??? 摘? 要: 鑒于高溫液體的流量難以直接檢測,利用軟測量" title="軟測量">軟測量技術,提出了一種間接檢測流量的方法——稱重" title="稱重">稱重法。該方法根據流體力學中孔口出流的基本原理,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
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??? 在有色金屬冶煉過程中,金屬液體的流量是一個非常重要的工藝參數。例如在鋅的精餾過程中,鋅液流量的穩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600～650℃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準則,選擇一組在工業上容易檢測而且與主導變量(Primary Variable,即待測變量)有密切關系的輔助變量(Secondary Variable),通過構造某種數學關系,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[2～4]。?
??? 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" title="液位">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" title="稱重傳感器">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,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[1]。?
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??? 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:?
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??? 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 稱重法原理?
??? 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又是由孔口形狀、面積、液位高度及液體的運動粘度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和運動粘度v,用數學公式表示如下:?
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??? 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位高度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易的。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:?
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??? 式中,QG表示鋅液的重量流量,S表示流槽的底面積。?
??? 鋅液密度ρZn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600～650℃。這樣可以知道密度變化范圍為6.81～6.77g/ml,運動粘度變化范圍為0.3568～0.3261μm2/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,可用數學式表示為:?
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??? 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:?
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??? 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:?
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??? 式中,G(t)、G(t+1)分別表示t和t+1時刻的鋅液重量。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學表達式來描述。而在實際生產中,重量只是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:?
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??? 式中,a0、a1和a2為待定的多項式系數。為了確定這些系數,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:?
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??? 針對不同溫度下(600～650℃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。?
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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、數據采集卡和工業控制計算機,硬件結構框圖如圖4所示。?
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??? (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,而在生產現場,采樣信號必須傳輸幾十米。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" title="工控機">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Visual 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,完成流量監視任務。?
??? 在生產過程中,流槽的一些條件會發生一些小的改變,如鋅液出流的圓孔尺寸發生變化,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,以保證模型的精度。?
??? 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。?
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??? 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。?
??? 本文利用軟測量技術,提出了一種間接檢測高溫液體流量的方法,并應用于某冶煉廠鋅精餾過程的鋅液流量檢測系統。實際運行結果表明該方法具有較高的精度,完全滿足生產的要求。該系統的投入運行,對鋅精餾過程進行監視,對現場操作人員具有指導作用,并為鋅液流量的控制打好了基礎。?
??? 高溫金屬液體流量的檢測,是有色金屬冶煉行業所面臨的一個很大的技術難題。本文提出的方法對這些行業具有很好的借鑒意義。?
參考文獻?
1 李國鈞,湛柏瓊.工程流體力學.武漢:武漢華中理工大學出版社,1991?
2 徐 敏,俞金壽.軟測量技術.石油化工自動化,1998;(2):1～4?
3 于靜江,周春暉.過程控制中的軟測量技術.控制理論與應用,1995;13(2):137～144?
4 Adilson Jose de Assis，Rubens Maciel Filho. Soft Sensors?Development for on-line Bioreactor State Estimation.Computers and Chemical Engineering，2000;24: 1099～1103