聲吶流量計在鐵磁礦石選礦廠中的應用

程 竟，張彩娃

（中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038）

目前在有色行業礦山中，通常采用電磁流量計來檢測礦漿的流量，但由于電磁流量計本身的測量原理受鐵磁性物質的影響，導致測量鐵磁性礦漿流量精度不高，偏差較大。但是礦漿的流量測量，在鐵礦選礦中是十分重要的。本文介紹了聲吶流量計的原理及其在鐵磁性礦漿流量測量中的應用，有效地解決了鐵磁性礦漿流量的檢測。

1 流量計在礦漿檢測應用上的比較

表1是對聲吶流量計和電磁流量計在鐵磁性礦漿流量測量的優缺點比較。

表1 聲吶流量計與電磁流量計在鐵磁性礦漿流量測量中的比較Table 1 Comparison of sonar flowmeter and electromagnetic flowmeter in ferromagnetic slurry flow measurement

2 聲吶流量計的原理

聲吶流量計的傳感器由柔性壓電PVDF薄膜制成[2]，其沿流體流動的方向等距離包裹在管道周圍，組成線性應變測量陣列。當流體流動時會產生旋渦，旋渦通過安裝在管道外壁的傳感器陣列時，能夠測出每一個旋渦的聲學特征。由于傳感器陣列的間距是固定的，因而通過測量相同特征的同一旋渦分子流過傳感器的時間間隔，可以計算出旋渦的流速，進而得到流量。

圖1 聲吶流量計原理圖Fig.1 Schematic diagram of sonar flowmeter

如1圖所示，聲吶流量計的探頭是8個被動壓電轉換傳感器，通過CIDRA專利的聲吶陣列處理算法，得到渦流的平均軸向速度。測量步驟如下所示：

◇ 測量介質的湍流對管道的內壁產生了微小的壓力變化。

◇ 這種微小的壓力變化，使管道發生了微小的機械形變。

◇ 包裹在管道外壁的探頭（無需耦合劑）將形變量轉化為電信號。

◇ 通過聲吶陣列處理技術，將該電信號轉化為特有頻率和相位的特殊信號。

◇ 該信號被探頭上8個在軸向上相隔距離相同的探頭監測到。

◇ 通過分析對應的特有頻率和相位，得到對應的介質流速。

聲吶流量計分析的信號是頻率和波長的卷積，而通過分析波數（和波長成倒數的關系），可以確定其頻譜中包含的能量。

圖3 聲吶流量計現場安裝位置Fig.3 Site installation location of sonar flowmeter

圖4 現場波長和頻率的紅外圖像Fig.4 Infrared image of field wavelength and frequency

圖5 聲吶流量計流量趨勢圖Fig.5 Flow trend diagram of sonar flowmeter

其中：f是信號的頻率；U是通過探頭組時的流速；λ是波長。

而對整個范圍內的波數進行分析時，這種能量分布圖可以稱之為 k-ω 模型（k=2π/λ and ω=2πf）。其中，X 軸定義為波數（1/λ），Y軸定義為頻率（f）。通過對之前的公式轉換可得到：

如圖2所示，該圖為儀表測量的原始圖像，能量集中的區域構成了線性關系，而其斜率即為流速。如果線性關系好，則流量計的測量質量系數越高。在儀表顯示時，V0代表測量質量系數，范圍為0～1，該值越接近1，則表明測量效果越好。

圖2 聲吶流量計測量原始圖像Fig.2 Original image of sonar flowmeter measurement

3 聲吶流量計在磁性鐵礦選礦廠的應用介紹

在磁性鐵礦選礦廠中，聲吶流量計安裝在旋流器的給礦管道以及旋流器的溢流管道上。

與電磁流量計類似，聲吶流量計的安裝也需要至少10倍管徑的直管段，但相比電磁流量計的安裝，聲吶流量計較為簡單，且不需要切割管道，安裝工作量也較小。

通過聲吶流量計變送器能夠獲得完整的測量數據信息，以下是安裝在旋流器給礦管道的聲吶流量計變送器中得到的測量數據圖。

從圖4中可以看出，通過紅外圖像分析可以看到流速（圖中虛線）測量時峰值能量的線性程度。峰值能量呈橘黃色，它的線性程度越高，則流量測量質量系數越大，說明測量效果越好。

從圖5中可以看出，用聲吶流量計測量鐵礦漿的流量時，流量數據十分穩定，流量值保持在835m3/h～859m3/h，與生產情況一致。

通過對聲吶流量計的檢測數據的分析可以看出，聲吶流量計非常適合測量帶有固體成分的礦漿，且完全不受鐵礦效應的影響。

4 聲吶流量計的應用特點

聲吶流量計在工業中的應用，與其他流量計相比，有以下幾個特點：

1）聲吶流量計安裝簡單，不用切割管道，安裝時不影響生產。

2）無可動零件，無易損件，且探頭使用壽命長，維護量小，可靠性高，能保證生產的長期不間斷運行。

3）聲吶流量計可以檢測出礦漿中氣泡的百分比含量，通過修正，可以得出準確的礦漿流量以及校核礦漿的濃度。同時，通過礦漿中氣泡的百分比含量，可以判斷管道是否正常，泵空穴氣蝕等影響生產的現象。

4）聲吶流量計壓損小，量程范圍大，精度較高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、管壁內結垢等影響。

5）聲吶流量計價格相比較其他流量計比較昂貴，一次性投資成本較高，但后期維護成本低。

5 結束語

聲吶流量計經過了在實踐中不斷地實驗，驗證了聲吶流量計在鐵礦礦漿流量檢測中的可靠性。隨著智慧化礦山的不斷推進，為了能夠實現生產的無人化及智能化，儀表檢測將是智慧化礦山底層數據的關鍵。