流量測量難題破解——新型電磁流量計實現(xiàn)93%信號穩(wěn)定性提升
發(fā)布時間：2025-03-18 作者：Brian Hays
漿料存在于許多過程工業(yè)中，由于各種原因，測量漿料的流速通常具有挑戰(zhàn)性，包括夾帶固體的大小和體積的不斷變化、密度的變化、層流以及將夾帶固體保持在溶液中所需的高速。
常見的漿料測量應用和挑戰(zhàn)
一些常見的漿料測量應用和挑戰(zhàn)包括：
■紙漿和造紙，在硫化過程中，造紙機入口處的固體濃度通常為3.6%，這是化學紙漿生產(chǎn)中最常見的，因為它產(chǎn)生的紙漿也比機械紙漿工藝更堅固。
■金屬和采礦業(yè)，許多漿料中的固體含量為5%至8%，包括銅選礦廠尾礦管線中超過50%的高固體含量。
■石油、天然氣和石化行業(yè)的化學物質(zhì)注入，反應會增加噪聲流量信號。
■水力壓裂應用，要求井下泵送的水和砂混合物的精度為0.25%，以減少對鉆井的挑戰(zhàn)。
■水和廢水處理鹽水，其中高電導率的鹽水與約10%的固體相結(jié)合，會產(chǎn)生流量測量的高可變性。
幸運的是，大多數(shù)漿料都是水基的，具有導電性，使其非常適合使用電磁流量計進行非侵入式流量測量。這種技術是少數(shù)幾種能夠用于湍流和層流應用的流量測量技術之一。
電磁流量計由一起測量流量的變送器和傳感器組成。磁流量計的傳感器被放置在管線內(nèi)，測量流體流過管道時產(chǎn)生的感應電壓（圖1）。變送器接收傳感器產(chǎn)生的電壓，將電壓轉(zhuǎn)換為流量測量值，并將流量測量值傳輸?shù)街鳈C系統(tǒng)。
圖1：電磁流量計剖面圖和手勢圖展示了速度、磁場強度和電動勢（電壓）、法拉第感應定律的元素，以及它們在電磁流量計中的應用。
無論是使用電磁流量計測量紙漿原料、鹽水還是采礦礦石的流量，包括那些帶有沖擊板以保護流量計襯里和電極的磁流量計，漿料流中的顆粒都可能導致讀數(shù)不穩(wěn)定。為每種應用仔細選擇合適的流量計有助于解決此類問題。
流量測量中不穩(wěn)定信號的管理
由于流體中夾帶的碎屑會撞擊電極傳感器并導致毫伏尖峰，通常會出現(xiàn)不穩(wěn)定和不準確的磁流量計讀數(shù)，然后將其解釋為流量尖峰。玻璃纖維管通常用于鹽水或化學服務，在應用中往往會產(chǎn)生大量的靜態(tài)電流，這與顆粒沖擊所導致的問題一樣，會影響測量的完整性。當使用標準電磁流量計時，很難將電極測量到的噪聲信號與流量信號分離。
對于這些噪聲信號，傳統(tǒng)的補償方法是延長流量信號的阻尼時間，這是在變送器中完成的。由于這些漿料信號的性質(zhì)，通常會具有30到60秒的阻尼時間。這種技術會產(chǎn)生穩(wěn)定的流量值，但不利于實時控制。對于許多流體過程，過程死區(qū)時間通常小于1秒，如此大的阻尼意味著控制正在對多個周期前發(fā)生的變化做出響應，這可能會導致控制系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定。
這種不穩(wěn)定的運行通常會導致控制閥振蕩，降低生產(chǎn)率和停機時間。在很多情況下，即使在變送器和控制系統(tǒng)中都設置了阻尼，仍然存在太多的噪聲，無法有效地調(diào)節(jié)過程。以紙漿廠為例，當處于最壞的工況時，該設施可能被迫完全關閉自動控制并手動控制閥，這不僅會導致性能不佳，還會浪費操作員的時間。
更好的測量漿液流量的方法
減少噪聲影響的一種方法是增加傳感器所產(chǎn)生信號的可用功率，例如將功率從傳統(tǒng)設計的0.5安培增加到新設計的2安培。然而，增加信號功率只能解決測量問題的一個方面，即噪聲信號，而沒有完全解決碎片或其它過程引起的尖峰而導致的挑戰(zhàn)。
在磁流量計開發(fā)過程中，團隊分析了200多個真實的惡劣環(huán)境噪聲樣本，利用改進的微處理器功能，能夠確定變送器中更復雜的數(shù)字處理需求，包括主動處理信號以識別和忽略由顆粒沖擊引起的異常值。
電磁流量計的改進
這種先進的變送器隨購買的新電磁流量計一起提供，并且可以改裝到現(xiàn)有裝置中（圖 2）。它包括三種過程噪聲曲線、兩種線圈頻率、零點微調(diào)和五種基于平均時間、過程噪聲水平、過程噪聲因子/容差水平、掃描時間和運行平均值時間限制的預配置信號處理模式。還有一個完全可定制的第六種“自定義”信號處理模式，可以根據(jù)應用程序進行用戶特定的操作。技術支持可幫助微調(diào)和開發(fā)自定義配置。
圖2：羅斯蒙特8782漿料電磁流量計采用了先進的信號處理技術，可實現(xiàn)準確穩(wěn)定的測量。
改進后的儀表傳感器采用一種無障礙設計，沒有運動部件，非常適合測量導電漿料，從而最大限度地減少維護和維修。沒有運動部件或障礙物，也意味著沒有機械故障或材料堆積，從而可以提供較高水平的可靠性。
在各個行業(yè)中，嵌入式診斷越來越重要。實施能夠深入了解安裝工況、過程條件和設備健康狀況的測量設備，是預測性維護的關鍵因素。智能儀表驗證功能為這些診斷提供實時報警，在導致任何與過程相關的問題之前通知維護人員。診斷包括空管、逆流和電極飽和的指示，還有接地和接線故障以及其它問題。
將診斷變量、用戶可選的次要變量（如電子設備溫度、總流量或16個可用變量中的任何一個）和其它信息傳輸?shù)街鳈C（如控制或資產(chǎn)管理系統(tǒng)），需要數(shù)字通信協(xié)議。HART協(xié)議是一種很好的選擇，它可以疊加在4~20mA流量測量信號上。
在過程工業(yè)中，它是世界上使用最廣泛的現(xiàn)場設備協(xié)議，許多主機系統(tǒng)都支持該協(xié)議，這是它的優(yōu)點。對于那些不支持該協(xié)議的設備，協(xié)議轉(zhuǎn)換器可以將HART信號轉(zhuǎn)換為多個離散和4~20mA信號，確保與所有主機系統(tǒng)的兼容性。
提高精度和可控性
一家來自巴西的包裝材料生產(chǎn)商，展示了其使用羅斯蒙特8782漿料電磁流量計如何將測量變化率降低93%。在安裝漿料磁流量計之前，流量計測量的流量信號，在最高150L/min和最低10L/min的值之間變化（圖3）。
圖3：現(xiàn)有電磁流量計的測量值可變性過大，導致很多問題。
安裝新的漿料磁流量計后，阻尼降低從15秒減少到僅3秒。當與變送器中的信號處理能力相結(jié)合時，這會產(chǎn)生更穩(wěn)定的信號，所得的測量結(jié)果更能代表真實的漿液流量（圖4）。
圖4：新型電磁流量計提供準確穩(wěn)定的信號。
通過更精確的漿料流量讀數(shù)改進了過程控制，不僅支持檢測運行中的重要變化，還幫助該公司避免了因不合適的進料而導致的返工，這會影響包裝材料的質(zhì)量。
在瑞典的一個紙漿工業(yè)應用種，出現(xiàn)了幅度過大的過程振蕩。除了由于頻繁的沖程導致控制閥過度磨損外，很多情況下還需要從閉環(huán)控制恢復到手動控制。這家瑞典工廠在安裝新的漿料磁流量計后，工廠人員能夠始終如一地以自動閉環(huán)控制模式運行，從而提高了生產(chǎn)率，減少了原材料使用和過程中斷。
其它行業(yè)也有類似的改進，包括在南美的一座金礦應用。該金礦的礦漿分配線上應用了新型漿料電磁流量計。在安裝之前，無法實現(xiàn)自動負載平衡（返回磨機的粗料與細料的比率），必須手動完成以考慮調(diào)整因素。這些手動調(diào)整往往不正確或不及時，導致大量返工。漿料流量的大范圍變化也使管理過程pH值具有挑戰(zhàn)性，導致出于安全原因需要減產(chǎn)。安裝漿料電磁流量計后，可以實時響應流量變化。由于實時執(zhí)行自動質(zhì)量平衡，從而最大限度地減少所需的返工并能提高吞吐量。
類似的在精度、可控性和吞吐量方面都有顯著提高的成功案例可以在任何具有噪聲電磁流量計信號的行業(yè)中找到，尤其是在漿料應用中。盡管漿料流量測量仍然是一個挑戰(zhàn)，特別是在高導電性或磨蝕性環(huán)境中，當流量讀數(shù)用于閉環(huán)控制時，大多數(shù)類似應用都可以通過現(xiàn)代電磁流量計技術來解決。
以可配置和可定制的方式使用先進的電磁流量測量技術，可以降低流量讀數(shù)的變化幅度，使操作人員能夠在更接近操作極限的情況下運行其工廠。它還提供了改進的自動閉環(huán)控制、更好的過程穩(wěn)定性和更高的吞吐量，以及在各種流態(tài)、范圍內(nèi)減少設備磨損。