一、仪表为什么需要在线诊断技术?
在工厂控制系统中,现场仪表(传感器和执行器)是保障产品质量的关键因素之一。当前自动控制系统的规模越来越大,现场仪表数量不断增加。在一个复杂控制系统中,任何一套仪表的失效或信号漂移,往往会引发系统的连续反应,要迅速定位故障的仪表并重新使系统复原相当困难。尤其是当仪表的信号漂移是个渐变的过程时,在超出限值前信号漂移并不太引起操作人员注意。而信号漂移累积到一定程度一旦造成现场仪表故障所形成的后果往往是整个生产线必需停产检修,这意味着工厂生产效率下降和生产成本的上升。
所谓在线诊断的仪表即仪表除本身所具有的测量或控制功能外另集成了诊断功能。仪表不仅简单地进行本身的故障诊断,还能监测外界条件对仪表的影响从而能保证故障仪表快速复原和防止仪表产生负面影响,这样做到系统的预先维护并极大提高工厂生产效率。
二、在线诊断功能的电磁流量计
因为电磁流量计的精确度高且维护简便,所以被广泛应用在贸易交接计量和流程控制的重要生产环节。但电磁流量计的安装环境和工作条件会明显影响其性能,如被測介质的浓度和产量的变化或者内部器件的污染和腐蚀都会引起测量值的漂移或測量精确度的降低,甚至当流量计安装过于接近弯管或其他扰动器件时同样也会产生错误输出。正是基于这些原因,虽然电磁流量计很可靠,人们还是认为有不少安装在工厂中的流量计无法准确测量。
1.在线诊断电磁流量计的开发背景
德国化工测量与调节技术标准化委员会( NAMUR组织编写了"关于现场仪表的诊断要求"VDI- NAMUR-WIB2650导则,该导则主要汇总用户在使用仪表过程中对现场故障诊断的具体要求以作为仪表制造商在产品开发时的导向。鉴于在流量计家族中的突出地位,电磁流量计被独立定义在该导则的第3部分的2.2节:电磁流量计的在线诊断要求。
2.一种具有自诊断功能的电磁流量计
基于VDI- NAMUR-WIB2650导则的概念开发的新一代电磁流量计转换器。这一型号的转换器和常规的电磁流量计转换器相比包含了信号分析zui新的測试手段和新增的测试通路和评估软件,以对早期的电磁流量计故障、外界干扰和安装影响予以测试并给出报警信号,其全面的诊断功能不仅检测出不可靠的测量并告知工程师产生问题的原因。传统电磁流量计诊断分析还局限于仪表本身的微控制器和内存检测。该电磁流量计内置三重诊断功能可使现场工程师及时判脚出仪表状态和测量值的质量。这三重诊断提供给工程师全面的流量计运行信息:100%传感器和转换器的微处理器、内存、软件的测试,电子元件的温度和输出的检测;内部精确度的检测以确定仪表在规范内运行;100%超过SIL2和 NAMUR标准的应用检测。
3.几台电磁流量计在线诊断电磁流量计检测案例
a.案例1:电极结垢或泄漏
由于电磁流量计的传感器是一无阻流的直管段,所以它被大量应用于液固两相介质的测量。当被测介质的黏度较高或流体在管内流速缓慢时,较容易发生测量电极的表面被介质所粘附的情况。当粘附的介质为绝缘物质时,电磁流量计往往表现为显示流量逐渐低于实际流量,直到信号完全开路。这种情况多见于自来水公司的原水流量计量或造纸厂的浆液测量。
电磁流量计的电极电阻监测原理:
电磁流量计转换器提供一交流电流IEP给传感器的两检测电极。IEP通过检测电极和被测介质组成的回路在该回路中形成电压降URE。URE取决于被测液体的接液电阻Rel。ReI电阻大小则取决于电极电阻Re和液体电阻Ri。其中Re的值与电导率(s)和电极直径d成反比：
Re=1/ 2σd
在实际运行中,当实测介质的接液电阻大于允许的液体接液电阻时,转换器即发出报警信号。电磁流量计的转换器正是通过对液体接液电阻的检测,除可解决电极结垢问题外,还可用于电极电路的开路或短路的检测。电极电阻测试功能给予用户的另外一个馈赠是在检測到液体接液电阻同时,还可检测液体的电导率s,这是由于液体的电导率和电阻成反比关系。通过将测得的液体电阻取倒数就可容易地获得液体的电导率,这个参数可被用于管内流动介质的成分识别。当被测介质明显低于电磁流量计所允许的电导率时,比较典型的案例有电磁流量计误用在不导电的油品测试时或测量导电率很低的纯水时,转换器即会指示报警。另外一个可应用的案例是食品行业中,当管道中的介质在管内凝结或需要换用另一种介质时,通常的处理方法是用热水在线清洗管道(CIP)当然清洗管道的热水是不应作为被测介质进行流量累积的。电磁流量计即可通过对被测介质的电导率大小的监测来确定是否需要对管内流量进行累积计量。
b.案例2:电极部分的噪声问题
如图3,当在电极和地之间(接地环或工艺管线)存有电化学电势差时,就会有电极部分的电极噪声(其数量级远高于电磁流量计信号)。产生电极噪声的原因有多种,主要有:(1pH和电导率的差异:(2)电极与纤维、固体颗粒、气泡的磨擦等电极噪声造成的现象使转换器的输出和显示不稳定。
电磁流量计电极部分的噪声拾取原理在电磁流量计信号转换器中专门设计了检测因气泡和固体颗粒甚至腐蚀影响所引发的电极噪声判断。噪声检测原理类似于交流电源被整流为直流电源的概念,夹杂在流量测量信号中杂乱的噪声信号经过整流后被量化,从而可量化地为电路和软件进行处理和比较。其显示结果当噪声信号超过预设值时立即报警。
噪声幅度计算的简化模型
除上述介绍的功能外,电磁流量计的在线功能工具还能提供关于流程和应用环境的其他信息:
(1)关于流程过程(电导率、线圈温度、过程温度、液体中所含的气体态)
(2)关于应用环境(转换器温度、外部的磁场)
(3)关于电磁流量计功效的正确应用(各组件的功能、线性度、精确度和信号漂移、检验证书的打印)
根据使用者的经验由 NAMUR2650列出各项失效原因和电磁流量计所能检测的项目。
我们完全有理由相信在未来的流量计应用中,具有在线诊断功能仪表的出现将简化现场工程师对仪表使用和安装知识,同时为仪表运行提供可靠的判别依据随着制造和应用技术不断提高,流量仪表拥有在线诊断技术将不仅限于电磁流量计。