摘  要: 鉴于高温液体的流量难以直接检测,利用软测量" title="软测量">软测量技术,提出了一种间接检测流量的方法——称重" title="称重">称重法。该方法根据流体力学中孔口出流的基本原理,得出重量与流量之间的数学模型,然后通过检测到的重量计算流量。该流量检测系统已成功地应用于某冶炼厂的锌精馏过程。实际运行结果表明,该方法的精度达到1.5%,满足实际生产要求。 

    关键词: 高温液体  流量检测  软测量技术  孔口出流  称重传感器

    在有色金属冶炼过程中,金属液体的流量是一个非常重要的工艺参数。例如在锌的精馏过程中,锌液流量的稳定与否直接影响精馏塔的寿命,而且对精锌的纯度及有价金属的回收率有着很大的影响。因此,采用合理的检测手段,精确地检测锌液流量,就成了锌冶炼厂亟待解决的问题。然而,在实际生产中,锌液的温度非常高(一般在600～650℃之间),而且具有较强的腐蚀性,因此不可能用一般的流量计检测其流量。虽然现在有许多高温流量计问世,但是还没有见到能够检测600℃以上流体流量的仪表的报道。 

    软测量技术就是通过软件的手段,实现对那些重要而又难以直接检测的变量的在线检测。其基本原理是根据某些最优准则,选择一组在工业上容易检测而且与主导变量(Primary Variable,即待测变量)有密切关系的辅助变量(Secondary Variable),通过构造某种数学关系,用计算机软件实现对主导变量的在线估计。目前,人们对软测量技术进行了广泛的研究,并取得了很大的成果^[2～4]。 

    本文利用软测量技术,提出一种间接检测流量的方法——称重法。它以流体力学中孔口出流基本原理为依据,分析了影响流量的主要因素——液位" title="液位">液位高度(即液体重量)对流量的影响;通过孔口出流试验,获得不同重量下的流量值,然后利用最小二乘法,建立了流量与重量之间的数学模型,最后通过称重传感器" title="称重传感器">称重传感器检测到的重量值计算实际的流量。 

1 流量检测原理 

    为了检测从熔炼炉流入精馏塔的锌液流量,在熔炼炉与精馏塔之间增加了一个过渡的方形流槽。锌液从熔炼炉流入流槽,然后从其侧壁的一个圆孔流出到精馏塔中。这样,单位时间内从圆孔流出的锌液重量就是所要检测的锌液流量。锌液从流槽的圆孔中流出,从流体力学的观点来看,实际上就是孔口出流。 

1.1 孔口出流基本理论 

    液体经过孔口出流是一个广泛应用的实际问题,其基本原理可以用图1表示^[1]。 

    容器中的液体在重力作用下,从其侧壁的小孔流出,根据流体力学的理论,此时的体积流量可以用公式(1)表示: 

    式中,C_d表示流量系数,A表示小孔的面积,g为重力加速度,H为液位高度。 

1.2 称重法原理 

    由公式(1)可以看出,液体的体积流量Q_V取决于流量系数C_d、孔口面积A及液位高度H。而影响C_d的主要因素是孔口雷诺数Re以及孔口形状及面积。而雷诺数Re又是由孔口形状、面积、液位高度及液体的运动粘度v共同决定的。对于圆孔,其孔口形状已经确定,因此影响Q_V的主要因素就是液位高度H、孔口直径D和运动粘度v,用数学公式表示如下: 

    然而,在锌的精馏过程中,锌液的表面会浮有一层氧化锌固体,其厚度不均匀,因此不便于测量流槽中锌液的液位高度H。但是氧化锌的重量非常轻,对于流槽中的锌液来说,完全可以忽略,而测量流槽中锌液的重量是比较容易的。由于流槽的尺寸已知,因此其中锌液的液位高度H就与锌液(高出圆孔的那一部分)的重量和锌液密度的比值成正比。因此,(2)式可以改为: 

    式中,Q_G表示锌液的重量流量,S表示流槽的底面积。 

    锌液密度ρ_Zn及运动粘度v都是由其温度决定的。在实际生产中,温度变化范围是600～650℃。这样可以知道密度变化范围为6.81～6.77g/ml,运动粘度变化范围为0.3568～0.3261μm²/s。因为它们的变化很小,对流量影响不大,可以视其为常量(后面的试验结果可以证明,这样的简化是合理的,不会对模型精度产生很大的影响)。另外,流槽的尺寸是固定的,也就是说,流槽底面积和孔口直径也是常量。这样,流量就只与重量有关,可用数学式表示为: 

    因此,只要找出流量与重量之间的关系,就可将流量检测问题转化成了重量检测问题。而重量的测量是比较容易的,这就是称重法的基本原理。 

2 流量模型的拟合 

2.1 孔口出流试验 

    为了找出流槽中锌液的流量与重量之间的关系,我们做了如下的孔口出流试验。先在流槽中装满锌液,然后打开圆孔,让锌液自由的流出。在锌液流出过程中,不停地测量流槽中锌液(高于小圆孔位置的那部分锌液)的重量。试验中,每隔一秒钟测量一次,直到流槽中锌液的液位与孔口持平(即锌液重量接近于零,此时,锌液不再外流)。设锌液的重量用G(t)表示,则其流量Q_G(t)可以表示为: 

    由于试验中,采样间隔为1s,所以,锌液流量可以近似的表示为: 

    式中,G(t)、G(t+1)分别表示t和t+1时刻的锌液重量。这样,就可以得出在t时刻,锌液重量为G(t)时锌液的流量值。 

2.2 模型拟合 

    由前面的分析可以看出,重量(也就是液位高度)与流量之间的关系非常复杂,很难用一个简单的数学表达式来描述。而在实际生产中,重量只是在一个比较窄的范围内波动,超过这个范围的情况对我们来说是没有意义的。因此,为了简化问题,我们只考虑这个范围内的情况,这样可以用一个二元多项式函数来近似的描述两者之间的关系。即: 

    式中,a₀、a₁和a₂为待定的多项式系数。为了确定这些系数,采用最小二乘法,对孔口出流试验所获得的数据进行拟合,其拟合结果如图2所示。其中的不光滑曲线为试验数据,光滑曲线为拟合结果。其中的重量单位为kg,而流量单位为吨/班。拟合的结果为: 

    针对不同温度下(600～650℃之间)的锌液,做了另外四组孔口出流试验,其拟合结果如图3所示。从图中可以看出,五条拟合曲线非常接近。这样通过试验就证明了,当锌液温度变化不大时,其密度和运动粘度对流量的影响可以忽略,也就是说,将这两个参数视为常数是合理的。 

3 实际系统的设计及应用 

    高温流量检测系统包括硬件和软件两个部分。 

3.1 系统硬件结构

    该系统利用称重传感器测量流槽中锌液的重量,然后根据系统试验所获得的数学模型在线估计流量的大小。其硬件装置主要包括称重传感器、变送器、数据采集卡和工业控制计算机,硬件结构框图如图4所示。 

    (1)称重传感器 

    为了保证流量模型的精度,必须让流槽保持水平。为此,我们用了三个称重传感器。该系统使用的称重传感器是美国SENSORTRONICS公司生产的60001 S型拉压传感器。该产品采用S型剪切设计,具有高灵敏度输出、多层介质密封、高可靠性等特点,适用于拉、压场合。由于现场的温度很高,因此我们采用的是高温型传感器,其适应温度为200℃。 

    (2)变送器 

    由于称重传感器的输出信号是毫伏信号,不能进行远距离传输,而在生产现场,采样信号必须传输几十米。为此,必须使用变送器将毫伏信号转换为适于传输的伏级信号或毫安信号。 

    (3)数据采集卡和工控机" title="工控机">工控机 

    本系统采用的数据采集卡和工控机都是研祥公司的产品。 

3.2 软件的设计 

    本系统软件采用Visual C++6.0编制。称重传感器检测到的重量信号通过变送器传送给数据采集卡,经过采集卡的A/D转换成为数字信号给工控机。工控机根据建立的流量模型,计算出流量并显示,完成流量监视任务。 

    在生产过程中,流槽的一些条件会发生一些小的改变,如锌液出流的圆孔尺寸发生变化,可能会使得原来的流量模型精度受到影响。为此,软件设计了重建模型的功能,只要按前面介绍的方法做一次孔口出流试验,软件就能够自动的重新建立模型,以保证模型的精度。 

    另外,为了让操作人员了解以前的生产情况,该软件还具备数据查询和统计功能。 

3.3 实际应用 

    该系统已经投入某冶炼厂的锌精馏过程,表1是系统运行四天的结果。 

    从表中可以看出,该系统的检测精度达到1.5%,完全满足生产的需求。 

    本文利用软测量技术,提出了一种间接检测高温液体流量的方法,并应用于某冶炼厂锌精馏过程的锌液流量检测系统。实际运行结果表明该方法具有较高的精度,完全满足生产的要求。该系统的投入运行,对锌精馏过程进行监视,对现场操作人员具有指导作用,并为锌液流量的控制打好了基础。 

    高温金属液体流量的检测,是有色金属冶炼行业所面临的一个很大的技术难题。本文提出的方法对这些行业具有很好的借鉴意义。 

参考文献 

1 李国钧,湛柏琼.工程流体力学.武汉:武汉华中理工大学出版社,1991 

2 徐 敏,俞金寿.软测量技术.石油化工自动化,1998;(2):1～4 

3 于静江,周春晖.过程控制中的软测量技术.控制理论与应用,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