声呐流量计在工业选矿中的应用

摘 要：本文介绍了被动声呐阵列技术实现流量测量。仪表通过跟踪流过轴向阵列传感器，自然产生的对流湍流结构的速度，提供混合体积流量（速）。无论是直接侵入工艺流体的压力传感器或夹在工艺管道外非侵入式传感器都可以实现。流量计在宽泛的工艺流体浆液，管道的尺寸和流动条件情况下声呐流量测量技术提供了强大的、精确体积流量测量。

关键词：湍流结构；声速；流量；阵列；流速

中图分类号：TH814+.3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）17-0000-00

工业矿物处理、工业生产自动化控制过程中，流量的测量受到所用流量计的限制，通常使用的如超声、电磁、涡轮、孔板、旋涡、科里奥利流量计和文丘里流量计。实际应用中需要一种非接触测量仪表，并且它是精确的、可靠的、经济的，能够完成几乎任何类型管道中的几乎任何类型流体的测量。在这样的期望或要求驱动，创立一款新型声呐流量计成为必然趋势。声呐流量计利用声呐处理算法和被动探测器阵列。不仅测量流量，还能测量流体含气率。特别是大口径管及液体输送固体颗粒浆体应用上更体现了它的优势。

多相流流量是选矿行业的一个关键过程控制参数。知道了液体、固体和流入生产线夹带的气体量是优化选矿过程的关键。尤其是要求矿浆的腐蚀和侵蚀特性。同时需要增加流量测量的总寿命成本达到经济需求。这包括对设备的初始安装成本和维护成本。

1工作原理

声呐流量计用于跟踪和测量沿管道的轴向移动的扰动的平均速度是理想的。这些扰动通常随着流体对流运动，在管壁传导，或者在流体或矿浆中传导。首先让我们关注随着流体对流运动的扰动。随着流体对流运动的扰动可以是密度变化，温度变化或湍流旋涡。多数的工业流体会有随着流体对流运动的湍流旋涡，这就提供了一种极好的测量流量的方法。

声呐的流量计利用声呐处理技术来提供液体流动过程的两个基本的测量。首先，通过跟踪液体流经传感器的速度，流量计提供的总体积流量的测量。其次，通过确定生产线流体内声波扰动的传播速度，仪表确定过程流中夹带空气的百分比。这两种测量都是源于工艺管道内未定的压力场，用轴向放置大于直径长度多传感器检测。流量测量可以使用压力传感器或外夹式，应变式传感器来进行。

1.1 体积流量

体积流量测量，声呐仪特征速度与流经传感器阵列的旋涡结构紧密相关，传感器阵列使用了开发几十年的水下是声学波束形成技术。旋涡结构是目前所有的扰动管的湍流边界层固有特性。不同于传统的涡旋仪，不需要內部几何形状。流经轴向传感器的扰流管流速特征。时间平均轴向速度是径向位置的函数，从零的壁，最大处管的中心线。近壁流的特点是陡峭的速度梯度，相对而言管道中心的旋涡结构相对固定。通常被称为湍流旋涡是叠加随着时间推移的平均速度分布图。这些相干（旋涡）结构包含时间和空间上的随机波动，大小小于10%的平均流速，并随着平均流量流动。实验研究已经证实，湍流管边界层内产生的旋涡仍然与几个管道直径和最大流速的80%左右对流有紧密联系。从一体积流量测量的角度看，体积平均流速是感兴趣的。体积上的平均流速，定义总体积流率为Q，管道横截面积A，是有用的，但流动属性任意。事实上，给定管内的速度分布，小流是这个速度下的实际移动。旋涡对流流速和流量的精确关系，通过每个口径实验确定。基于管道直径（D）的雷诺数（Re），表示许多的流动工程特色。

雷诺数是一个无量纲的比值代表流体内的粘性力： Re=UD/v，其中ρ是流体的密度，μ是动力学粘度，U是在体积上平均流速和v（=μ/ρ）是运力学粘度管流动临界雷诺数，大于2300认为是湍流。造纸和纸浆行业中具有雷诺数范围从十万到几百万，很好的在湍流体系内。另外确定层流和湍流的界线，雷诺数是用于管流的近似参数，即具有相同的雷诺数几何形状上类似管流是动态相似。

1.2 对流脊

该声呐流量计采用湍流管内固有的相干结构（涡流）的对流速度来确定体积流量。声呐确定湍流涡旋的速度的算法是通过表征流场的时间和空间的频率特征。对于一系列连贯的对流涡旋经过固定的传感器阵列，压力波动的时间和空间频率成分与如下分布关系密切相关：ω=kU，这里，k是波数，其定义为：k= 2π/λ（1/length）单位，ω是弧度/秒的瞬时频率，并且U是扰动的对流速度或相位的速度。分布关系基本说明，固定位置获得的时间变量正比于对流速度，反比于扰动的空间波长。

在声呐阵列处理，往往用k-ω图显示静止声场的空间/时间频率内容。 K-ω图是实质上声场功率的三维功率谱，分解成对应于对应的空间波数和时间频率。K-ω图上，对流压力场功率区域分布满足上述分布关系描述。对于湍流边界层流动，这一区域被称为“对流脊”，这k-ω曲线的斜率表示压力场的对流速度。这表明湍流旋涡的对流速度，因此在管道内流动速率可以通过传感器阵列相位输出构建k-ω图，确定对流脊的斜率确定。

电力等高线显示良好的对流脊。参数化的优化方法用于确定“最佳”脊的斜率代表。对于这种情况，速度的斜率被确定。该优化过程的中间结果被插入显示，显示出优化的值是一个独特而明确的最优解。

声呐流量测量的基本原理，即轴向压力换能器阵列与声呐处理技术结合使用以确定管内对流湍流旋涡固有的速度。然而，为了提供精确的流量测量，管内湍流旋涡的速度和平均体积流量之间的关系必须通过管口称量。为此，3台几何相似流量计设备进行了测试的流量范围从0.1至100立方米标定。声呐的技术确定对流速度，通常校准装置作为雷诺数的函数归数提供的平均体积流量。，测得的对流速度，即对流脊的斜率，归类于99%—102%之间平均容积流量的整个范围内。可见低阶雷诺数校准时，数据是成熟的。使用声呐流量计与参考流量体积流量测量结果一致。用雷诺数校正三台几何学原理流量仪，声呐仪测量体积流量整个0.1-100立方米速度操作范围精度在0.5%以内，重要的是流量计没有限定的大小要求，适用于所有直径的湍流和雷诺数管道。此外，相似的规律表明，即流速度和流率之间的关系适用于几何相似任意尺寸由类似雷诺数校准的设备。

通过跟踪湍流旋涡提供的体积流量测量需要某些调节或标定。实际上标定根据雷诺数仅以一个很小的百分数调节报告的输出。实施修正因子后，在实验室±0.5%以内的偏差。

2体积流量应用

声呐流量计可以应用在磨矿/分级、提纯、水力输送和冶炼作业中。这些包括水力旋流器给矿管路、溢流管路、底流管路，给水和回收管路，SAG磨机排矿管路、球磨机排矿管路，浓缩机底流管路，尾矿管路，精矿浓缩管路，红泥和绿液铝土矿管路，贵金属浸出溶液管路，萃取残液管路，有机物管路，酸管路，多批次长距离和短距离水力输送和清洗水管路。

2.1 水力旋流器监测和控制

测量旋流器组给矿管路的流是相当普遍的。这种流量、压力和比重的组合在许多操作中用于控制旋流器组中激活的旋流器数目。这种控制对于优化分级过程是至关重要的，即获得浮选、浸出或磁选工序要求的正确粒度，而同时通过最小过磨使磨机的吞吐量最大化。旋流器运行不良是磨矿低效率最普通的原因。

声呐流检测技术已输出都与泵功率比较。泵功率与实际流量具有非线性关系，并受几种因素的影响，包括泵特性曲线和系统曲线。尽管如此，我们可以预料泵功率的变化将被反射到流量的变化，泵功率总体的升高或降低可用流量的一阶比例响应模仿。声呐技术流量计展现出极好的与泵功率的关系，反映流量变化与大小的线与泵功率相应状态靠近。

为了全面监测和控制分级过程和循环负载值得期望的旋流器测量，是旋流器溢流或底流。这可用于保证回路不过载并以正确的分离率运行。由于通过旋流器时在矿浆中被俘获的空气的存在，要用传统的流量计技术完成这个测量可能更困难，尤其是溢流排矿。声呐阵列技术独特的测量原理使你能够测量体积流量，甚至在含有气体的情况下。气体孔隙度测量方面的平台可用于测量含气量，用于正确的流量测量仪提供真实的体积流量。

2.2 管壁内壁结垢

在热水管道、洗涤器管道、铝土矿管道和运送石灰的管道，一个普遍的问题是在管道内壁结垢。这种结垢可能从一薄层到几英寸厚变化，取决于管道材料和衬里，流体成分，流量和完成清除结垢的维护作业之间的时间间隔。这些结垢生成对大多数流量计的影响是不同的，小到噪声之间，大到报告的流量测量值漂移，或者流量计对测量任何流体完全失效。没有一种流量计对结垢效应真实地免疫，但普遍用于矿物处理的流量計，比如电磁流量计和超声流量计，对结垢特别敏感。在超声流量计，结垢最可能衰减信号，改变其在流体中的传播角度，从而产生错误的流量读数。在电磁流量计，电极上的结垢在电器上起到使电极绝缘，阻止流量计测量流体感生电势的作用。唯一的办法是停止过程或转移流，取出电磁流量计并清除结垢。

2.3 结垢对声呐阵列流量计的影响

被动声呐阵列技术不依赖任何电极与流体的接触，不依赖向流体注入和回收信号。产生压力信号的湍流旋涡仅使结构应变，结构有依次使管壁和探测器产生应变。形成结构的影响是，管道有效刚度可能增加，这将减小应变的振幅。由于在流动计算方法中并不使用绝对振幅，也就不存在流速测量值的变化。

2.4 磁铁矿

矿浆管道中的磁铁矿，不管是有意加进铁矿石磨机，还是无意进入磨机的浓缩的其他材料，都给电磁流量计流量测量值提出一个潜在的问题。不少地方采矿的铜、金或其他有色金属，在其矿体或附近有磁铁矿。即使很少量的磁铁矿，也会使电磁流量计内部磁场变化，可能造成电磁流量计记录比真实流量高的流量，或者在流量输出引入大量噪声。电磁流量计制造商企图用具有磁场测量的三线圈，以及基于人工取样典型矿浆的手动偏差调节，规避磁铁矿的影响。这些方法已导致混乱的结果，多次，标定或根据存在磁铁矿量的偏差变化。

更好的解决方案是使用一种不受磁铁矿存在影响的流量计技术。因为用于声呐流量监测系统的无源真快技术不依赖任何磁场的使用，它完全不受磁铁矿效应的影响。

2.5对密度变化不敏感性

声呐流量计很适于测量带有不同固体成分的侵蚀线矿浆。排量泵维持恒定速度时，从水到厚重矿浆（比重=2）过渡期间的体积流量测量值。在这个过渡时间内，体积流量的标准偏差小于平均流量的1%，因此表明非常好的对大的密度变化不敏感性。

3结语

本文介绍了声呐流量计的测量原理，通过测量原理分析了其在选矿行业应用测量优势。及通过有效的对比分析，说明声呐流量计在流量测量上的可靠性。介绍了混合声音的速度和含气量之间的联系。这种关联提供了一个准确测量气体体积含量（0.1%体积内）的方法，而不需要知道浆料浓度。

参考文献

[1]RG，Lueck，FWolk，HYamazaki.oceanicVelocityMicrostructureMeasurementsinthe2Othcentury [J].Journal of Oceanography，2OO2，58：153-174.

[2]门雅彬.船基系统海气通量测量方法研究[J].海洋技术，2004，（03）：51-54.

[3]王布宏，王永良，陈辉.一种新的相干信源DOA估计算法：加权空间平滑协方差矩阵的Toeplitz矩阵拟合[J].电子学报，2003，（09）：1394-1397.

[4]吴海菁，张莉，吴瑛.相干信号源的空间平滑算法及其改进[J].信息工程大学学报，2001，（04）：31-34.

收稿日期：2018-06-07

作者简介：单淑娟（1975—），女，汉族，辽宁丹东人，本科，高级职称，研究方向：应用电子技术方向。