声呐流量计在铁磁矿石选矿厂中的应用

程 竟，张彩娃

（中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038）

目前在有色行业矿山中，通常采用电磁流量计来检测矿浆的流量，但由于电磁流量计本身的测量原理受铁磁性物质的影响，导致测量铁磁性矿浆流量精度不高，偏差较大。但是矿浆的流量测量，在铁矿选矿中是十分重要的。本文介绍了声呐流量计的原理及其在铁磁性矿浆流量测量中的应用，有效地解决了铁磁性矿浆流量的检测。

1 流量计在矿浆检测应用上的比较

表1是对声呐流量计和电磁流量计在铁磁性矿浆流量测量的优缺点比较。

表1 声呐流量计与电磁流量计在铁磁性矿浆流量测量中的比较Table 1 Comparison of sonar flowmeter and electromagnetic flowmeter in ferromagnetic slurry flow measurement

2 声呐流量计的原理

声呐流量计的传感器由柔性压电PVDF薄膜制成[2]，其沿流体流动的方向等距离包裹在管道周围，组成线性应变测量阵列。当流体流动时会产生旋涡，旋涡通过安装在管道外壁的传感器阵列时，能够测出每一个旋涡的声学特征。由于传感器阵列的间距是固定的，因而通过测量相同特征的同一旋涡分子流过传感器的时间间隔，可以计算出旋涡的流速，进而得到流量。

图1 声呐流量计原理图Fig.1 Schematic diagram of sonar flowmeter

如1图所示，声呐流量计的探头是8个被动压电转换传感器，通过CIDRA专利的声呐阵列处理算法，得到涡流的平均轴向速度。测量步骤如下所示：

◇ 测量介质的湍流对管道的内壁产生了微小的压力变化。

◇ 这种微小的压力变化，使管道发生了微小的机械形变。

◇ 包裹在管道外壁的探头（无需耦合剂）将形变量转化为电信号。

◇ 通过声呐阵列处理技术，将该电信号转化为特有频率和相位的特殊信号。

◇ 该信号被探头上8个在轴向上相隔距离相同的探头监测到。

◇ 通过分析对应的特有频率和相位，得到对应的介质流速。

声呐流量计分析的信号是频率和波长的卷积，而通过分析波数（和波长成倒数的关系），可以确定其频谱中包含的能量。

图3 声呐流量计现场安装位置Fig.3 Site installation location of sonar flowmeter

图4 现场波长和频率的红外图像Fig.4 Infrared image of field wavelength and frequency

图5 声呐流量计流量趋势图Fig.5 Flow trend diagram of sonar flowmeter

其中：f是信号的频率；U是通过探头组时的流速；λ是波长。

而对整个范围内的波数进行分析时，这种能量分布图可以称之为 k-ω 模型（k=2π/λ and ω=2πf）。其中，X 轴定义为波数（1/λ），Y轴定义为频率（f）。通过对之前的公式转换可得到：

如图2所示，该图为仪表测量的原始图像，能量集中的区域构成了线性关系，而其斜率即为流速。如果线性关系好，则流量计的测量质量系数越高。在仪表显示时，V0代表测量质量系数，范围为0～1，该值越接近1，则表明测量效果越好。

图2 声呐流量计测量原始图像Fig.2 Original image of sonar flowmeter measurement

3 声呐流量计在磁性铁矿选矿厂的应用介绍

在磁性铁矿选矿厂中，声呐流量计安装在旋流器的给矿管道以及旋流器的溢流管道上。

与电磁流量计类似，声呐流量计的安装也需要至少10倍管径的直管段，但相比电磁流量计的安装，声呐流量计较为简单，且不需要切割管道，安装工作量也较小。

通过声呐流量计变送器能够获得完整的测量数据信息，以下是安装在旋流器给矿管道的声呐流量计变送器中得到的测量数据图。

从图4中可以看出，通过红外图像分析可以看到流速（图中虚线）测量时峰值能量的线性程度。峰值能量呈橘黄色，它的线性程度越高，则流量测量质量系数越大，说明测量效果越好。

从图5中可以看出，用声呐流量计测量铁矿浆的流量时，流量数据十分稳定，流量值保持在835m3/h～859m3/h，与生产情况一致。

通过对声呐流量计的检测数据的分析可以看出，声呐流量计非常适合测量带有固体成分的矿浆，且完全不受铁矿效应的影响。

4 声呐流量计的应用特点

声呐流量计在工业中的应用，与其他流量计相比，有以下几个特点：

1）声呐流量计安装简单，不用切割管道，安装时不影响生产。

2）无可动零件，无易损件，且探头使用寿命长，维护量小，可靠性高，能保证生产的长期不间断运行。

3）声呐流量计可以检测出矿浆中气泡的百分比含量，通过修正，可以得出准确的矿浆流量以及校核矿浆的浓度。同时，通过矿浆中气泡的百分比含量，可以判断管道是否正常，泵空穴气蚀等影响生产的现象。

4）声呐流量计压损小，量程范围大，精度较高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、管壁内结垢等影响。

5）声呐流量计价格相比较其他流量计比较昂贵，一次性投资成本较高，但后期维护成本低。

5 结束语

声呐流量计经过了在实践中不断地实验，验证了声呐流量计在铁矿矿浆流量检测中的可靠性。随着智慧化矿山的不断推进，为了能够实现生产的无人化及智能化，仪表检测将是智慧化矿山底层数据的关键。