海上平臺(tái)磁致伸縮液位計(jì)變送器信號(hào)跳變故障分析與處理

孟慶揚(yáng)，李丙焱，鄭慶軍

(中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津 300452)

0 引 言

1 磁致伸縮液位計(jì)工作原理簡(jiǎn)介

某海上油田平臺(tái)采用某系列品牌磁致伸縮液位計(jì)對(duì)若干設(shè)備進(jìn)行液位的實(shí)時(shí)監(jiān)控，被測(cè)量的液位值可在現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)變送器電子顯示屏和中控室上位機(jī)進(jìn)行查看。為防止設(shè)備內(nèi)部液體溢出，若液位值高于報(bào)警值，邏輯信號(hào)會(huì)對(duì)相應(yīng)設(shè)備采取關(guān)斷等措施以避免溢出。

自該系列液位計(jì)2012年投入使用以來，現(xiàn)場(chǎng)少部分液位計(jì)逐漸出現(xiàn)無征兆跳變的故障，可從實(shí)時(shí)曲線看到液位值在瞬時(shí)或短時(shí)內(nèi)變?yōu)樯舷蘖砍讨?，?jīng)短時(shí)保持后再變回正常值[1]。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)被檢測(cè)設(shè)備的液位并沒有發(fā)生相應(yīng)的變化。某設(shè)備的液位計(jì)變送器自2020年來共跳變10余次，無法保證正常檢測(cè)狀態(tài)和數(shù)據(jù)，生產(chǎn)系統(tǒng)存在溢油隱患和風(fēng)險(xiǎn)。

該系列磁致伸縮液位變送器工作原理以磁致伸縮效應(yīng)為依據(jù)[2]。變送器中電子部件產(chǎn)生一個(gè)低壓電流“詢問”脈沖，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)沿波導(dǎo)線向下傳播，磁浮子主體隨著液位變化上下移動(dòng)，產(chǎn)生波導(dǎo)脈沖，也稱為“返回”脈沖。電子部件測(cè)量從發(fā)出“詢問”脈沖到接收“返回”脈沖的周期即對(duì)應(yīng)于液位的精確變化量值。電子模塊處理這些信號(hào)，然后執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，為用戶提供液位遠(yuǎn)程顯示。

2 磁致伸縮信號(hào)的主要參數(shù)

該液位計(jì)變送器可調(diào)整若干參數(shù)以配合現(xiàn)場(chǎng)多種設(shè)備進(jìn)行液位監(jiān)測(cè)，大部分參數(shù)是針對(duì)液位計(jì)的安裝位置和需要檢測(cè)的液位區(qū)間等，其中2個(gè)參數(shù)“F1 Thresh”和“Sensitivity”對(duì)液位計(jì)接收回波脈沖信號(hào)有影響。

2.1 磁致伸縮信號(hào)曲線原理及產(chǎn)生跳變故障原理

液位計(jì)電子模塊通過計(jì)算發(fā)出“詢問”脈沖與接收“返回”脈沖的時(shí)間差，并將其換算為浮子的距離，從而得到液位的高度[3]。通常有以下3種情況：①當(dāng)回波信號(hào)強(qiáng)度超過變送器設(shè)置的門檻電壓值時(shí)被變送器接收并向下輸出；②若回波信號(hào)強(qiáng)度未超過門檻電壓設(shè)置值，變送器則會(huì)顯示故障并輸出20mA給中控，即發(fā)生了滿量程跳變故障；③若回波信號(hào)強(qiáng)度在某一時(shí)間未超過門檻電壓設(shè)置值且干擾信號(hào)超過門檻電壓值，則變送器會(huì)向中控輸出干擾信號(hào)所對(duì)應(yīng)的液位值，即產(chǎn)生了由正常液位向虛假液位的跳變 故障。

2.2 F1 Thresh參數(shù)

F1 Thresh參數(shù)調(diào)整變送器接收到信號(hào)的門檻電壓。通過變送器中調(diào)整F1 Thresh參數(shù)可使只有信號(hào)強(qiáng)度高于門檻電壓的信號(hào)才被電子模塊認(rèn)為是真實(shí)信號(hào)。

F1 Thresh參數(shù)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度本身無影響。同一工況下僅改變F1 Thresh參數(shù)電子部件接收到的信號(hào)結(jié)果如圖1～3所示。

圖1 F1 Thresh參數(shù)設(shè)置為50 Fig.1 F1 thresh parameter set to 50

在該工況中，實(shí)際液位為0.263m，當(dāng)F1 Thresh 參數(shù)＜100時(shí)，變送器得到的液位為0.260m，基本與實(shí)際液位一致；當(dāng)F1 Thresh參數(shù)設(shè)置＞130時(shí)，變送器得到的液位與實(shí)際偏差較大；當(dāng)F1 Thresh參數(shù)為200時(shí)，變送器出現(xiàn)跳變故障，與實(shí)際液位偏差較大。上述僅為列舉出的一種情況，當(dāng)變送器處于不同的工況或不同的故障情況時(shí)，得到的情況又與上述有所不同。

圖2 F1 Thresh參數(shù)設(shè)置為100 Fig.2 F1 thresh parameter set to 100

圖3 F1 Thresh參數(shù)設(shè)置為200 Fig.3 F1 thresh parameter set to 200

設(shè)置F1 Thresh參數(shù)過高，由于環(huán)境等其他因素?cái)_動(dòng)，液位計(jì)的回波信號(hào)可能無法達(dá)到門檻電壓；設(shè)置F1 Thresh參數(shù)過低，電子模塊可能將虛假信號(hào)作為真實(shí)信號(hào)。這2種情況都會(huì)使得變送器的測(cè)量結(jié)果發(fā)生跳變。因此，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)變送器狀態(tài)選擇適當(dāng)?shù)腇1 Thresh參數(shù)。

2.3 Sensitivity參數(shù)

Sensitivity參數(shù)調(diào)整變送器的靈敏度，該參數(shù)數(shù)值越大，變送器對(duì)于回波信號(hào)越敏感，得到的信號(hào)強(qiáng)度越高，波形越劇烈；Sensitivity參數(shù)數(shù)值越小，得到的信號(hào)強(qiáng)度越低，波形越平緩。

同一工況下僅改變Sensitivity參數(shù)電子部件接收到的信號(hào)結(jié)果對(duì)接收到的脈沖信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度是有影響的，如圖4～7所示。

圖4 Sensitivity參數(shù)設(shè)置為0時(shí)，液位顯示為故障 Fig.4 Liquid level fault displayed when setting sensitivity parameter to 0

在該工況中，實(shí)際液位為0.85m，當(dāng)Sensitivity參數(shù)設(shè)置在4～10之間時(shí)，變送器得到的液位基本與 實(shí)際液位一致。當(dāng)Sensitivity參數(shù)調(diào)整過高時(shí)，雜波信號(hào)可能會(huì)使變送器產(chǎn)生跳變故障。

圖5 Sensitivity參數(shù)設(shè)置為3時(shí)，液位顯示為0.857m，有時(shí)顯示為故障 Fig.5 0.857m liquid level and sometimes fault displayed when setting sensitivity parameter to 3

圖6 Sensitivity參數(shù)設(shè)置為6時(shí)，液位顯示為0.853m，運(yùn)行穩(wěn)定 Fig.6 0.853m liquid level displayed and stable operation when setting sensitivity parameter to 6

圖7 Sensitivity參數(shù)設(shè)置為15時(shí)，液位顯示為0.851m，有時(shí)跳變至0.65～0.75m之間 Fig.7 0.851m liquid level displayed and sometimes 0.65-0.75m jumped when setting sensitivity parameter to 15

在一些情況下，如當(dāng)真實(shí)信號(hào)不突出時(shí)，需要調(diào)高Sensitivity參數(shù)使該部分信號(hào)強(qiáng)度提高，以達(dá)到液位計(jì)可接收信號(hào)的門檻電壓。還有一些故障情況，如虛假信號(hào)強(qiáng)度過高，使得虛假信號(hào)與真實(shí)信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度同時(shí)超過液位計(jì)可接收信號(hào)的門檻電壓，液位計(jì)有可能會(huì)判定虛假信號(hào)為真實(shí)信號(hào)或虛假信號(hào)與真實(shí)信號(hào)的液位之間反復(fù)跳變，這時(shí)就需要降低該液位計(jì)的Sensitivity參數(shù)。

2.4 參數(shù)配置

單獨(dú)調(diào)整一個(gè)參數(shù)存在局限性，因此，F(xiàn)1 Thresh參數(shù)和Sensitivity參數(shù)的組合調(diào)節(jié)對(duì)液位計(jì)能否接收到正確的信號(hào)就至關(guān)重要，如圖8所示。

圖8 原始波形圖(上)、調(diào)整參數(shù)后波形圖(下) Fig.8 Original waveform(up) and waveform after parameter adjustment(down)

該液位計(jì)發(fā)生跳變故障時(shí)，Sensitivity參數(shù)設(shè)置為7，F(xiàn)1 Thresh參數(shù)設(shè)置為150，由于易受到雜波信號(hào)影響，將Sensitivity參數(shù)調(diào)整為4，F(xiàn)1 Thresh參數(shù)調(diào)整為105后，信號(hào)穩(wěn)定，液位計(jì)出現(xiàn)跳變故障頻次明顯減少，見圖9。

圖9 原始波形圖(上)、調(diào)整參數(shù)后波形圖(下) Fig.9 Original waveform(up) and waveform after parameter adjustment(down)

該液位計(jì)發(fā)生跳變故障時(shí)，Sensitivity參數(shù)設(shè)置為3，F(xiàn)1 Thresh參數(shù)設(shè)置為65，由于回波信號(hào)強(qiáng)度較低且未能達(dá)到門檻電壓，將Sensitivity參數(shù)調(diào)整到6，F(xiàn)1 Thresh參數(shù)不變。此時(shí)參數(shù)已經(jīng)進(jìn)行了最優(yōu)化調(diào)整，但從波形圖可以看出信號(hào)強(qiáng)度比較弱，隨時(shí)有輸出波動(dòng)的可能性，推斷是探桿內(nèi)的信號(hào)線老化所致。 對(duì)目前已采集的故障信號(hào)進(jìn)行分析，得出跳變的 主要原因是信號(hào)強(qiáng)度降低未能達(dá)到門檻電壓，根據(jù)信號(hào)波形調(diào)整Sensitivity和F1 Thresh參數(shù)能夠較為有 效地處理此類跳變故障或推斷變送器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的 故障。

3 跳變故障原因歸納

3.1 變送器模塊、探桿、浮子老化磨損

由于該系列液位計(jì)長(zhǎng)期在潮濕的室外環(huán)境使用，可能造成變送器內(nèi)部或線路及電路板上產(chǎn)生老化或損傷，或變送器內(nèi)部浮子在壓力作用下受損及磁性變?nèi)酰@些都有可能導(dǎo)致回波信號(hào)強(qiáng)度變低，進(jìn)而發(fā)生跳變故障。因此，產(chǎn)品質(zhì)量問題是主要原因之一，見圖10。

圖10 接入后無響應(yīng) Fig.10 No response after access

3.2 電磁干擾

海上平臺(tái)的電網(wǎng)中存在諧波，其產(chǎn)生電壓降會(huì)對(duì)電子設(shè)備造成諧波干擾，影響測(cè)量?jī)x表，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)量裝置產(chǎn)生誤差，使其達(dá)不到正確指示及計(jì)量。諧波干擾磁致伸縮液位計(jì)內(nèi)部的磁場(chǎng)影響回波信號(hào)強(qiáng)度，或產(chǎn)生雜波導(dǎo)致跳變故障。除此之外，當(dāng)多個(gè)電路共用同一供電線纜或接地線纜時(shí)，如果其中一條電路發(fā)生較大的電流變化，則會(huì)對(duì)其他線路產(chǎn)生耦合影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響電子設(shè)備的性能[4]。

3.3 參數(shù)設(shè)置不合理

部分設(shè)備液位計(jì)內(nèi)部線路無斷線、變送器電路板無明顯損壞故障，部分進(jìn)行更換后恢復(fù)正常，但仍有故障無法解決。根據(jù)出廠推薦參數(shù)值進(jìn)行設(shè)置該液位計(jì)，信號(hào)強(qiáng)度有時(shí)無法達(dá)到門檻電壓，或靈敏度較高，導(dǎo)致變送器接收雜波信號(hào)，發(fā)生故障跳變。參數(shù)配置不合適是發(fā)生跳變故障的主要原因之一。

3.4 不靈敏區(qū)域

除故障導(dǎo)致液位跳變外，該液位計(jì)浮子最下端與距其上方7cm之間、最上端與距其下方15cm處設(shè)計(jì)為不靈敏區(qū)域，如果由于設(shè)備內(nèi)部本身低液位或高液位，浮子將長(zhǎng)時(shí)間處在這2部分區(qū)域，也同樣會(huì)在中控室的歷史記錄處觀察到液位跳變故障。

4 解決方法分析

4.1 維護(hù)保養(yǎng)

對(duì)該系列磁致伸縮液位計(jì)進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行處理[5]。保證變送器接線引入口的密封，防止惡劣天氣內(nèi)部進(jìn)水及防爆性能的下降；保證變送器內(nèi)部干燥，防止海面潮氣進(jìn)入內(nèi)部；檢查變送器部分時(shí)嚴(yán)禁帶電進(jìn)行操作，避免短路，以提高電子部件的使用壽命；加裝遮陽罩，避免陽光對(duì)變送器部分直射。

4.2 電磁干擾

對(duì)液位計(jì)線纜采用多層屏蔽接電線減弱干擾，對(duì)不同類型的信號(hào)用不同電纜分開走線鋪設(shè)，并確保液位計(jì)接地到位、穩(wěn)固；采用低通濾波器來減弱信號(hào)傳輸過程中的電磁干擾，或在液位計(jì)變送器與中控室線路中增設(shè)模擬信號(hào)隔離器減弱跳變信號(hào)的干擾；可在中控系統(tǒng)軟件中設(shè)置濾波程序等抗干擾處理，提高軟件的可靠性[4]。

4.3 參數(shù)配置

對(duì)該系列液位計(jì)變送器的投入時(shí)間和參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，關(guān)注長(zhǎng)期使用及開始出現(xiàn)故障的變送器，及時(shí)觀察其信號(hào)強(qiáng)度曲線和進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整。

4.4 調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備液位

與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)人員協(xié)調(diào)溝通，盡量避免設(shè)備內(nèi)液位過低或過高，即避免液位接近空罐或高于滿量程，避免浮子到達(dá)不靈敏區(qū)。

5 結(jié) 語

該系列變送器長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致磁致伸縮信號(hào)強(qiáng)度變低，無法達(dá)到門檻電壓，變送器無法捕獲真實(shí)值，使得產(chǎn)生跳變故障。該系列磁致伸縮液位計(jì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)不適合長(zhǎng)期使用，需對(duì)已出現(xiàn)故障的液位計(jì)及時(shí)更換或調(diào)整，并對(duì)使用時(shí)間較短的液位計(jì)及時(shí)維護(hù)保養(yǎng)和密切關(guān)注。接下來會(huì)對(duì)多組設(shè)備的變送器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和信號(hào)采集，以進(jìn)一步分析信號(hào)強(qiáng)度變化與時(shí)間變化的量化關(guān)系，探究該系列磁致伸縮液位計(jì)變送器如何預(yù)防跳變故障?！?/p>