shù)方面原因所引起的輸出晃動(dòng), 不包括 EMF 本身(如元件損壞和調(diào)試 、設(shè)定繆誤等)引起的故障 。

　　輸出晃動(dòng)大體上可歸納為 5 類故障原因, 它們是:

　　1)流動(dòng)本身是波動(dòng)或脈動(dòng)的 ,實(shí)質(zhì)上不是 EMF的故障,僅如實(shí)反映流動(dòng)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(dǎo)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(hào)傳送的方向進(jìn)行 。首先用模擬信號(hào)器測(cè)試轉(zhuǎn)換器, 以判斷故障是產(chǎn)生在轉(zhuǎn)換器及其后續(xù)儀器還是在連接電纜或傳感器發(fā)生的。若是轉(zhuǎn)換器故障, 由于當(dāng)代儀表大部分均有互換性 ,就可方便地試調(diào)換轉(zhuǎn)換器部件甚至轉(zhuǎn)換器整機(jī)備用件 ;若是傳感器故障需要試調(diào)換時(shí),因必須停止管道系統(tǒng)運(yùn)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(xiàng)檢查 ,最后才下決心, 拆卸傳感器進(jìn)行檢查或調(diào)換 。

　　圖2所示是檢查 EMF 輸出晃動(dòng)的流程。先全面考慮作初步調(diào)查和判斷 ,然后再逐項(xiàng)細(xì)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(jīng)觀察或詢問(wèn)了解而毋須作較大操作的在前, 即先易后難;

　　2)按過(guò)去現(xiàn)場(chǎng)檢修經(jīng)驗(yàn),出現(xiàn)頻率較高今后可能出現(xiàn)概率較高者在前。若經(jīng)初步調(diào)查確認(rèn)故障原因是后幾項(xiàng)的原因,亦可提前作細(xì)致的檢查 。

　　3　 故障檢查和采取措施

　　本節(jié)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(dòng)本身的波動(dòng)(或脈動(dòng))

　　若流動(dòng)本身波動(dòng),儀表輸出晃動(dòng)則是如實(shí)反映波動(dòng)狀況 。檢查方法可在使用現(xiàn)場(chǎng)向操作人員和流程工藝人員詢問(wèn)或巡視有否波動(dòng)源。管系流動(dòng)波動(dòng)(或脈動(dòng))的原因通常有 3 個(gè)方面:

　　1)EMF 上游的流動(dòng)動(dòng)力源采用了往復(fù)泵或膜片泵(經(jīng)常用于精細(xì)化工、食品、醫(yī)藥和給水凈化等加注藥液), 這些泵的脈動(dòng)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(dòng)特性和尺寸選用不妥,從而產(chǎn)生獵振,這可觀察控制閥閥桿是否有振蕩性移動(dòng) ;

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

　　遇到懸掛在液流中的剝離襯里片, 隨著液流擺動(dòng)造成流動(dòng)波動(dòng)的實(shí)例 。江西某銅礦冶煉廠裝有若干臺(tái) EMF 測(cè)量含粉狀固相的漿液 , 幾年來(lái)一直使用正常 。到2008 年7 月用戶反映其中一臺(tái) DN600 mm EMF 最近出現(xiàn)輸出晃動(dòng)高達(dá)滿度值的 50%～ 100%。首先現(xiàn)場(chǎng)檢查 EMF 本身均正常 , 并且巡視和詢問(wèn)得悉流動(dòng)動(dòng)力源未改動(dòng) , 不會(huì)新產(chǎn)生流動(dòng)波動(dòng), 也排除了使用環(huán)境變壞新引入干擾的可能性。總體印象是儀表正常, 安裝和環(huán)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(shí)未找出故障原因。直到月余后該廠停車檢修, 發(fā)現(xiàn) EMF 附近上游襯有橡膠襯里的 U型管內(nèi),大片橡膠襯里脫落,懸掛于管內(nèi) ,隨液體流動(dòng)而擺動(dòng) ,造成流動(dòng)波動(dòng)導(dǎo)致儀表輸出晃動(dòng)。新?lián)Q上U 型管后, 大幅輸出晃動(dòng)就不再出現(xiàn)了。在有脈動(dòng)流動(dòng)源的管線上 ,要減緩其對(duì)流量?jī)x表測(cè)量的影響, 通常采取流量傳感器遠(yuǎn)離脈動(dòng)源 ,利用管流流阻衰減脈動(dòng) ;或在管線適當(dāng)位置裝上稱

　　作被動(dòng)式濾波器的氣室緩沖器,吸收脈動(dòng)。

　　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(wǎng)工程設(shè)計(jì)使電磁流量傳感器的測(cè)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 。

　　（1)傳感器下游無(wú)背壓或背壓不足。傳感器如裝在圖 3 中 e 的位置 ,液流經(jīng)下游很短一段管段即排入大氣 。若閥門 2 全開, 傳感器測(cè)量管內(nèi)有可能未充滿液體 。有時(shí)候流程的流量較大能充滿而儀表運(yùn)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(dòng)的垂直管線上(圖 3中 b 位置), 其流動(dòng)狀況亦有可能出現(xiàn)液體不滿的現(xiàn)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(zhuǎn)變成游離狀氣泡兩種途經(jīng)。液體中含有氣泡數(shù)量不多且氣泡球徑遠(yuǎn)小于電極直徑 ,雖然減少了部分液體體積,但不會(huì)使 EMF 輸出晃動(dòng);較大氣泡則因擦過(guò)電極表面 ,與液體接觸, 電化學(xué)電勢(shì)突然變化會(huì)產(chǎn)生尖峰脈沖狀電噪聲, 使輸出晃動(dòng)。若氣泡大到流過(guò)電極能遮蓋整個(gè)電極 , 使流量信號(hào)回路瞬間開路 ,則輸出信號(hào)晃動(dòng)更大 。

　　1)液流中微小氣泡在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)逐漸在高點(diǎn)或死角積聚 ,若 EMF 裝在管系高點(diǎn) ,潴留氣體減少傳感器內(nèi)液體流通面積而影響測(cè)量準(zhǔn)確度 ,潴留較多時(shí)還會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)(參見下文故障實(shí)例):若傳感器裝在高點(diǎn)下游 ,高點(diǎn)積聚氣體超過(guò)容納量或因受壓力波動(dòng), 氣體以泡狀或片狀隨液體流動(dòng) ,遮蓋電極而造成輸出晃動(dòng)。

　　電磁流量傳感器潴留氣體故障實(shí)例:20 世紀(jì)80 年代初南京某石化廠以 DN1000 mm 管道引長(zhǎng)江水, 管道長(zhǎng) 10 km 順地勢(shì)起伏途經(jīng)小丘 ,在小丘頂裝華恒儀表的 DN700 mm EMF 。管系投入運(yùn)行 EMF 不能正常工作 ,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)電磁流量傳感器及其附近有水流聲的不正?，F(xiàn)象 。初步分析認(rèn)為管系啟用后未能將管道內(nèi)空氣排凈,而工程設(shè)計(jì)未在高點(diǎn)裝排氣閥而無(wú)法放氣。測(cè)量電極信號(hào)高達(dá) 4 mV(大部分為干擾電勢(shì)), 因不能停水無(wú)法進(jìn)一步檢查和排除故障 。數(shù)月后制造廠維修人員再次隨訪, 此時(shí)不再有水流聲 ,因經(jīng)過(guò)一段時(shí)間流動(dòng), 剩留空氣隨水流帶走 ,重新調(diào)試即能使之正常運(yùn)行。

　　筆者認(rèn)為像這類安裝場(chǎng)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(jīng)裝在最高頂點(diǎn),改裝工程量大或有困難, 則可在流量傳感器上游高點(diǎn)裝自動(dòng)排氣閥,至少在傳感器附近裝手動(dòng)排氣閥補(bǔ)救之。

　　2)外界吸入空氣常見途徑在給水公用事業(yè)方面主要有江河原水含有氣泡 ,或吸入口水位高度過(guò)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(jìn)空氣 。在流程工業(yè)方面的配比混合容器攪拌時(shí)混入空氣以及泵吸入端或管系其他局部產(chǎn)生密封不良的場(chǎng)所吸入空氣等 。這類故障在實(shí)踐中也常會(huì)碰到 。

　　旋渦卷入氣泡實(shí)例 :20 世紀(jì) 80 年代初廣西某水廠在郊區(qū)山頭設(shè)置清水池 ,利用水池高度勢(shì)能發(fā)送成品水 ,運(yùn)行人員反映計(jì)量出水量的 DN700 mmEMF ,有時(shí)候流量顯示不穩(wěn) , 晃動(dòng)達(dá)百分之十幾到百分之二十 ,誤差也大 ,估計(jì)相差 20%?，F(xiàn)場(chǎng)考查發(fā)現(xiàn)水池如圖 4 所示安裝流量傳感器,水位高度不足就會(huì)卷入氣泡 , 甚至 EMF 測(cè)量管內(nèi)不能充滿 。如水位降至A 線時(shí),雖高出 EMF 進(jìn)口頂端,但高出不多 , 還會(huì)在C 處產(chǎn)生旋渦 ,將水位表面空氣卷入形成氣泡 ,使顯示晃動(dòng);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(kuò)大水池有效容量, 減少吸入氣泡的機(jī)會(huì) ,彌補(bǔ)原設(shè)計(jì)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(huì)分離成游離氣泡 。例如充滿液體管系二端閥門關(guān)閉, 停止運(yùn)行后逐漸冷卻, 由于熱膨脹系數(shù)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(tài) 。液體中溶解空氣便分離出來(lái)形成氣泡, 積聚于管系高點(diǎn) 。重新啟動(dòng) ,夾入氣泡的液體流過(guò)電極表面就可能使 EMF 輸出晃動(dòng)。這可能是管系啟動(dòng)運(yùn)行初期 EMF 輸出晃動(dòng), 然后趨于穩(wěn)定的這一現(xiàn)象的原因之一 。又如水在 1 個(gè)大氣壓 0 ℃時(shí)可溶解空氣的體積分?jǐn)?shù)最多約 0.3 %, 若在流程中水溫升高空氣就會(huì)分離成游離氣泡(到 30 ℃時(shí) ,最多只能溶解約0.15%)。積聚起來(lái)也有可能出現(xiàn)故障現(xiàn)象。

　　3.3　 檢查外界電磁干擾

　　EMF 由于流量信號(hào)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(chǎng) 。

　　1)管道雜散電流主要靠 EMF 良好接地保護(hù) ,通常接地電阻要小于 100;,不要和其他電機(jī)和電器共用接地 。有時(shí)候環(huán)境條件較好, EMF 不接地也能正常工作, 但是我們認(rèn)為即使如此還是作好接地為妥。因?yàn)橐坏┝己铆h(huán)境條件不復(fù)存在,儀表出現(xiàn)故障 ,屆時(shí)會(huì)影響使用 , 再作各種檢查帶來(lái)諸多麻煩 。

　　有時(shí)候 EMF 雖然良好接地, 由于管道雜散電流過(guò)于強(qiáng)大(如電解工藝流程管線和有陰極保護(hù)管網(wǎng))影響 EMF 正常測(cè)量, 此時(shí)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(shí)例及其檢查和排除過(guò)程可參閱文獻(xiàn)[3] 。

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

　　3)磁場(chǎng)干擾通常只有采取電磁流量傳感器遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)源。EMF 抗磁場(chǎng)的能力視傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而異 ,如傳感器激磁線圈保護(hù)外殼由非磁性材料(如鋁 ,塑料)制成 ,抗磁場(chǎng)影響的能力較弱,鋼鐵制成則較強(qiáng)。例如DN900mm EMF 為碳鋼保護(hù)外殼 ,裝在離數(shù)百千伏安電力變壓器 8 m 處 ,未見帶來(lái)明顯影響。

　　3.4　 檢查液體物性

　　液體物性中有 3 種因素會(huì)使輸出晃動(dòng), 它們是:1)液體中含有固相顆粒或氣泡 ,2)雙組分液體中二種液體電導(dǎo)率不同而未均勻混合 ,或管道化學(xué)反應(yīng)尚未完全完成 ,3)液體的電導(dǎo)率接近下限值。

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

　　2)在精細(xì)化工業(yè) 、食品業(yè) 、醫(yī)藥業(yè)和給水處理工程經(jīng)常在主液內(nèi)加藥液,而藥液通常是由往復(fù)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(xiàn)有藥液段和無(wú)藥液段相間隔的段列, 若兩種電導(dǎo)率不同的液體沒有混和均勻 ,其下游測(cè)量流量的 EMF 輸出就會(huì)呈現(xiàn)晃動(dòng)。出現(xiàn)這種情況就應(yīng)將加液點(diǎn)移至 EMF 下游 ,或?qū)?EMF 移至加液點(diǎn)上游 ;如果受現(xiàn)場(chǎng)條件限制或避免改裝工程量大 ,亦可在加液點(diǎn)下游裝靜態(tài)混合器補(bǔ)救之。但裝靜態(tài)混合器后液流將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流 ,有可能造成 1%或以上的額外附加誤差。然而與輸出晃動(dòng)無(wú)法測(cè)量相比 ,是權(quán)衡兩弊取其輕的措施。

　　若混合液在管道內(nèi)化學(xué)反應(yīng)未結(jié)束就進(jìn)入EMF 測(cè)量, 也有可能出現(xiàn)輸出晃動(dòng)現(xiàn)象。這種情況下只能改變測(cè)量點(diǎn)位置,務(wù)使測(cè)量位置在混合點(diǎn)上游或遠(yuǎn)離混合段的下游。然而遠(yuǎn)離混合段的相隔距離需要很 長(zhǎng) ,例如反應(yīng)時(shí)間是 60 s,液體流速3 m/s,不考慮保險(xiǎn)系數(shù)就要求相距 180 m。

　　3)液體電導(dǎo)率若接近下限值也有可能出現(xiàn)輸出晃動(dòng)現(xiàn)象 。因?yàn)橹圃鞆S儀表規(guī)范(Specification)規(guī)定的下限值是在各種使用條件較好狀態(tài)下可測(cè)量的最低值, 而實(shí)際條件不可能都很理想。我們就多次遇到測(cè)量低度蒸餾水或去離子水 ,其電導(dǎo)率接近 EMF 規(guī)范規(guī)定的下限值 5 10 -6 S/cm, 使用時(shí)卻出現(xiàn)輸出晃動(dòng) 。通常認(rèn)為能穩(wěn)定測(cè)量的電導(dǎo)率下限值要高 1～ 2 個(gè)數(shù)量級(jí) 。液體電導(dǎo)率可查閱有關(guān)手冊(cè) ,缺少現(xiàn)成數(shù)據(jù)則可取樣用電導(dǎo)率儀測(cè)定。但有時(shí)候也有從管線上取樣去實(shí)驗(yàn)室測(cè)定認(rèn)為可用, 而實(shí)際 EMF 不能工作的情況 。這是由于測(cè)電導(dǎo)率時(shí)的液體與管線內(nèi)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(dǎo)率。

　　3.5　 復(fù)核液體與電極材料的匹配

　　電極材料的選擇首先考慮是對(duì)被測(cè)液體的耐腐蝕性,然而選配不妥產(chǎn)生電極表面效應(yīng)會(huì)形成輸出晃動(dòng)等故障。電極表面效應(yīng)包括電極表面生成鈍化膜或氧化膜等絕緣層以及極化現(xiàn)象和電化學(xué)等。介質(zhì)-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(jīng)驗(yàn), 尚待在實(shí)踐中積累。

　　鉭-水 、堿等非酸液 :鉭對(duì)水是耐腐的, 但使用鉭電極測(cè)量水流量時(shí)會(huì)形成絕緣層 ,使儀表失靈或運(yùn)行一短時(shí)期后出現(xiàn)很大噪聲。在工藝流程中即使是極短時(shí)間鉭電極與水或非酸液接觸,如用清水沖洗管子,亦會(huì)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(duì)溫度 、濃度不高的鹽酸是耐腐蝕的, 已有若干應(yīng)用良好的實(shí)例 。然而濃度超過(guò)某值時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲 ,筆者曾在現(xiàn)場(chǎng)與使用單位一起做過(guò)改變濃度的試驗(yàn) ,濃度逐漸增加超過(guò) 15%～ 20%時(shí)儀表輸出隨之晃動(dòng)起來(lái), 輸出晃動(dòng)高達(dá) 20%。硝酸、硫酸等酸液也有相似效應(yīng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 。

　　鉑-過(guò)氧化氫 :鉑電極用于測(cè)量低壓過(guò)氧化氫(壓力低于 0.3 MPa)時(shí), 由于觸媒作用在電極表面產(chǎn)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(chǎng)對(duì)濃度大于10%的鹽酸會(huì)產(chǎn)生噪聲 ,應(yīng)當(dāng)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(cè)量 15%硫酸鋁溶液 ,出現(xiàn)輸出晃動(dòng) ,后改用耐酸鋼電極即獲得滿意的結(jié)果 。