海上平臺磁致伸縮液位計變送器信號跳變故障分析與處理

孟慶揚，李丙焱，鄭慶軍

(中海油能源發展采油服務公司 天津 300452)

0 引 言

1 磁致伸縮液位計工作原理簡介

某海上油田平臺采用某系列品牌磁致伸縮液位計對若干設備進行液位的實時監控，被測量的液位值可在現場液位計變送器電子顯示屏和中控室上位機進行查看。為防止設備內部液體溢出，若液位值高于報警值，邏輯信號會對相應設備采取關斷等措施以避免溢出。

自該系列液位計2012年投入使用以來，現場少部分液位計逐漸出現無征兆跳變的故障，可從實時曲線看到液位值在瞬時或短時內變為上限量程值，經短時保持后再變回正常值[1]。同時，現場被檢測設備的液位并沒有發生相應的變化。某設備的液位計變送器自2020年來共跳變10余次，無法保證正常檢測狀態和數據，生產系統存在溢油隱患和風險。

該系列磁致伸縮液位變送器工作原理以磁致伸縮效應為依據[2]。變送器中電子部件產生一個低壓電流“詢問”脈沖，同時產生一個磁場沿波導線向下傳播，磁浮子主體隨著液位變化上下移動，產生波導脈沖，也稱為“返回”脈沖。電子部件測量從發出“詢問”脈沖到接收“返回”脈沖的周期即對應于液位的精確變化量值。電子模塊處理這些信號，然后執行數學運算，為用戶提供液位遠程顯示。

2 磁致伸縮信號的主要參數

該液位計變送器可調整若干參數以配合現場多種設備進行液位監測，大部分參數是針對液位計的安裝位置和需要檢測的液位區間等，其中2個參數“F1 Thresh”和“Sensitivity”對液位計接收回波脈沖信號有影響。

2.1 磁致伸縮信號曲線原理及產生跳變故障原理

液位計電子模塊通過計算發出“詢問”脈沖與接收“返回”脈沖的時間差，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當回波信號強度超過變送器設置的門檻電壓值時被變送器接收并向下輸出；②若回波信號強度未超過門檻電壓設置值，變送器則會顯示故障并輸出20mA給中控，即發生了滿量程跳變故障；③若回波信號強度在某一時間未超過門檻電壓設置值且干擾信號超過門檻電壓值，則變送器會向中控輸出干擾信號所對應的液位值，即產生了由正常液位向虛假液位的跳變 故障。

2.2 F1 Thresh參數

F1 Thresh參數調整變送器接收到信號的門檻電壓。通過變送器中調整F1 Thresh參數可使只有信號強度高于門檻電壓的信號才被電子模塊認為是真實信號。

F1 Thresh參數對信號強度本身無影響。同一工況下僅改變F1 Thresh參數電子部件接收到的信號結果如圖1～3所示。

圖1 F1 Thresh參數設置為50 Fig.1 F1 thresh parameter set to 50

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

圖2 F1 Thresh參數設置為100 Fig.2 F1 thresh parameter set to 100

圖3 F1 Thresh參數設置為200 Fig.3 F1 thresh parameter set to 200

設置F1 Thresh參數過高，由于環境等其他因素擾動，液位計的回波信號可能無法達到門檻電壓；設置F1 Thresh參數過低，電子模塊可能將虛假信號作為真實信號。這2種情況都會使得變送器的測量結果發生跳變。因此，需要根據現場液位計變送器狀態選擇適當的F1 Thresh參數。

2.3 Sensitivity參數

Sensitivity參數調整變送器的靈敏度，該參數數值越大，變送器對于回波信號越敏感，得到的信號強度越高，波形越劇烈；Sensitivity參數數值越小，得到的信號強度越低，波形越平緩。

同一工況下僅改變Sensitivity參數電子部件接收到的信號結果對接收到的脈沖信號的信號強度是有影響的，如圖4～7所示。

圖4 Sensitivity參數設置為0時，液位顯示為故障 Fig.4 Liquid level fault displayed when setting sensitivity parameter to 0

在該工況中，實際液位為0.85m，當Sensitivity參數設置在4～10之間時，變送器得到的液位基本與 實際液位一致。當Sensitivity參數調整過高時，雜波信號可能會使變送器產生跳變故障。

圖5 Sensitivity參數設置為3時，液位顯示為0.857m，有時顯示為故障 Fig.5 0.857m liquid level and sometimes fault displayed when setting sensitivity parameter to 3

圖6 Sensitivity參數設置為6時，液位顯示為0.853m，運行穩定 Fig.6 0.853m liquid level displayed and stable operation when setting sensitivity parameter to 6

圖7 Sensitivity參數設置為15時，液位顯示為0.851m，有時跳變至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，如當真實信號不突出時，需要調高Sensitivity參數使該部分信號強度提高，以達到液位計可接收信號的門檻電壓。還有一些故障情況，如虛假信號強度過高，使得虛假信號與真實信號的信號強度同時超過液位計可接收信號的門檻電壓，液位計有可能會判定虛假信號為真實信號或虛假信號與真實信號的液位之間反復跳變，這時就需要降低該液位計的Sensitivity參數。

2.4 參數配置

單獨調整一個參數存在局限性，因此，F1 Thresh參數和Sensitivity參數的組合調節對液位計能否接收到正確的信號就至關重要，如圖8所示。

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

該液位計發生跳變故障時，Sensitivity參數設置為7，F1 Thresh參數設置為150，由于易受到雜波信號影響，將Sensitivity參數調整為4，F1 Thresh參數調整為105后，信號穩定，液位計出現跳變故障頻次明顯減少，見圖9。

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

該液位計發生跳變故障時，Sensitivity參數設置為3，F1 Thresh參數設置為65，由于回波信號強度較低且未能達到門檻電壓，將Sensitivity參數調整到6，F1 Thresh參數不變。此時參數已經進行了最優化調整，但從波形圖可以看出信號強度比較弱，隨時有輸出波動的可能性，推斷是探桿內的信號線老化所致。 對目前已采集的故障信號進行分析，得出跳變的 主要原因是信號強度降低未能達到門檻電壓，根據信號波形調整Sensitivity和F1 Thresh參數能夠較為有 效地處理此類跳變故障或推斷變送器內部結構的 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

由于該系列液位計長期在潮濕的室外環境使用，可能造成變送器內部或線路及電路板上產生老化或損傷，或變送器內部浮子在壓力作用下受損及磁性變弱，這些都有可能導致回波信號強度變低，進而發生跳變故障。因此，產品質量問題是主要原因之一，見圖10。

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

3.2 電磁干擾

海上平臺的電網中存在諧波，其產生電壓降會對電子設備造成諧波干擾，影響測量儀表，進而導致計量裝置產生誤差，使其達不到正確指示及計量。諧波干擾磁致伸縮液位計內部的磁場影響回波信號強度，或產生雜波導致跳變故障。除此之外，當多個電路共用同一供電線纜或接地線纜時，如果其中一條電路發生較大的電流變化，則會對其他線路產生耦合影響，嚴重時會影響電子設備的性能[4]。

3.3 參數設置不合理

部分設備液位計內部線路無斷線、變送器電路板無明顯損壞故障，部分進行更換后恢復正常，但仍有故障無法解決。根據出廠推薦參數值進行設置該液位計，信號強度有時無法達到門檻電壓，或靈敏度較高，導致變送器接收雜波信號，發生故障跳變。參數配置不合適是發生跳變故障的主要原因之一。

3.4 不靈敏區域

除故障導致液位跳變外，該液位計浮子最下端與距其上方7cm之間、最上端與距其下方15cm處設計為不靈敏區域，如果由于設備內部本身低液位或高液位，浮子將長時間處在這2部分區域，也同樣會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 維護保養

對該系列磁致伸縮液位計進行定期維護保養檢查，發現異常狀態及時進行處理[5]。保證變送器接線引入口的密封，防止惡劣天氣內部進水及防爆性能的下降；保證變送器內部干燥，防止海面潮氣進入內部；檢查變送器部分時嚴禁帶電進行操作，避免短路，以提高電子部件的使用壽命；加裝遮陽罩，避免陽光對變送器部分直射。

4.2 電磁干擾

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

4.3 參數配置

對該系列液位計變送器的投入時間和參數進行統計，關注長期使用及開始出現故障的變送器，及時觀察其信號強度曲線和進行參數的調整。

4.4 調整現場設備液位

與現場生產人員協調溝通，盡量避免設備內液位過低或過高，即避免液位接近空罐或高于滿量程，避免浮子到達不靈敏區。

5 結 語

該系列變送器長期使用會導致磁致伸縮信號強度變低，無法達到門檻電壓，變送器無法捕獲真實值，使得產生跳變故障。該系列磁致伸縮液位計的產品設計不適合長期使用，需對已出現故障的液位計及時更換或調整，并對使用時間較短的液位計及時維護保養和密切關注。接下來會對多組設備的變送器進行實驗和信號采集，以進一步分析信號強度變化與時間變化的量化關系，探究該系列磁致伸縮液位計變送器如何預防跳變故障。■