楊光 葛智強(qiáng)

摘要：工廠水處理裝置采用一臺(tái)在線濁度計(jì)測量膜滲透產(chǎn)水單元產(chǎn)品的濁度參數(shù)，該儀表采用的是rosemount ClarityⅡ濁度分析儀，儀表投用至今已有三年多時(shí)間，近期在測量過程中出現(xiàn)周期性波動(dòng)的情況并且超過工藝控制指標(biāo)，通過對(duì)工藝工況分析以及儀表運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，最終判定造成測量值波動(dòng)是傳感器光源處產(chǎn)生氣泡所引起的，氣泡改變了散射光的強(qiáng)度，從而影響了測量值。本文論述了儀表故障原因和處理問題的過程，最終鎖定引起儀表測量波動(dòng)的根本原因并通過切實(shí)可行的方法對(duì)儀表進(jìn)行局部改進(jìn)，最終消除了儀表故障，取得了良好的運(yùn)行效果。

關(guān)鍵詞：濁度;氣泡;在線儀表;散射光

水處理裝置膜滲透產(chǎn)水單元生產(chǎn)高純水，在產(chǎn)品管道上采用一臺(tái)rosemount ClarityⅡ在線濁度分析儀對(duì)產(chǎn)水的濁度參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，儀表量程0～5NTU，控制指標(biāo)0.5NTU。儀表已投運(yùn)三年多時(shí)間，工藝人員反應(yīng)該儀表出現(xiàn)波動(dòng)情況，測量值超過控制指標(biāo)，通過對(duì)該表的運(yùn)行趨勢進(jìn)行查看，該表在超標(biāo)前一段時(shí)期內(nèi)就已經(jīng)開始出現(xiàn)小幅的波動(dòng)，只是沒有超過控制指標(biāo)。如下圖所示。

對(duì)于該表出現(xiàn)超標(biāo)的情況，最初認(rèn)為產(chǎn)生波動(dòng)的原因可能有兩點(diǎn)，一是儀表維護(hù)校準(zhǔn)周期較長，有可能是傳感器老化引起的誤差，需要校準(zhǔn)儀表。二是工藝介質(zhì)實(shí)際參數(shù)存在變化，儀表測量值是真實(shí)數(shù)據(jù)。通過對(duì)儀表校準(zhǔn)檢查，儀表在正常投用一段時(shí)間后，仍然出現(xiàn)波動(dòng)超標(biāo)情況。另一方面對(duì)工藝運(yùn)行參數(shù)的趨勢進(jìn)行對(duì)比，工藝參數(shù)并沒有大的調(diào)整，最終沒有找到測量值波動(dòng)、超標(biāo)的原因。為了盡快解決問題，從工藝介質(zhì)、儀表自身兩個(gè)方面重新進(jìn)行了分析。

1 波動(dòng)原因分析

1.1工藝、儀表兩個(gè)方面查找原因

從工藝介質(zhì)方面入手進(jìn)行分析，初步判斷引起波動(dòng)的原因是工藝因素還是儀表因素造成的。為了取得更準(zhǔn)確的測試效果，將儀表的取樣管路以及儀表測量池等進(jìn)行清洗，避免外部干擾因素影響。準(zhǔn)備就緒后將工藝介質(zhì)引入儀表進(jìn)行測量，待介質(zhì)置換完成，測量值穩(wěn)定后關(guān)閉進(jìn)樣閥門，如果儀表運(yùn)行正常，之后儀表測量的參數(shù)只會(huì)比現(xiàn)測量值更低。經(jīng)過一段時(shí)間觀察后發(fā)現(xiàn)儀表的測量值出現(xiàn)了如下圖的變化過程。即使沒有樣品流入，儀表的參數(shù)也發(fā)生了改變并且超標(biāo)。

通過這個(gè)測試，可以判斷儀表測量值波動(dòng)是儀表自身原因引起的，排除了工藝因素。

1.2 儀表引起測量值波動(dòng)的原因分析

該臺(tái)儀表rosemount ClarityⅡ 采用的是散射光測量原理，具有低散射光，高穩(wěn)定性、有效消除氣泡等性能特性。儀表測量系統(tǒng)包括變送器、傳感器、流通池三個(gè)部分組成。傳感器采用可見光光源，流通池采用消除氣泡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

為了進(jìn)一步查找原因，對(duì)儀表進(jìn)行無介質(zhì)測量，清空流通池內(nèi)工藝介質(zhì)，通過測試儀表測量值非常穩(wěn)定，維持在一個(gè)很低的數(shù)值上，并沒有出現(xiàn)數(shù)值波動(dòng)的現(xiàn)象。從而說明該儀表的傳感器和變送器部分是沒有故障的，測量值出現(xiàn)波動(dòng)是在工藝介質(zhì)進(jìn)入到流通池后發(fā)生的現(xiàn)。結(jié)合儀表在介質(zhì)靜止情況下的測量趨勢進(jìn)行分析，如下圖所示

通過上圖可以看出，在①的位置儀器測量值處于正常狀態(tài)，在②的位置儀表數(shù)值開始慢慢增長，直到達(dá)到最大值，然后突然從最大值降到最小值③的位置。從儀表的測量原理上分析，只有當(dāng)傳感器接收單元接收到的光強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)儀表數(shù)值才會(huì)產(chǎn)生改變，之前做過的測試已經(jīng)排除儀表傳感器本身的故障因素，也排除了工藝介質(zhì)的影響因素，所以目前判斷儀表數(shù)值發(fā)生上述①②③變化的原因是因?yàn)樵趥鞲衅鞴庠刺幓蚪邮掌鞫水a(chǎn)生了影響光強(qiáng)信號(hào)的因素。

基于以上對(duì)故障原因的判斷，將儀表置于靜態(tài)介質(zhì)下測量觀察，觀察傳感器光源處以及測量池內(nèi)的初始狀態(tài)，當(dāng)儀表測量值發(fā)生變化處于②的增長狀態(tài)時(shí)再次檢查測量系統(tǒng)的變化，這時(shí)打開流通池上蓋，發(fā)現(xiàn)在傳感器光源附近產(chǎn)生許多小氣泡附著在光源和接收端附近，在流通池內(nèi)壁和介質(zhì)中并沒有發(fā)現(xiàn)固體懸浮物和氣泡。清除傳感器端面上的氣泡后，儀表測量值又能恢復(fù)到①的測量值狀態(tài)，反復(fù)幾次測試后，證實(shí)儀表數(shù)值波動(dòng)就是由于光源處產(chǎn)生氣泡導(dǎo)致。下圖是傳感器結(jié)構(gòu)圖。光源和接收端處于一個(gè)端面上，并且距離較近，當(dāng)形成氣泡后就會(huì)覆蓋到光源周圍，改變了光源和接收端的光強(qiáng)。

通過該表的說明手冊可以了解到該儀表在設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)考慮到防止氣泡產(chǎn)生及附著手段，如采用低流速的樣品緩沖池、傳感器及流通池均采用高密度、表面光滑度高的材質(zhì)減小表面張力，防止氣泡附著。另外儀表的流通池是消氣泡設(shè)計(jì)，采用小流量進(jìn)入，下小上大的空間設(shè)計(jì)，在實(shí)際使用過程中，當(dāng)水樣到達(dá)傳感器附近時(shí)流速非常低，避免樣品劇烈流動(dòng)、節(jié)流而產(chǎn)生氣泡。傳感器在相對(duì)恒定的溫度環(huán)境下使用幾年后，由于材質(zhì)的老化等因素使得傳感器表面張力增大更容易吸附氣泡，從而對(duì)測量產(chǎn)生影響。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)該傳感器的設(shè)計(jì)光源采用普通光源，在工作過程中產(chǎn)生熱量，傳感器表面發(fā)熱使光源附近水中溶解的氣體加劇析出形成氣泡并聚集在一起，當(dāng)氣泡產(chǎn)生、聚集、變大，最后由于浮力的作用脫離傳感器，這一過程與儀表運(yùn)行趨勢所反映的現(xiàn)象完全符合。

2 ?尋找及論證解決方案

通過測試已經(jīng)找到該儀表測量波動(dòng)的原因，首先從改變傳感器表面的屬性或者更換傳感器的方式解決問題。站在使用者的角度，最好的方法就是更換傳感器，但從備件儲(chǔ)備的周期性及經(jīng)濟(jì)成本考慮，需要找一個(gè)解決方案使該表得以繼續(xù)使用。

考慮到氣泡的產(chǎn)生以及脫落是一個(gè)累積的過程，并且只在光源附近產(chǎn)生，如果在光源附近施加一個(gè)外力將氣泡驅(qū)除儀表就可以正常測量。氣泡附著在傳感器外壁的張力很小，消除氣泡是不需要很大外力，最后決定利用樣品的流動(dòng)的沖擊力去消除氣泡是一個(gè)可行的方案。利用流通池通大氣的一個(gè)管路，增加一根1/8”管線到傳感器附近，使管線避開傳感器的光照區(qū)域，使新增管線的出口側(cè)對(duì)著光源處，然后將儀表測量的樣品引入該管道，形成一個(gè)穩(wěn)定的水流對(duì)光源區(qū)域進(jìn)行吹掃，樣品水質(zhì)既不會(huì)影響測量又可以將光源附近行程的氣泡吹掉，經(jīng)過實(shí)踐這種方法確實(shí)解決了儀表測量波動(dòng)的問題。改造后儀表的測量值非常穩(wěn)定，取得了良好的運(yùn)行效果。

3 ?改造總結(jié)

對(duì)于該儀表出現(xiàn)的問題，在現(xiàn)實(shí)解決問題過程中要基于工藝工況和儀表本身的工作原理進(jìn)行分析，逐步排除干擾因素，借助現(xiàn)有的條件以及工具，例如DCS系統(tǒng)的趨勢可以輕松的分析儀表運(yùn)行的測量參數(shù)變化過程，逐步找到故障的原因。在解決問題的過程中，利用便利的條件以及合理的方法達(dá)到要達(dá)到的目的。

對(duì)于該種儀表的設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)，也可以從改變光源形式和完善流通池結(jié)構(gòu)來避免儀表問題的出現(xiàn)，如傳感器采用冷光源，或者流通池在設(shè)計(jì)之初可以增加一條樣品流路通道直通到傳感器光源周圍，投表后就形成一條水流沖洗傳感器表面，即使出現(xiàn)本文論述中出現(xiàn)的材質(zhì)老化，氣泡產(chǎn)生問題，也不影響儀表的正常測量。

參考文獻(xiàn)

[1] 王森.在線分析儀器手冊—北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.9

[2] Béla G. Lipták. Instrument engineers? handbook. Rev. ed. of： Process measurement and analysis. c1995

[3] 儀表工習(xí)題集.現(xiàn)場儀表分冊/紀(jì)綱.三版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.1