CN101644652A - 差压式密度测量装置与测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于固－液两相流浆体密度的测量装置及方法，其中所述差压式密度测量装置包括安装于水平管道测试段的水平管道差压变送器和安装于垂直管道测试段的垂直管道差压变送器，水平管道差压变送器和垂直管道差压变送器的信号输出端均通过可编程逻辑控制器PLC接入计算机。所述差压式密度测量装置及其测量方法，不但能够实现精确可靠的测量，装置结构简单、便于制造、安装和维护，同时具有成本低廉和环保的优势。

Description

差压式密度测量装置与测量方法

技术领域

本发明涉及用于固-液两相流浆体密度的测量装置及方法，可广泛用于冶金、矿山、煤炭、化工等涉及固-液两相流的领域。

背景技术

目前，两相流浆体密度测量主要采用辐射密度计。辐射密度计的工作原理是在垂直输送管段的一侧安装放射源，在其对侧安装接收射线的探测器，射线穿过管壁和浆体时部分被吸收而衰减，浆体密度越大，吸收射线越多，介质吸收射线的多少与被测介质的密度呈指数吸收规律，剩余部分射线通过闪晶体和光电倍增管转换为电量并经滤波放大后，得出所测电量大小与浆体密度的关系，最终实现浆体密度的非电量电测。

辐射密度计使用前必需根据不同浆体进行标定，而且测量数据波动较大。此外，辐射密度计售价较高，对人体产生的危害非常大。

发明内容

针对现有辐射密度计测量浓度的技术不足，本发明的目的旨在提供一种差压式密度测量装置及其测量方法，不但能够实现精确可靠的测量，装置结构简单、便于制造、安装和维护，而且成本低廉和环保。

本发明采取的技术方案为：一种差压式密度测量装置，包括安装于水平管道测试段的水平管道差压变送器和安装于垂直管道测试段的垂直管道差压变送器，水平管道差压变送器和垂直管道差压变送器的信号输出端均通过可编程逻辑控制器PLC接入计算机。

根据水力学测量要求，差压式密度测量装置的几何尺寸和差压变送器安装尺寸应满足以下条件：水平管道测量段的长度为15-20米；垂直管道测量段的长度为2-3米；水平管道测试段的末端与垂直管道的最低端距离为测量管道内径的4至10倍，垂直管道的最低端与垂直管道测试段的最低端之间的距离为测量管道内径的4至10倍、垂直管道测试段的最顶端与垂直管道的最顶端之间的距离为测量管道内径的6至12倍。

本发明还提供了一种与上述差压式密度测量装置对应的测量方法：

1)采用两套差压变送器同时分别测量一段水平管道测试段的压强差和一段垂直管道测试段上下两端的压强差；

2)由步骤1)中测得的水平管道测试段的压强差得出浆体流过管道的摩阻；

3)由步骤1)中测得的垂直管道测试段的压强差去除步骤2)中得到的浆体流过管道的摩阻后，得到该垂直管段浆体的单位面积重量，然后换算为浆体密度。

其中步骤3)中浆体密度的运算公式为： ${\mathrm{\ρ}}_m=\frac{1}{h_1}{k}_1{I}_{m1}{\mathrm{\ρ}}_w-\frac{1}{h_2}{k}_2{I}_{m2}{\mathrm{\ρ}}_w+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ms}}$

式中：ρ_m——浆体密度，克/厘米³；

h₁——垂直管道差压变送器的测点高差，厘米；

k₁——垂直管道差压变送器的换算系数，厘米水柱/毫安；

I_m1——垂直管道差压变送器测量值，毫安；

h₂——水平管道差压变送器的测点距离，厘米；

k₂——水平管道差压变送器的换算系数，厘米水柱/毫安；

I_m2——水平管道差压变送器的测量值，毫安；

ρ_w——清水密度，克/厘米³；

ρ_ms——差压变送器的传送介质密度，克/厘米³。

通过上述浆体密度可进一步计算得到固-液两相浆体的浓度值。

上述测量管道测试段的长度和差压变送器量程可根据水力学和测量精度要求进行设计和选型，其技术构思和结构与浆体密度现有测量原理与方法完全不同，是一种全新的固-液两相流浆体密度测量方法。

本发明采用差压式密度测量装置测量到一段垂直管道的矿浆重量，换算后获得浆体的密度与浓度，数据采集和计算都由计算机完成，使用可靠方便。由于测量值是一定长度垂直管道段浆体浓度的平均值，不受浆体浓度瞬间变化的影响，测量数据稳定。同时，所测物理量是浆体重量，属于物理量的直接测量，测量不同类别的浆体，无需进行仪表标定。克服了辐射密度计使用前需要进行标定和测量数据波动较大的技术不足，而且解决了辐射密度计对环境污染的难题。

与现有浆体浓度测量技术相比，本发明具有以下有益效果：无论从测量原理还是从测量过程来看，本发明均是一种全新概念的浓度测量装置与测量方法，具有测量数据精确可靠、结构简单、制造维护容易、成本低廉、不需进行标定和环保等优点。

附图说明

图1是本发明所述差压式密度测量装置的测试应用图；

在上述附图中：

1-水平管道差压变送器      2-垂直管道差压变送器

3-可编程逻辑控制器        4-计算机

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本实施例所述差压式密度测量装置，包括安装于水平管道测试段的水平管道差压变送器1和安装于垂直管道测试段的垂直管道差压变送器2，水平管道差压变送器1和垂直管道差压变送器2的信号输出端均通过可编程逻辑控制器3接入计算机4，计算机4在线采集两个差压变送器的输出电流毫安数。

根据水力学测量要求，差压式密度测量装置的几何尺寸和差压变送器安装尺寸应满足以下条件：水平管道测量段BC的长度为10-20米；垂直管道测量段DE的长度为2-3米；水平管道测试段的末端与垂直管道的最低端距离L₁为测量管道内径的4至10倍，。管道过渡段中，垂直管道的最低端与垂直管道测试段的最低端之间的距离L₂为测量管道内径的4至10倍、垂直管道测试段的最顶端与垂直管道的最顶端之间的距离L₃为测量管道内径的6至12倍。

上述测试的工作原理为：当固-液两相浆体流以一定流速从入口A流入，流过管线的测量段，从出口F流出，计算机通过水平管道差压变送器1采集水平管道BC段差压的实测数据，获得浆体流过管道的摩阻(对于水平管道摩阻为单位长度管道的差压，即为测得两点差压除以两点间的距离)，计算机4同时通过垂直管道差压变送器2采集一定长度垂直管道DE段差压的实测数据，并进行数据处理，将垂直管道差压变送器2的实测数据中减去水平管道差压变送器1测得的浆体管道摩阻，获得垂直管道DE段浆体的位能，由浆体的位能可直接计算得到浆体的密度，亦可进一步计算得到浆体的浓度。

本发明的特点是采用通用的差压测量方法来测量浆体的密度，测量构思非常独特和奇妙，只需在浆体输送管线的垂直管段和水平管段各安装一台差压变送器，则可通过计算机采集两台差压变送器的输出电流毫安值、通过转换成工程量和数据处理，最终得到浆体密度测量值。差压式密度测量装置的优点是方法简单，无需其他专用检测仪表，由于是测量一段垂直管段中的平均密度，因此测量数据稳定、可靠，不同种类的浆体不需进行标定(辐射密度计测量不同类别的浆体需标定，不同类别的浆体浓度系数不相同)。

由差压变送器的输出电流毫安值到得出浆体密度测量值的运算过程为本领域技术人员能采用的常规运算方法。以下提供一长距离高浓度浆体管道试验室差压式密度测量方法为例，说明由差压变送器检测得到的值转换成某种浆体的密度的整个运算过程。

所选用的水平管道差压变送器和垂直管道差压变送器的量程分别为15kPa和30kPa，输出电流为4至20mA，差压变送器传压介质的密度为935kg/m³。水平管段测量长度为10m，垂直管段测量长度为2m。

水平管道摩阻计算：

$i_m=\frac{m{A}_1-4}{20-4}\×\frac{15}{10g}$

式中：

i_m----水平管道摩阻，米水柱/米；

mA₁----计算机采集的水平管道差压变送器的输出电流，毫安；

g----重力加速度，取9.80665米/秒²；

浆体密度计算：

${\mathrm{\ρ}}_m=(\frac{m{A}_2-4}{20-4}\×\frac{30}{g}\×{\mathrm{\ρ}}_w+2\×935)\÷(2+2\×i_m)$

式中：

ρ_m----浆体密度，千克/米³；

mA₂----计算机采集的垂直管道差压变送器的输出电流，毫安；

ρ_w----水的密度，取1000千克/米³。

表1为本发明装置测量与容积称重法测量某铁精矿浆体密度结果对比。

本发明装置测量与容积称重法测量结果             表1

本实施例采用的差压变送器是差压式密度测量装置的主要部件，因此差压式密度测量装置的性能主要取决于差压变送器的技术性能，可根据测量要求选用不同量程的差压变送器，建议选用EJA差压变送器。以铁精矿浆体选用量程为30KPa、精度为0.5％的差压变送器为例，差压式密度测量装置的主要技术指标如下：

·密度测量范围：0-3克/厘米³

·浓度测量范围(重量浓度)：0-76％

·浓度测量精度：0.5％

·稳定性：稳定性好，防爆结构，全天候使用

·测量管径：50-1000毫米

·环境温度：-20-60℃

·环境湿度(相对湿度)：0-100％

·输出信号：4-20毫安

此外，根据密度测量精度要求，如果选用高精度的差压计，可获得更高精度的测量结果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

本发明用于铁精矿浆体长距离管道输送参数研究及多泵站输送工艺自控研究的试验系统，与辐射密度计相比，获得非常好的测量结果。

Claims (5)

1、一种差压式密度测量装置，其特征在于，包括安装于水平管道测试段的水平管道差压变送器和安装于垂直管道测试段的垂直管道差压变送器，水平管道差压变送器和垂直管道差压变送器的信号输出端均通过可编程逻辑控制器PLC接入计算机。

2、根据权利要求1所述差压式密度测量装置，其特征在于，所述水平管道测量段的长度为15-20米；垂直管道测量段的长度为2-3米；水平管道测试段的末端与垂直管道的最低端距离为测量管道内径的4至10倍，垂直管道的最低端与垂直管道测试段的最低端之间的距离为测量管道内径的4至10倍，垂直管道测试段的最顶端与垂直管道的最顶端之间的距离为测量管道内径的6至12倍。

3、一种如权利要求1所述差压式密度测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)采用两套差压变送器同时分别测量一段水平管道测试段的压强差和一段垂直管道测试段上下两端的压强差；

2)由步骤1)中测得的水平管道测试段的压强差得出浆体流过管道的摩阻；

3)由步骤1)中测得的垂直管道测试段的压强差去除步骤2)中得到的浆体流过管道的摩阻后，得到该垂直管段浆体的单位面积重量，然后换算为浆体密度。

4、根据权利要求3所述差压式密度测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤3)中浆体密度的运算公式为： ${\mathrm{\ρ}}_m=\frac{1}{h_1}{k}_1{I}_{m1}{\mathrm{\ρ}}_w-\frac{1}{h_2}{k}_2{I}_{m2}{\mathrm{\ρ}}_w+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ms}}$

式中：ρ_m——浆体密度，克/厘米³；

      h₁——垂直管道差压变送器的测点高差，厘米；

k₁——垂直管道差压变送器的换算系数，厘米水柱/毫安；

I_m1——垂直管道差压变送器测量值，毫安；

h₂——水平管道差压变送器的测点距离，厘米；

k₂——水平管道差压变送器的换算系数，厘米水柱/毫安；

I_m2——水平管道差压变送器的测量值，毫安；

ρ_w——清水密度，克/厘米³；

ρ_ms——差压变送器的传送介质密度，克/厘米³。

5、根据权利要求3或4所述差压式密度测量装置的测量方法，其特征在于，由步骤4)得到的浆体密度进一步计算得到固-液两相浆体的浓度值。

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