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高溫液體流量檢測系統(tǒng)及其在鋅精餾中的應(yīng)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(shù)，提出了一種間接檢測流量的方法——稱重法。該方法根據(jù)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(shù)學模型，然后通過檢測到的重量計算流量。該流量檢測系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于某冶煉廠的鋅精餾過程。實際運行結(jié)果表明，該方法的精度達到1.5%，滿足實際生產(chǎn)要求。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(shù)。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(chǎn)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(xiàn)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(shù)就是通過軟件的手段，實現(xiàn)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(jù)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(dǎo)變量（Primary Variable,即待測變量）有密切關(guān)系的輔助變量（Secondary Variable），通過構(gòu)造某種數(shù)字關(guān)系，用計算機軟件實現(xiàn)對主導(dǎo)變量的在線估計。目前，人們對軟測量技術(shù)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(shù)，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(jù)，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(shù)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，然后從其側(cè)壁的一個圓孔流出到精餾塔中。這樣，單位時間內(nèi)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(jīng)過孔口出流是一個廣泛應(yīng)用的實際問題，其基本原理可以用圖1表示[1]。
容器中的液體在重力作用下，從其側(cè)壁的小孔流出，根據(jù)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(shù)，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(shù)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(shù)Re以及孔口形狀及面積。而雷諾數(shù)Re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(jīng)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(shù)學公式表示如下：
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=f'[G/(S·ρzn),D,v] ·ρzn （3）
式中，QG表示鋅液的重量流量，S表示流槽的底面積。
鋅游人密度ρzn及運動粘度v都是由其溫度決定的。在實際生產(chǎn)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(jié)果可以證明，這樣的簡化是合理的，不會對模型精度產(chǎn)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(guān)，可用數(shù)字式表示為：
QG=f(G) （4）
因此，只要找出流量與重量之間的關(guān)系，就可將流量檢測問題轉(zhuǎn)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(guān)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(shè)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時刻
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