污水流量计工作过程中输出跳动不稳定的故障分析

　　1　 故障类型

　　污水流量计(以下简称 EMF)常见故障现象有:

　　1)无流量信号输出 ;2)零点不稳;3)输出晃动 ;4)流量测量值与应用参比值不符 ;5)输出信号超微度值五类 。

　　本报告仅讨论其中因安装不妥、选用不当,环境条件以及流体物性等应用技术方面原因所引起的输出晃动, 不包括 EMF 本身(如元件损坏和调试 、设定缪误等)引起的故障 。

　　输出晃动大体上可归纳为 5 类故障原因, 它们是:

　　1)流动本身是波动或脉动的 ,实质上不是 EMF的故障,仅如实反映流动状况 ;

　　2)管道未充满液体或液体中含有气泡 ;

　　3)外界杂散电流等电磁干扰 ;

　　4)液体物性方面(如液体电导率不均匀和含有较多颗粒的浆液等)的原因;

　　5)电极材料与液体匹配不妥 。

　　2　 检查程序

　　通常检查和判断故障的程序如图 1所示, 从显示仪表工作是否正常开始 ,逆流量信号传送的方向进行 。首先用模拟信号器测试转换器, 以判断故障是产生在转换器及其后续仪器还是在连接电缆或传感器发生的。若是转换器故障, 由于当代仪表大部分均有互换性 ,就可方便地试调换转换器部件甚至转换器整机备用件 ;若是传感器故障需要试调换时,因必须停止管道系统运行 ,涉及面广 ,往往不易办到。特别是大口径 EMF , 试换工程量大 , 通常只能作完其他各项检查 ,最后才下决心, 拆卸传感器进行检查或调换 。

　　图2所示是检查 EMF 输出晃动的流程。先全面考虑作初步调查和判断 ,然后再逐项细致检查和试排除故障。图 2 所示检查顺序的先后原则是 :

　　1)可经观察或询问了解而毋须作较大操作的在前, 即先易后难;

　　2)按过去现场检修经验,出现频率较高今后可能出现概率较高者在前。若经初步调查确认故障原因是后几项的原因,亦可提前作细致的检查 。

　　3　 故障检查和采取措施

　　本节分别讨论上述 5 类故障原因的检查和采取的措施 。

　　3.1　 流动本身的波动(或脉动)

　　若流动本身波动,仪表输出晃动则是如实反映波动状况 。检查方法可在使用现场向操作人员和流程工艺人员询问或巡视有否波动源。管系流动波动(或脉动)的原因通常有 3 个方面:

　　1)EMF 上游的流动动力源采用了往复泵或膜片泵(经常用于精细化工、食品、医药和给水净化等加注药液), 这些泵的脉动频率通常在每分钟几次到百余次之间;

　　2)仪表下游的控制阀流动特性和尺寸选用不妥,从而产生猎振,这可观察控制阀阀杆是否有振荡性移动 ;

　　3)其他扰动源使流动波动 , 例如 :EMF上游管道中有否阻流件(如全开蝶阀)产 生旋涡(如象涡街流量计旋涡发生体产生的涡列, 传感器进口端垫圈伸入流通通道, 垫圈条片状碎 块悬在 液流中摆动等等)

　　遇到悬挂在液流中的剥离衬里片, 随着液流摆动造成流动波动的实例 。江西某铜矿冶炼厂装有若干台 EMF 测量含粉状固相的浆液 , 几年来一直使用正常 。到2008 年7 月用户反映其中一台 DN600 mm EMF 最近出现输出晃动高达满度值的 50%～ 100%。首先现场检查 EMF 本身均正常 , 并且巡视和询问得悉流动动力源未改动 , 不会新产生流动波动, 也排除了使用环境变坏新引入干扰的可能性。总体印象是仪表正常, 安装和环境条件符合要求, 但因不能停流御下和检查流量传感器隐蔽部分及其邻近管道状况 ,一时未找出故障原因。直到月余后该厂停车检修, 发现 EMF 附近上游衬有橡胶衬里的 U型管内,大片橡胶衬里脱落,悬挂于管内 ,随液体流动而摆动 ,造成流动波动导致仪表输出晃动。新换上U 型管后, 大幅输出晃动就不再出现了。在有脉动流动源的管线上 ,要减缓其对流量仪表测量的影响, 通常采取流量传感器远离脉动源 ,利用管流流阻衰减脉动 ;或在管线适当位置装上称

　　作被动式滤波器的气室缓冲器,吸收脉动。

　　3.2　 管道未充满液体或液体中含有气泡

　　3.2.1　 管道未充满液体 。主要是不良管网工程设计使电磁流量传感器的测量管未充满液体或传感器安装位置不妥,如图 3 中 a,b ,e 位置 。

　　（1)传感器下游无背压或背压不足。传感器如装在图 3 中 e 的位置 ,液流经下游很短一段管段即排入大气 。若阀门 2 全开, 传感器测量管内有可能未充满液体 。有时候流程的流量较大能充满而仪表运行正常,若流量减小就有可能液体不满而使仪表失常。

　　2)传感器安装于自上而下流动的垂直管线上(图 3中 b 位置), 其流动状况亦有可能出现液体不满的现象 。

　　3.2.2　 液体中含有气体 。液体中泡状气体形成有外界吸入和液体中溶解气体(空气)转变成游离状气泡两种途经。液体中含有气泡数量不多且气泡球径远小于电极直径 ,虽然减少了部分液体体积,但不会使 EMF 输出晃动;较大气泡则因擦过电极表面 ,与液体接触, 电化学电势突然变化会产生尖峰脉冲状电噪声, 使输出晃动。若气泡大到流过电极能遮盖整个电极 , 使流量信号回路瞬间开路 ,则输出信号晃动更大 。

　　1)液流中微小气泡在流动过程中会逐渐在高点或死角积聚 ,若 EMF 装在管系高点 ,潴留气体减少传感器内液体流通面积而影响测量准确度 ,潴留较多时还会产生干扰信号(参见下文故障实例):若传感器装在高点下游 ,高点积聚气体超过容纳量或因受压力波动, 气体以泡状或片状随液体流动 ,遮盖电极而造成输出晃动。

　　电磁流量传感器潴留气体故障实例:20 世纪80 年代初南京某石化厂以 DN1000 mm 管道引长江水, 管道长 10 km 顺地势起伏途经小丘 ,在小丘顶装华恒仪表的 DN700 mm EMF 。管系投入运行 EMF 不能正常工作 ,经现场检查发现电磁流量传感器及其附近有水流声的不正常现象 。初步分析认为管系启用后未能将管道内空气排净,而工程设计未在高点装排气阀而无法放气。测量电极信号高达 4 mV(大部分为干扰电势), 因不能停水无法进一步检查和排除故障 。数月后制造厂维修人员再次随访, 此时不再有水流声 ,因经过一段时间流动, 剩留空气随水流带走 ,重新调试即能使之正常运行。

　　笔者认为像这类安装场所,流量传感器最好安装在水流自下向上的斜坡上 ;如果已经装在最高顶点,改装工程量大或有困难, 则可在流量传感器上游高点装自动排气阀,至少在传感器附近装手动排气阀补救之。

　　2)外界吸入空气常见途径在给水公用事业方面主要有江河原水含有气泡 ,或吸入口水位高度过低(通常要求有1～ 2倍以上吸入口直径的距离, 视吸入流速而异)形成吸入旋涡卷进空气 。在流程工业方面的配比混合容器搅拌时混入空气以及泵吸入端或管系其他局部产生密封不良的场所吸入空气等 。这类故障在实践中也常会碰到 。

　　旋涡卷入气泡实例 :20 世纪 80 年代初广西某水厂在郊区山头设置清水池 ,利用水池高度势能发送成品水 ,运行人员反映计量出水量的 DN700 mmEMF ,有时候流量显示不稳 , 晃动达百分之十几到百分之二十 ,误差也大 ,估计相差 20%。现场考查发现水池如图 4 所示安装流量传感器,水位高度不足就会卷入气泡 , 甚至 EMF 测量管内不能充满 。如水位降至A 线时,虽高出 EMF 进口顶端,但高出不多 , 还会在C 处产生旋涡 ,将水位表面空气卷入形成气泡 ,使显示晃动;若水位降到 B,EMF 将不满管。我们建议如图虚线所示装一弯头 ,扩大水池有效容量, 减少吸入气泡的机会 ,弥补原设计的不足 。

　　3)液体中溶解空气分离成游离气泡 ,管系压力降低 ,原溶解的空气(或气体)会分离成游离气泡 。例如充满液体管系二端阀门关闭, 停止运行后逐渐冷却, 由于热膨胀系数不同 ,液体收缩比管系收缩大得多,管系中形成收缩空间 ,形成局部真空状态 。液体中溶解空气便分离出来形成气泡, 积聚于管系高点 。重新启动 ,夹入气泡的液体流过电极表面就可能使 EMF 输出晃动。这可能是管系启动运行初期 EMF 输出晃动, 然后趋于稳定的这一现象的原因之一 。又如水在 1 个大气压 0 ℃时可溶解空气的体积分数最多约 0.3 %, 若在流程中水温升高空气就会分离成游离气泡(到 30 ℃时 ,最多只能溶解约0.15%)。积聚起来也有可能出现故障现象。

　　3.3　 检查外界电磁干扰

　　EMF 由于流量信号小易受外界干扰影响 ,干扰源主要有管道杂散电流、静电 、电磁波和磁场 。

　　1)管道杂散电流主要靠 EMF 良好接地保护 ,通常接地电阻要小于 100;,不要和其他电机和电器共用接地 。有时候环境条件较好, EMF 不接地也能正常工作, 但是我们认为即使如此还是作好接地为妥。因为一旦良好环境条件不复存在,仪表出现故障 ,届时会影响使用 , 再作各种检查带来诸多麻烦 。

　　有时候 EMF 虽然良好接地, 由于管道杂散电流过于强大(如电解工艺流程管线和有阴极保护管网)影响 EMF 正常测量, 此时却须将电磁流量传感器与所接管道之间电气绝缘隔离。具体实例及其检查和排除过程可参阅文献[3] 。

　　2)静电和电磁波干扰会通过 EMF 传感器和转换器间的信号线引入, 通常若有良好屏蔽(如信号线用屏蔽电缆, 电缆置于保护铁管内)是可以防止的。然而也曾遇到强电磁波防治无效的实例 ,此时将转换器移近到传感器附近, 缩短连接的信号电缆,或改用无外接电缆的一体型 EMF 。

　　3)磁场干扰通常只有采取电磁流量传感器远离强磁场源。EMF 抗磁场的能力视传感器的结构设计而异 ,如传感器激磁线圈保护外壳由非磁性材料(如铝 ,塑料)制成 ,抗磁场影响的能力较弱,钢铁制成则较强。例如DN900mm EMF 为碳钢保护外壳 ,装在离数百千伏安电力变压器 8 m 处 ,未见带来明显影响。

　　3.4　 检查液体物性

　　液体物性中有 3 种因素会使输出晃动, 它们是:1)液体中含有固相颗粒或气泡 ,2)双组分液体中二种液体电导率不同而未均匀混合 ,或管道化学反应尚未完全完成 ,3)液体的电导率接近下限值。

　　1)被测液体含有较多固体颗粒会像前文所述气泡一样, 使流量信号出现尖峰脉冲状噪声等 , 造成输出晃动。固相若是粉状通常则不会形成输出晃动 。

　　2)在精细化工业 、食品业 、医药业和给水处理工程经常在主液内加药液,而药液通常是由往复泵或膜片泵按主液流量成比例地注入。注入药液后的主液呈现有药液段和无药液段相间隔的段列, 若两种电导率不同的液体没有混和均匀 ,其下游测量流量的 EMF 输出就会呈现晃动。出现这种情况就应将加液点移至 EMF 下游 ,或将 EMF 移至加液点上游 ;如果受现场条件限制或避免改装工程量大 ,亦可在加液点下游装静态混合器补救之。但装静态混合器后液流将产生旋转流 ,有可能造成 1%或以上的额外附加误差。然而与输出晃动无法测量相比 ,是权衡两弊取其轻的措施。

　　若混合液在管道内化学反应未结束就进入EMF 测量, 也有可能出现输出晃动现象。这种情况下只能改变测量点位置,务使测量位置在混合点上游或远离混合段的下游。然而远离混合段的相隔距离需要很 长 ,例如反应时间是 60 s,液体流速3 m/s,不考虑保险系数就要求相距 180 m。

　　3)液体电导率若接近下限值也有可能出现输出晃动现象 。因为制造厂仪表规范(Specification)规定的下限值是在各种使用条件较好状态下可测量的最低值, 而实际条件不可能都很理想。我们就多次遇到测量低度蒸馏水或去离子水 ,其电导率接近 EMF 规范规定的下限值 5 10 -6 S/cm, 使用时却出现输出晃动 。通常认为能稳定测量的电导率下限值要高 1～ 2 个数量级 。液体电导率可查阅有关手册 ,缺少现成数据则可取样用电导率仪测定。但有时候也有从管线上取样去实验室测定认为可用, 而实际 EMF 不能工作的情况 。这是由于测电导率时的液体与管线内液体已有差别。譬如液体已吸收了大气中二氧化碳或氧化氮生成碳酸或硝酸, 改变了电导率。

　　3.5　 复核液体与电极材料的匹配

　　电极材料的选择首先考虑是对被测液体的耐腐蚀性,然而选配不妥产生电极表面效应会形成输出晃动等故障。电极表面效应包括电极表面生成钝化膜或氧化膜等绝缘层以及极化现象和电化学等。介质-电极材料匹配还没有像耐腐蚀性那样有充足的资料可查 , 只有一些有限经验, 尚待在实践中积累。

　　钽-水 、碱等非酸液 :钽对水是耐腐的, 但使用钽电极测量水流量时会形成绝缘层 ,使仪表失灵或运行一短时期后出现很大噪声。在工艺流程中即使是极短时间钽电极与水或非酸液接触,如用清水冲洗管子,亦会影响仪表正常使用。氢氧化钠等碱液亦不能选用钽电极。

　　哈氏合金 B-高浓度盐酸:哈氏合金 B 对温度 、浓度不高的盐酸是耐腐蚀的, 已有若干应用良好的实例 。然而浓度超过某值时会产生噪声 ,笔者曾在现场与使用单位一起做过改变浓度的试验 ,浓度逐渐增加超过 15%～ 20%时仪表输出随之晃动起来, 输出晃动高达 20%。硝酸、硫酸等酸液也有相似效应的实践经验 。

　　铂-过氧化氢 :铂电极用于测量低压过氧化氢(压力低于 0.3 MPa)时, 由于触媒作用在电极表面产生气雾 ,阻断了电气通路而影响工作 。

　　铂-浓度大于 10%的盐酸:铂电场对浓度大于10%的盐酸会产生噪声 ,应当改用钽电极。

　　哈氏合金 B-硫酸铝溶液 :水厂用硫酸铝与原水混合以凝聚悬浮体 。笔者曾遇到哈氏合金 B 电极测量 15%硫酸铝溶液 ,出现输出晃动 ,后改用耐酸钢电极即获得满意的结果 。