sonar flowmeter声纳流量计.docx

被动声纳技术在选矿流量测量中的应用摘要在这篇文章中，CiDRA的专利技术平台以及其应用将得以描述。该公司的无损，被动声纳阵列流量计技术通过一组轴向的传感器阵列测量自然发生在液体流相对方向中的结构变化，例如扰涡或者密度变化，提供了单液或者多液的体积流速的测量方法。这些传感器分布在管道外壁，不会因为安装而带来停机故障，并且有前所未有的可靠性。该技术可以测量多种液体中的流速-净水，有较高固体含量的泥浆，粘稠液体，甚至是携带气体的液体和泥浆。典型的和复杂的选矿流量测量问题和解决方案也会进行阐述。这些问题的例子包括，泡沫管道中的测量，浮式离心供料线的测量，含有磁矿石或者其他磁石的泥浆测量，有腐蚀磨损材料的泥浆测量，高压管道测量，有结垢的管道测量等。包含了最新的技术开发。引言选矿工厂面对很多独特的有挑战的过程控制情况和环境。就流量测量而言，传统的流量计，例如超声波测量计，磁测量计，涡轮测量技，挡板测量计，涡流测量计，科里奥利流量计，文丘里流量计等，并没有很好的为这些类似的过程提供合适的处理方法，一类新的流量计被研发出来，并且在这些复杂过程中运行良好，并且解决了流量测量中的常见问题。这类新的流量计利用了基于处理算法和被动声纳阵声纳的处理技术，同时把液体组成纳入考虑。这类新的流量计可以精确可靠的工作，并且不与液体直接接触。这些测量方法几乎可以再任意管道任意液体中得以实现。操作原理声纳阵列流量计在跟踪与测量管道轴向方向的扰动的平均速度方面几近完美。这些扰动通常液体流动形成对流，在管壁或者在液体泥浆中传播。首先让我们先聚焦在于液体形成对流的扰动上。与液体对流的扰动将带来密度，温度的变化，以及扰流。几乎所有的工业流水都会有扰流与液体形成对流，因此提供了一种很好的流量速率测量的方法。扰流和流速在大多数选矿流量测量应用中，管道中的液流都是扰动形式的。扰动的液流由涡流组成，通常就是漩涡和绕涡，这些涡流在管道中以随机的方式流动，但整体上却保持跟液流一样的速度，不过它们的流动方向与液流相反。这些绕涡由图1可见：这些漩涡不断被产生。一旦被产生，它们就又会分解成为更小的漩涡，这个过程将一直持续，直到它们通过液体之间的粘滞效应以热的形式消散。对于多种管径的水流，这些漩涡在被分解为小涡流之前都保持结构和大小不变。在管道中的涡流有各种大小，最大的被管道的管壁包围，最小的被粘滞效应束缚着。通常，这些涡流分布在管道横截面，因此也在液流截面上。液流截面本身是一个液流轴速的时间平均，轴速是一个根据辐射位置变换的函数，在管壁上速度为零，而在液流中心出速度最大，在图1可见。在扰流中，轴向远离管壁处的轴速迅速增加，并且进入一个慢变时间平均的速度截面。因此，如果跟踪整个涡流的平均轴速，就可以得到接近液流的平均速度。阵列测量液流通过被动传感器的阵列和及其处理算法，一组涡流的平均轴速可以求得。使得这个测量可行的方法如下：1、 涡流的运动将带来管壁内的微小压强变化2、 这个小的压强改变导致了管壁本身的动态变化3、 这个机械变化压力的信号通过管壁周围的被动传感器被转变为电信号，传感器以部分或者完全的缠绕的方式绑在官道上，不需要耦合黏胶和液体。4、 电信号被阵列中的每一个传感器检测到。这些传感器以精确地距离分布在管壁的轴向上。5、 由每个传感器得到的电信号都将提供传感器下面声波的频率和相位的特征信息。6、 阵列处理算法通过组合这些由传感器单元传递回的相位和频率信息，计算出当涡流在管中传播的流动速率。这种测量方法在实际应用中有很多挑战。包括一个拥有大型泵的环境，液流产生的声源和所有能给管壁带来压力的震动。因为由涡流带来的震动通常比液体流动和管道震动带来的震动小得多。阵列处理算法的优越在于它可以分离并且测量不同组成的速度，不管是由对流绕涡传递的弱信号还是由液体流动和管壁震动产生的强信号，都可以被计算出来。声波的速度用来测量液体组成或者携入气体含量，这个则是另一片论文的主题。这项技术有助于一种测量稳健指示器或者又名质量因子的产生。大多数其他的流量计不能提供测量质量的指示。相反，在声纳处理算法中，这样的质量因数可以通过比较液流信号相对背景能量级的强弱得到。一个质量因数的范围是从0到1，任何一个可以提供超过0.1到0.2（由应用决定）质量因数的流量测量方法都是一种好的方法。目前这项技术可以得到液体或者泥浆的体积流速率，速率范围可以从3 ft/sec 到几百ft/sec。该技术适用于测量任意大小的管道，只要液体是扰动形式的。对于一些非牛顿液体，甚至在没有扰动之下也可以测量。管道必须充满，以便给出较为准确的体积流速率，不过管道可以含有以混合气泡形式存在的携带气体。校准和维护通过跟踪绕涡得以实现的体积流测量必然需要一些调整和校正。但实际中，这种调整仅仅会改变结果的百分之几，这依赖于雷诺常数。鉴于液流测量和其校正并不依赖与任意一个模拟量的绝对值，因此并不会随着时间和温度漂移。校准的维护通过保持传感器之间的间隔和数字计数器内部的时钟稳定性实现，该校准方法要根据不同的仪表、温度影响以及老化程度有所差异。传感器之间的距离由工厂设定，它们固定在一个不锈钢板上，不能由顾客随意调整。下图是低重量的传感器阵列。时钟稳定性优于0.01%，比流量计所需要的1%的典型准确度精确50倍；而且在参考条件下或者补偿校准之后稳定性为0.5%。因此，时钟稳定性的影响可以忽略。在图3中可以看到把相同的校准系数应用到6个流量计中，所有的6-英寸变化以及在NIST可跟踪调整下的测试。我们可以看到，流量计之间的差异很小，在0.5%之内，还有一个额外的有点就是这个差异不会随着时间变化。阵列技术在解决体积流量测量问题中的应用CiDRA的基于阵列的流量仪器已经被应用在超过14个歌国家，并且在研磨/分类，提炼，泥浆水运，过滤和冶炼操作中都很好的证明了自己。这些包括水力旋力器的供料管，水力旋力器的上溢管和下溢管，吃水管和恢复管，SAG工厂的排泄管，球磨机的排泄管，浓缩机的下溢管，尾管，末端浓缩管，红泥绿液矾土管，贵重矿物溶液过滤管，残余液管，有机管，酸液管和洗气管。有一些应用将在这部分被大致介绍。连续过程的流量测量，安全和无需维修操作是关键一个工业处理工厂，例如炼铝和铜浓缩，在年生产量方面，如果考虑到了成本，安全和产品质量目标时，就可被认为是可实现的。这些矛盾的要求工厂管理作出艰难地决定，即关于投资多少去监督以及如何监督生产过程这个决定。他们需要考虑的方面有精确度，成本资金，安装费用，过程故障时间，维护费，安全，培训和人力资源方面。那些能够满足操作要求，并且可以无故障操作时间，并且无需维护的方法将首先被考虑。声纳流量计就是一个能满足这些需求的设备。鉴于传感器是在管道外壁的，因此不需为了安装测量设备停止生产工作。这同样意味着无需考虑打开管道和清理测压孔的安全问题。安装简便通常只需要2个小时，过程见图4。包括将管道壁磨平，将传感器带固定在官道上，安装传感器盖子。不需要耦合黏胶而且传感器不需要考虑调整问题。炼铝中通常利用拜耳法从铝土矿中提取铝。这个方法依赖热的腐蚀性溶液去溶解沉淀铝，因此需要处理管道去携带整个工厂生产中的高温腐蚀液。通常这些工厂利用挡板和压力传感器去测量流量速率。这为维修组人员带来复杂的维修以及安全问题。挡板法应用见图5.维修组需要经常轮班清理压力孔以保持管道清洁。每次维修时，他们都要冒着被腐蚀液侵蚀的危险。这个不仅带来潜在的安全隐患，而且也是一笔大的维护资金投入。免维护声纳流量计已经在世界多家工厂证明有效，并且已经投入使用很多年了。在矿井产业中，浓缩工厂中的研磨操作连续工作着以便跟随者高矿价的步伐。矿石可以利用水力旋转器很好的研磨和分类。水力旋转器的供料管是整个过程的动脉，因为它提供了由矿石和水组成的泥浆。如果其中一个管道被关闭，整个生产过程将大幅度降低。因此，这种活动将尽可能的减少。通常管内流量设备用来测量体积流量速率，这些设备与高损耗的泥浆直接接触，需要定时检查。这个维修周期依赖于矿石和泥浆的速度，范围在6个月到5年不等。代替管内一个设备需要花费一个员工大概8个小时，并且需要举重设备。在更换设备期间，整个生产过程将会关闭，牺牲了产品生产率。安装或者替换一个声纳流量计却无需关闭生产。高压需求中的精确无损流量测量由于其无损以及安装简便的特性，声纳阵列流量计非常适合应用在高压和磨损中。例如，在一个长大于50km的管道中，需要在首尾各安装一个可靠地流量计。这种需求为了精确地测量液流，以便检测泄露和监督负载率。这项工作的挑战在于可以完成工作而无需进入高压的管道内部，压力可见第二个管道位置。图9中的高压安装展示了流量计的外部特性如何实现一个快速安全的安装和安全操作。图10处在顶端处的的流量测量展示了2个流量计信号（深线）。唯一可以发现两组数据差别的方法是通过看两个输出的比例（浅线）。除了过渡处由于管道传递时间带来顶部和底部流量差距，平均率大约在1之内，而这个差率在流量计的标准内，同时误差也在工厂许可范围。准确的无漂移流量测量很多情形下，由流量计提供的测量无法验证，例如充满的水箱或者涂层校验。大多数流量计将会随着时间或者温度漂移，带来不易察觉和验证的信号改变。例如，磁测量仪表依赖模拟电信号的稳定性，而这会随着时间和温度而发生漂移，当矿石中缺少磁性颗粒或者纯净的电子时，也会影响流量的准确性。当这些条件都不满足时，而这经常发生，操作员就不容易注意到误差的存在除非流量计与另一个进行对比，或者经过一个标准测试。图11的数据是从两个磁流量仪表中得出的，这两个仪表是一个金铜提炼测试系列中的，并且靠近彼此。在数据中可以看出，两条深色的线是磁流量的输出，而浅色的线是声纳流量计的输出。声纳流量计通过通用校准系数进行配置。两个磁流量计平均相差在12%。而声纳流量计中的数据处于两个磁流量计的平均值附近，并且不会随时间进行漂移。内壁安装结垢的流量测量在硬水管道、洗涤管道、矾水管，和石灰管中，一个通用的情景就是管壁上结垢。这个结垢范围从一个薄层到几英寸厚，依赖于管中材料和内衬，液体构成，流量速率，还有移除结垢的维修时间间隔。大多数流量计中结垢的影响也不经相同，小影响例如增加噪声，大的影响就会导致流量输出的漂移，甚至一次完全失败的流量输出。没有流量计可以免于矿物测量中结垢的影响，磁流量计和超声波流量计对于结垢尤其敏感。在超声波和电磁流量计中，结垢的影响在利用时间传递的超声波流量计中，超声波射入液体中，在两个传感器之间传递，其中经过在液管接触面上的折射和弯曲。结垢对于仪表的影响包括三个方面：1）结垢中超声波的衰减 2）在结垢和液体接触面处，超声波的散射 3）结垢和液体接触面处折射角度的改变。超声波多普勒流量计的原理跟传递时间流量计不同，它们的传感器也不同，但是都有因结垢带来的影响。尽管反射角度的改变不会让第二个传感器错失第一个传感器的超声波信号，但是却会让流量测量有误。多普勒频移的改变应用在流量读取中，需要知道超声传播方向和管轴方向之间的角度。而结垢将会带来这个角度的改变，从而带来流量读取的错误。磁场和流动传感液体之间的相互影响产生一个液体中的电磁场，而磁流量计通过利用这个产生的电磁场进行测量。电场就可以被检测并通过一对放置在内部管两端的电极检测到。两个电极上的结垢用来电子分离电极，阻止流量计测量液流产生的电压。唯一去阻止这样的过程或者转移液流的方法，就是移除磁流量计或者移除结垢。声纳流量计中结垢的影响被动声纳阵列技术不依赖与液体接触的电极，也不依赖植入或者抽离液体中的信号。绕涡产生压力信号仅仅给结垢带来力的作用，而这一影响又会传递到管壁和传感器上。结垢的影响就是管子的坚硬程度可能增加而作用在上面的张力减小。鉴于绝对张力幅度值并不用在液流计算中，对于真正计算液体流速时，这并不会带来影响。如同大多数速度计，声纳流量计利用有效地计算管道内部切面面积，继而把液体流速转换为体积流量。结垢将会减少这一横截面积，因此需要一些内径调整。不同于老一代流量计，例如磁流量计，超声波流量计，差压流量计等，声纳流量计将可以持续工作当操作员正在这些特殊点进行测试时。这项技术已经在各种各样的管道中实现，这些管道中的结垢来源分别是绿矾液体，石灰还有洗涤液。在结垢中操作的技术由图12可以看出。这里一个声纳流量计正在18英寸的管子上工作，这是一个球磨机的供料管，在这个过程中，基于先前的测流量计使用的清洗后，管子约含有2英寸的石灰结垢。下流的磁流量计不得不每几个月就清理一次电极上的结垢以便保证磁流量计正常工作。这个过程非常损耗人力，带来流量测试的损失，并且依赖一个后备系统去保证运行正常。不幸的是，这个用来转移液流的阀门也存在同样的结垢问题并且后备系统寿命有限。从图12中可以看出，两个流量计都有相同的噪声级，流速变化响应和输出。区别在于维护需要方面，还有液流测量的停止工作时间。当存在磁性矿石（例如磁铁矿、砷黄铁矿、雌黄铁矿）时的流量测量泥浆流中的磁铁矿，不管是不是作为检测对象，会给磁流量计带来潜在的检测问题。采矿对象为铜，金，或者其他非磁性金属的场所都有着或者在其附近有磁矿石的存在。这些磁矿石，即使少量存在，都能改变磁流量计之间的磁场，并且导致磁流量计输出比实际值高的流量输出，或者为输出带来强的噪声。磁流量计生产商已经通过第三个线圈去避免磁矿石的影响，利用磁场的测量和基于实验室对泥浆的抽样做了人工补偿。这些方法带来了混合结果，因为校准和补偿都依赖于磁石的数量。一个较好的解决方法就是利用不受磁矿石的影响流量计技术。在阵列声纳见此系统中利用被动阵列技术不依赖于任何磁场，完全可以不受磁石的影响。一个关于这个的例子见图13，在这里一个声纳流量计同一个磁流量计相比较。在图中，可以看到当磁石的密度增加时，磁流量计就会错误的输出较大的速率，但是声纳流量计依然可以正确的工作。有携带空气时的流量测量在很多场景中，工厂的工程师并未意识到泥浆中携带空气的数量。即便是最好的工厂设计，空气可以通过很多方法进入泥浆，例如管子吸入端的泄露，低集水坑，排泄进入集水坑，从水力旋转器，从搅拌器中等。同一个传感器不仅可以在含有较高携带气体时测量流量，还可以测量携气体的含量，这种能力是另一篇文章讲述的重点。就流量测量而言，大多数流量计被液体或者泥浆中携带的气体极大地影响着性能。它们不能提供准确的液体或者泥浆流量，而在大部分情况下，携带气体将导致流量计噪声的大幅增加或者真正流量读取的损失。在携带较高量气体中进行测量液流的阵列技术，不仅可以实现准确的液流测量，并且可以给出携带气体本身的含量，因此该技术可以很好的控制生产过程。一些携带气体并利用阵列技术解决流量测量和控制的情景在接下来的部分给出。在Kemess矿井进行的携带气体的流量测量研究诺斯盖特矿利用CiDRA公司的声纳流量计，在加拿大英属哥伦比亚的Kemess矿，测量了浓缩液流量和供料管到浮选柱的流量，见图14。这种无损技术精确地测量了这些泥浆，并且没有造成任何故障停机。Kemess还利用声纳流量计的真空分解能力检测了管道