高溫液體流量檢測系統及其在鋅精餾中的應用

1、高溫液體流量檢測系統及其在鋅精餾中的應用             摘要：鑒于高溫液體的流量難以直接檢測，利用軟測量技術，提出了一種間接檢測流量的方法稱重法。該方法根據流體力學中孔中出流的基本原理，得出重量與流量之間的數學模型，然后通過檢測到的重量計算流量。該流量檢測系統已成功地應用于某冶煉廠的鋅精餾過程。實際運行結果表明，該方法的精度達到1.5%，滿足實際生產要求。 關鍵詞：高溫液體 流量檢測 軟測量技術 孔口出流 稱重傳感器在有色金屬冶煉過程中，金屬液體的流量是一個非常重要

2、的工藝參數。例如在鋅的精餾過程中，鋅液流量的穩(wěn)定與否直接影響精餾塔的壽命，而且對精鋅的純度及有價金屬的回收率有著很大的影響。因此，采用合理的檢測手段，精確地檢測鋅液流量，就成了鋅冶煉廠亟待解決的問題。然而，在實際生產中，鋅液的溫度非常高（一般在600650之間），而且具有較強的腐蝕性，因此不可能用一般的流量計檢測其流量。雖然現在有許多高溫流量計問世，但是還沒有見到能夠檢測600以上流體流量的儀表的報道。軟測量技術就是通過軟件的手段，實現對那些重要而又難以直接檢測的變量的在線檢測。其基本原理是根據某些最優(yōu)準則，選擇一組在工業(yè)上容易檢測而且與主導變量（Primary Variable,即待測變量）

3、有密切關系的輔助變量（Secondary Variable），通過構造某種數字關系，用計算機軟件實現對主導變量的在線估計。目前，人們對軟測量技術進行了廣泛的研究，并取得了很大的成果24。本文利用軟測量技術，提出一種間接檢測流量的方法稱重法。它以流體力學中孔口出流基本原理為依據，分析了影響流量的主要因素液位高度（即液體重量）對流量的影響；通過孔口出流試驗，獲得不同重量下的流量值，然后利用最小二乘法，建立了流量與重量之間的數學模型，最后通過稱重傳感器檢測到的重量值計算實際的流量。1 流量檢測原理為了檢測從熔煉爐流入精餾塔的鋅液流量，在熔煉爐與精餾塔之間增加了一個過渡的方形流槽。鋅液從熔煉爐流入流槽

4、，然后從其側壁的一個圓孔流出到精餾塔中。這樣，單位時間內從圓孔流出的鋅液重量就是所要檢測的鋅液流量。鋅液從流槽的圓孔中流出，從流體力學的觀點來看，實際上就是孔口出流。1.1 孔口出流基本理論液體經過孔口出流是一個廣泛應用的實際問題，其基本原理可以用圖1表示。容器中的液體在重力作用下，從其側壁的小孔流出，根據流體力學的理論，此時的體積流量可以用公式（1）表示式中，Cd表示流量系數，A表示小孔的面積，g為重力加速度，H為液位高度。1.2 稱得法原理由公式（1）可以看出，液體的體積流量Qv取決于流量系數Cd、孔口面積A及液位高度H。而影響Cd的主要因素是孔口雷諾數Re以及孔口形狀及面積。而雷諾數Re

5、又是由孔口形狀、面積、液位高度及液體的動動粘度v共同決定的。對于圓孔，其孔口形狀已經確定，因此影響Qv的主要因素就是液位高度H、孔口直徑D和運行粘度v，用數學公式表示Qv=f(H,D,v) （2）然而，在鋅的精餾過程中，鋅液的表面會浮有一層氧化鋅固體，其厚度不均勻，因此不便于測量流槽中鋅液的液高度H。但是氧化鋅的重量非常輕，對于流槽中的鋅液來說，完全可以忽略，而測量流槽中鋅液的重量是比較容量的。由于流槽的尺寸已知，因此其中鋅液的液位高度H就與鋅液（高出圓孔的那一部分）的重量和鋅液密度的比值成正比。因此，（2）式可以改為QG=fG/(S·zn),D,v ·zn （3）式中，Q

6、G表示鋅液的重量流量，S表示流槽的底面積。鋅游人密度zn及運動粘度v都是由其溫度決定的。在實際生產中，溫度變化范圍是600650。這樣可以知道密度變化范圍為6.816.77g/ml，運動粘度變化范圍為0.35680.3261m2/s。因為它們的變化很小，對流量影響不大，可以視其為常量（后面的試驗結果可以證明，這樣的簡化是合理的，不會對模型精度產生很大的影響）。另外，流槽的尺寸是固定的，也就是說，流槽底面積和孔口直徑也是常量。這樣，流量就只與重量有關，可用數字式表示為QG=f(G) （4）因此，只要找出流量與重量之間的關系，就可將流量檢測問題轉化成了重量檢測問題。而重量的測量是比較容易的，這就是

7、稱重法的基本原理。2 流量模型的擬合2.1 孔口出流試驗為了找出流槽中鋅液的流量與重量之間的關系，我們做了如下的孔口出流試驗。先在流槽中裝滿鋅液，然后打開圓孔，讓鋅液自由的流出。在鋅液流出過程中，不停地測量流槽中鋅液（高于小圓孔位置的那部分鋅液）的重量。試驗中，每隔一秒鐘測量一次，直到流槽中鋅液的液位與孔口持平（即鋅液重量接近于零，此時，鋅液不再外流）。設鋅液的重量用G（t）表示，則其流量QG(t)可以表示為QG（t）=(d/dt)G(t) (5)由于試驗中，采樣間隔為1s，所以，鋅液流量可以近似的表示為QG（t）=G(t)-G(t+1) (6)式中，G（t）、G（t+1）分別表示t和t+1時

8、刻            的鋅液重量。這樣，就可以得出在t時刻，鋅液重量為G（t）時鋅液的流量值。2.2 模型擬合由前面的分析可以看出，重量（也就是液位高度）與流量之間的關系非常復雜，很難用一個簡單的數字表達式來描述。而在實際生產中，重量只有在一個比較窄的范圍內波動，超過這個范圍的情況對我們來說是沒有意義的。因此，為了簡化問題，我們只考慮這個范圍內的情況，這樣可以用一個二元多項式函數來近似的描述兩者之間的關系。即QG=a0+a1G+a2G2 (7)式中，a0、a1和a2為待定的多項式系數。為了確

9、定這些系數，采用最小二乘法，對孔口出流試驗所獲得的數據進行擬合，其擬合結果如圖2所示。其中的不光滑曲線為試驗數據，光滑曲線為擬合結果。其中的重量單位為kg，而流量單位為噸/班。擬合的結果為QG=6.01+0.26167G-0.000817G2 (8)針對不同溫度下（600650之間）的鋅液，做了另外四組孔口出流試驗，其擬合結果如圖3所示。從圖中可以看出，五條擬合曲線非常接近。這樣通過試驗就證明了，當鋅液溫度變化不大時，其密度和運動粘度對流量的影響可以忽略，也就是說，將這兩個參數視為常數是合理的。3 實際系統的設計及應用高溫流量檢測系統包括硬件和軟件兩個部分。3.1 系統硬件結構該系統利用稱重傳

10、感器測量流槽中鋅液的重量，然后根據系統試驗所獲得的數學模型在線估計流量的大小。其硬件裝置主要包括稱重傳感器、變送器、數據采集卡和工業(yè)控制計算機，硬件結構框圖如圖4所示。（1）稱重傳感器為了保證流量模型的精度，必須讓流槽保持水平。為此，我們用了三個稱重傳感器。該系統使用的稱重傳感器是美國SENSORTRONICS公司生產的60001 S型拉壓傳感器。該產品采用S型剪切設計，具有高靈敏度輸出、多層介質密封、高可靠性等特點，適用于拉、壓場合。由于現場的溫度很高，因此我們采用的是高溫型傳感器，其適應溫度為200。（2）變送器由于稱重傳感器的輸出信號是毫伏信號，不能進行遠距離傳輸，而生產現場，采樣信號必

11、須傳輸幾十米。為此，必須使用變送器將毫伏信號轉換為適于傳輸的伏級信號或毫安信號。（3）數據采集卡和工控機本系統采用的數據采集卡和工控機都是研祥公司的產品。3.2 軟件的設計本系統軟件采用Visul C+6.0編制。稱重傳感器檢測到的重量信號通過變送器傳送給數據采集卡，經過采集卡的A/D轉換成為數字信號給工控機。工控機根據建立的流量模型，計算出流量并顯示，完成流量監(jiān)視任務。在生產過程中，流槽的一些變化會發(fā)生一些小的改變，如鋅流出流的圓孔尺寸發(fā)生變化，可能會使得原來的流量模型精度受到影響。為此，軟件設計了重建模型的功能，只要按前面介紹的方法做一次孔口出流試驗，軟件就能夠自動的重新建立模型，保證模型

12、的精度。另外，為了讓操作人員了解以前的生產情況，該軟件還具備數據查詢和統計功能。3.3 實際應用該系統已經投入某冶煉廠的鋅精餾過程，表1是系統運行四天的結果。表1 高溫液體流量檢測系統運行結果日期班 次鋅液流出量/噸早班中班晚班2002-1-24實際值19.1217.9619.89檢測值18.8717.8320.112002-1-25實際值18.8918.5219.81檢測值19.0718.4320.212002-1-26實際值19.5218.1220.12檢測值19.3117.9719.882002-1-27實際值18.9918.0220.34檢測值18.8717.9320.22從表中可以看出，該系統的檢測精度達到1.5%，完全滿足生產的需求。本文利用軟測量