聲吶流量計在工業選礦中的應用

摘 要：本文介紹了被動聲吶陣列技術實現流量測量。儀表通過跟蹤流過軸向陣列傳感器，自然產生的對流湍流結構的速度，提供混合體積流量（速）。無論是直接侵入工藝流體的壓力傳感器或夾在工藝管道外非侵入式傳感器都可以實現。流量計在寬泛的工藝流體漿液，管道的尺寸和流動條件情況下聲吶流量測量技術提供了強大的、精確體積流量測量。

關鍵詞：湍流結構；聲速；流量；陣列；流速

中圖分類號：TH814+.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）17-0000-00

工業礦物處理、工業生產自動化控制過程中，流量的測量受到所用流量計的限制，通常使用的如超聲、電磁、渦輪、孔板、旋渦、科里奧利流量計和文丘里流量計。實際應用中需要一種非接觸測量儀表，并且它是精確的、可靠的、經濟的，能夠完成幾乎任何類型管道中的幾乎任何類型流體的測量。在這樣的期望或要求驅動，創立一款新型聲吶流量計成為必然趨勢。聲吶流量計利用聲吶處理算法和被動探測器陣列。不僅測量流量，還能測量流體含氣率。特別是大口徑管及液體輸送固體顆粒漿體應用上更體現了它的優勢。

多相流流量是選礦行業的一個關鍵過程控制參數。知道了液體、固體和流入生產線夾帶的氣體量是優化選礦過程的關鍵。尤其是要求礦漿的腐蝕和侵蝕特性。同時需要增加流量測量的總壽命成本達到經濟需求。這包括對設備的初始安裝成本和維護成本。

1工作原理

聲吶流量計用于跟蹤和測量沿管道的軸向移動的擾動的平均速度是理想的。這些擾動通常隨著流體對流運動，在管壁傳導，或者在流體或礦漿中傳導。首先讓我們關注隨著流體對流運動的擾動。隨著流體對流運動的擾動可以是密度變化，溫度變化或湍流旋渦。多數的工業流體會有隨著流體對流運動的湍流旋渦，這就提供了一種極好的測量流量的方法。

聲吶的流量計利用聲吶處理技術來提供液體流動過程的兩個基本的測量。首先，通過跟蹤液體流經傳感器的速度，流量計提供的總體積流量的測量。其次，通過確定生產線流體內聲波擾動的傳播速度，儀表確定過程流中夾帶空氣的百分比。這兩種測量都是源于工藝管道內未定的壓力場，用軸向放置大于直徑長度多傳感器檢測。流量測量可以使用壓力傳感器或外夾式，應變式傳感器來進行。

1.1 體積流量

體積流量測量，聲吶儀特征速度與流經傳感器陣列的旋渦結構緊密相關，傳感器陣列使用了開發幾十年的水下是聲學波束形成技術。旋渦結構是目前所有的擾動管的湍流邊界層固有特性。不同于傳統的渦旋儀，不需要內部幾何形狀。流經軸向傳感器的擾流管流速特征。時間平均軸向速度是徑向位置的函數，從零的壁，最大處管的中心線。近壁流的特點是陡峭的速度梯度，相對而言管道中心的旋渦結構相對固定。通常被稱為湍流旋渦是疊加隨著時間推移的平均速度分布圖。這些相干（旋渦）結構包含時間和空間上的隨機波動，大小小于10%的平均流速，并隨著平均流量流動。實驗研究已經證實，湍流管邊界層內產生的旋渦仍然與幾個管道直徑和最大流速的80%左右對流有緊密聯系。從一體積流量測量的角度看，體積平均流速是感興趣的。體積上的平均流速，定義總體積流率為Q，管道橫截面積A，是有用的，但流動屬性任意。事實上，給定管內的速度分布，小流是這個速度下的實際移動。旋渦對流流速和流量的精確關系，通過每個口徑實驗確定?；诠艿乐睆剑―）的雷諾數（Re），表示許多的流動工程特色。

雷諾數是一個無量綱的比值代表流體內的粘性力： Re=UD/v，其中ρ是流體的密度，μ是動力學粘度，U是在體積上平均流速和v（=μ/ρ）是運力學粘度管流動臨界雷諾數，大于2300認為是湍流。造紙和紙漿行業中具有雷諾數范圍從十萬到幾百萬，很好的在湍流體系內。另外確定層流和湍流的界線，雷諾數是用于管流的近似參數，即具有相同的雷諾數幾何形狀上類似管流是動態相似。

1.2 對流脊

該聲吶流量計采用湍流管內固有的相干結構（渦流）的對流速度來確定體積流量。聲吶確定湍流渦旋的速度的算法是通過表征流場的時間和空間的頻率特征。對于一系列連貫的對流渦旋經過固定的傳感器陣列，壓力波動的時間和空間頻率成分與如下分布關系密切相關：ω=kU，這里，k是波數，其定義為：k= 2π/λ（1/length）單位，ω是弧度/秒的瞬時頻率，并且U是擾動的對流速度或相位的速度。分布關系基本說明，固定位置獲得的時間變量正比于對流速度，反比于擾動的空間波長。

在聲吶陣列處理，往往用k-ω圖顯示靜止聲場的空間/時間頻率內容。 K-ω圖是實質上聲場功率的三維功率譜，分解成對應于對應的空間波數和時間頻率。K-ω圖上，對流壓力場功率區域分布滿足上述分布關系描述。對于湍流邊界層流動，這一區域被稱為“對流脊”，這k-ω曲線的斜率表示壓力場的對流速度。這表明湍流旋渦的對流速度，因此在管道內流動速率可以通過傳感器陣列相位輸出構建k-ω圖，確定對流脊的斜率確定。

電力等高線顯示良好的對流脊。參數化的優化方法用于確定“最佳”脊的斜率代表。對于這種情況，速度的斜率被確定。該優化過程的中間結果被插入顯示，顯示出優化的值是一個獨特而明確的最優解。

聲吶流量測量的基本原理，即軸向壓力換能器陣列與聲吶處理技術結合使用以確定管內對流湍流旋渦固有的速度。然而，為了提供精確的流量測量，管內湍流旋渦的速度和平均體積流量之間的關系必須通過管口稱量。為此，3臺幾何相似流量計設備進行了測試的流量范圍從0.1至100立方米標定。聲吶的技術確定對流速度，通常校準裝置作為雷諾數的函數歸數提供的平均體積流量。，測得的對流速度，即對流脊的斜率，歸類于99%—102%之間平均容積流量的整個范圍內?？梢姷碗A雷諾數校準時，數據是成熟的。使用聲吶流量計與參考流量體積流量測量結果一致。用雷諾數校正三臺幾何學原理流量儀，聲吶儀測量體積流量整個0.1-100立方米速度操作范圍精度在0.5%以內，重要的是流量計沒有限定的大小要求，適用于所有直徑的湍流和雷諾數管道。此外，相似的規律表明，即流速度和流率之間的關系適用于幾何相似任意尺寸由類似雷諾數校準的設備。

通過跟蹤湍流旋渦提供的體積流量測量需要某些調節或標定。實際上標定根據雷諾數僅以一個很小的百分數調節報告的輸出。實施修正因子后，在實驗室±0.5%以內的偏差。

2體積流量應用

聲吶流量計可以應用在磨礦/分級、提純、水力輸送和冶煉作業中。這些包括水力旋流器給礦管路、溢流管路、底流管路，給水和回收管路，SAG磨機排礦管路、球磨機排礦管路，濃縮機底流管路，尾礦管路，精礦濃縮管路，紅泥和綠液鋁土礦管路，貴金屬浸出溶液管路，萃取殘液管路，有機物管路，酸管路，多批次長距離和短距離水力輸送和清洗水管路。

2.1 水力旋流器監測和控制

測量旋流器組給礦管路的流是相當普遍的。這種流量、壓力和比重的組合在許多操作中用于控制旋流器組中激活的旋流器數目。這種控制對于優化分級過程是至關重要的，即獲得浮選、浸出或磁選工序要求的正確粒度，而同時通過最小過磨使磨機的吞吐量最大化。旋流器運行不良是磨礦低效率最普通的原因。

聲吶流檢測技術已輸出都與泵功率比較。泵功率與實際流量具有非線性關系，并受幾種因素的影響，包括泵特性曲線和系統曲線。盡管如此，我們可以預料泵功率的變化將被反射到流量的變化，泵功率總體的升高或降低可用流量的一階比例響應模仿。聲吶技術流量計展現出極好的與泵功率的關系，反映流量變化與大小的線與泵功率相應狀態靠近。

為了全面監測和控制分級過程和循環負載值得期望的旋流器測量，是旋流器溢流或底流。這可用于保證回路不過載并以正確的分離率運行。由于通過旋流器時在礦漿中被俘獲的空氣的存在，要用傳統的流量計技術完成這個測量可能更困難，尤其是溢流排礦。聲吶陣列技術獨特的測量原理使你能夠測量體積流量，甚至在含有氣體的情況下。氣體孔隙度測量方面的平臺可用于測量含氣量，用于正確的流量測量儀提供真實的體積流量。

2.2 管壁內壁結垢

在熱水管道、洗滌器管道、鋁土礦管道和運送石灰的管道，一個普遍的問題是在管道內壁結垢。這種結垢可能從一薄層到幾英寸厚變化，取決于管道材料和襯里，流體成分，流量和完成清除結垢的維護作業之間的時間間隔。這些結垢生成對大多數流量計的影響是不同的，小到噪聲之間，大到報告的流量測量值漂移，或者流量計對測量任何流體完全失效。沒有一種流量計對結垢效應真實地免疫，但普遍用于礦物處理的流量計，比如電磁流量計和超聲流量計，對結垢特別敏感。在超聲流量計，結垢最可能衰減信號，改變其在流體中的傳播角度，從而產生錯誤的流量讀數。在電磁流量計，電極上的結垢在電器上起到使電極絕緣，阻止流量計測量流體感生電勢的作用。唯一的辦法是停止過程或轉移流，取出電磁流量計并清除結垢。

2.3 結垢對聲吶陣列流量計的影響

被動聲吶陣列技術不依賴任何電極與流體的接觸，不依賴向流體注入和回收信號。產生壓力信號的湍流旋渦僅使結構應變，結構有依次使管壁和探測器產生應變。形成結構的影響是，管道有效剛度可能增加，這將減小應變的振幅。由于在流動計算方法中并不使用絕對振幅，也就不存在流速測量值的變化。

2.4 磁鐵礦

礦漿管道中的磁鐵礦，不管是有意加進鐵礦石磨機，還是無意進入磨機的濃縮的其他材料，都給電磁流量計流量測量值提出一個潛在的問題。不少地方采礦的銅、金或其他有色金屬，在其礦體或附近有磁鐵礦。即使很少量的磁鐵礦，也會使電磁流量計內部磁場變化，可能造成電磁流量計記錄比真實流量高的流量，或者在流量輸出引入大量噪聲。電磁流量計制造商企圖用具有磁場測量的三線圈，以及基于人工取樣典型礦漿的手動偏差調節，規避磁鐵礦的影響。這些方法已導致混亂的結果，多次，標定或根據存在磁鐵礦量的偏差變化。

更好的解決方案是使用一種不受磁鐵礦存在影響的流量計技術。因為用于聲吶流量監測系統的無源真快技術不依賴任何磁場的使用，它完全不受磁鐵礦效應的影響。

2.5對密度變化不敏感性

聲吶流量計很適于測量帶有不同固體成分的侵蝕線礦漿。排量泵維持恒定速度時，從水到厚重礦漿（比重=2）過渡期間的體積流量測量值。在這個過渡時間內，體積流量的標準偏差小于平均流量的1%，因此表明非常好的對大的密度變化不敏感性。

3結語

本文介紹了聲吶流量計的測量原理，通過測量原理分析了其在選礦行業應用測量優勢。及通過有效的對比分析，說明聲吶流量計在流量測量上的可靠性。介紹了混合聲音的速度和含氣量之間的聯系。這種關聯提供了一個準確測量氣體體積含量（0.1%體積內）的方法，而不需要知道漿料濃度。

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收稿日期：2018-06-07

作者簡介：單淑娟（1975—），女，漢族，遼寧丹東人，本科，高級職稱，研究方向：應用電子技術方向。