高温液体流量检测系统及其在锌精馏中的应用

摘要：鉴于高温液体的流量难以直接检测，利用软测量技术，提出了一种间接检测流量的方法——称重法。该方法根据流体力学中孔中出流的基本原理，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。

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），通过构造某种数字关系，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，Cd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 称得法原理

由公式（1）可以看出，液体的体积流量Qv取决于流量系数Cd、孔口面积A及液位高度H。而影响Cd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、液位高度及液体的动动粘度v共同决定的。对于圆孔，其孔口形状已经确定，因此影响Qv的主要因素就是液位高度H、孔口直径D和运行粘度v，用数学公式表示如下：

Qv=f(H,D,v) （2）

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量的。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：

QG=f'[G/(S·ρzn),D,v] ·ρzn （3）

式中，QG表示锌液的重量流量，S表示流槽的底面积。

锌游人密度ρzn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，可用数字式表示为：

QG=f(G) （4）

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QG(t)可以表示为：

QG（t）=(d/dt)G(t) (5)

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：

QG（t）=G(t)-G(t+1) (6)

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字表达式来描述。而在实际生产中，重量只有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：

QG=a0+a1G+a2G2 (7)

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：

QG=6.01+0.26167G-0.000817G2 (8)

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

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Visul 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，流槽的一些变化会发生一些小的改变，如锌流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，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。

表1 高温液体流量检测系统运行结果

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。该系统的设入运行，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具有很好的借鉴意义。