СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДНОГО ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОГО СВОЙСТВА МНОГОФАЗНОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
SYSTEM AND METHOD FOR MONITORING AT LEAST ONE CHARACTERISTIC PROPERTY OF MULTIPHASE FLUID MEDIUM

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится, в целом, к системе и способу для наблюдения, по меньшей мере, одного характеристического свойства многофазной текучей среды.
[0002] Изобретение было разработано, прежде всего, для использования в онлайн-наблюдении промышленных процессов, затрагивающих многофазные текучие среды, на основе анализа показателей электрического импеданса, полученных от многофазной текучей среды, и будет описано далее в данном документе со ссылкой на это применение.
[0003] Последующее обсуждение уровня техники изобретения предназначено, чтобы облегчать понимание изобретения. Однако, следует понимать, что обсуждение не является признанием или допущением, что какой-либо из материалов, на которые делается ссылка, был опубликован, является известным или частью обычного общеизвестного знания в Австралии или любой другой стороне по состоянию на дату приоритета какого-либо пункта из формулы изобретения этой спецификации.
Уровень техники
[0004] Во многих промышленных процессах, затрагивающих смеси многофазных текучих сред, где компоненты и смеси могут быть неподвижными, движущимися в ванной или протекающими непрерывно, существует прямая необходимость для точных и недорогих способов и средств для наблюдения характеристических свойств смесей многофазных текучих сред. Также часто является желательным, чтобы эти способы и средства имели возможность работы в режиме онлайн с процессами.
[0005] Например, в разделении в тяжелой среде угольных и минеральных руд, желательно наблюдать за плотностью тяжелой среды или объемной долей взвешенных мелких плотных частиц в водном шламе. В настоящее время, существует две технологии, используемые в настоящий момент для измерения плотности тяжелой среды, первая применяет ядерный измерительный прибор, в то время как вторая применяет датчик перепада давления (DP-датчик). Ядерные измерительные приборы могут быть использованы для измерения плотности тяжелой среды. Вследствие радиоактивной природы ядерных источников существует множество проблем охраны труда и промышленной гигиены (OHS) относительно их использования. Главным недостатком DP-датчиков является высокие затраты на техническое обслуживание, ассоциированные с частой промывкой точек отвода в магистральной трубе, чтобы предотвращать блокировки и потерю сигнала. Другой проблемой, ассоциированной с DP-датчиками, является требование правильного сооружения вертикальных участков трубы. Следовательно, не существует простых коммерчески доступных онлайн-мониторов, приспособленных для наблюдения плотности среды шламовых смесей, содержащих воду, магнетит и мелкие немагнетитовые твердые тела.
[0006] Пенная флотация является процессом, применяемым во множестве отраслей промышленности, включающих в себя обработку минералов, переработку макулатуры и отрасли промышленности очистки сточных вод, для выборочного отделения гидрофобных материалов от гидрофильных материалов, тем самым, концентрируя ценные составляющие, из их руд или сырьевых материалов. В частности, этот процесс пенной флотации широко используется в угольной промышленности для отделения мелкого угля от частиц пустой породы.
[0007] Пенная флотация типично подразумевает использования нагнетания воздуха через шлам, который содержит воду, минералы и частицы пустой породы, в резервуаре. Диспергированные воздушные пузырьки притягивают гидрофобные ценные минералы и переносят их вверх к верхней стороне флотационной камеры, где они формируют пенный пласт или пенный слой, который содержит и поддерживает пульверизованный материал. Пена затем счищается, или ей предоставляется возможность переливаться через край камеры, чтобы осуществлять разделение. Таким образом, пена, несущая сконцентрированный минерал, собирается и дополнительно обрабатывается, чтобы улучшать концентрацию желаемых минералов. Использование процесса пенной флотации улучшает не только выход угольной продукции, но также качество. Однако, процессы флотации угля часто работают без наблюдения релевантных характеристических свойств в пенной фазе вследствие отсутствия соответствующих датчиков. Физико-химические условия (т.е., устойчивость структуры пены, условия границы между пузырьками и водой, содержание твердых веществ и содержание воды) в пенной фазе процесса флотации, как правило, изменяются с изменениями в реагентных добавках, прилипании угольных пузырьков, скорости аэрации и интенсивности промывки пены. Эти физико-химические условия могут быть отражены в измеренных электрических и диэлектрических свойствах, например, электрическом импедансе. Следовательно, наблюдение электрического импеданса пенной фазы будет предоставлять дополнительный инструмент для онлайн-наблюдения за процессами флотации угля.
[0008] Изобретатели ранее узнали и сообщили (Hu и Firth, 2002: Международная патентная заявка № PCT/AU2004/000187 (патентная публикация № WO2004/077036), Hu и Firth, 2005), что онлайновое измерение спектра электрического сопротивления (EIS) шламовых смесей, полученных из угольных шламов, содержащих воду, магнетит, уголь и/или песок, является полезной технологией для измерения средней плотности или объемной доли мелких магнетитовых частиц в тяжелой среде, и измерение EIS также является полезным для наблюдения за процессами флотации. Однако, эти измерения были получены с помощью спектрометра электрического импеданса в широком диапазоне частот (от 10 Гц до 1 МГц), что несомненно является медленным и дорогостоящим.
[0009] Вкратце, в то время как онлайновое измерение индексов производительности для этих отдельных операций обработки угля явно является необходимым для достижения эффективного контроля над этими процессами, получение необходимых показателей с помощью текущих онлайн-технологий является трудным и дорогостоящим, что неизменно имеет серьезное влияние на рентабельность технологии в практических применениях.
[0010] Настоящее изобретение пытается предоставлять систему и способ для наблюдения, по меньшей мере, одного характеристического свойства многофазной текучей среды, которые будут преодолевать или в значительной степени улучшать, по меньшей мере, некоторые из недостатков предшествующего уровня техники или, по меньшей мере, предоставлять альтернативу.
Сущность изобретения
[0011] Согласно первому аспекту настоящего изобретения предоставляется система для наблюдения, по меньшей мере, одного характеристического свойства многофазной текучей среды, система содержит: по меньшей мере, одну пару электродов, погруженных в многофазную текучую среду и определяющих область выборки расположенную между ними; средство формирования сигнала, сконфигурированное, чтобы формировать и прикладывать электрический сигнал, по меньшей мере, между одной парой электродов; средство измерения, сконфигурированное для измерения электрического параметра многофазной текучей среды в области выборки, измеренный электрический параметр принудительно изменяется в ответ на протекание электрического тока, по меньшей мере, между одной парой электродов; и процессор, сконфигурированный, чтобы вычислять данные относительного импеданса, соответствующие отношению величины электрического импеданса, по меньшей мере, одной фазовой составляющей многофазной текучей среды в области выборки, измеренной при первом выбранном значении частоты, относительно величины электрического импеданса, по меньшей мере, одной другой фазовой составляющей, измеренной при втором выбранном значении частоты, при этом значение или степень изменения данных относительного импеданса является пропорциональным, по меньшей мере, одному характеристическому свойству, по меньшей мере, одной фазовой составляющей многофазной текучей среды.
[0012] Согласно второму аспекту настоящего изобретения предоставляется способ для наблюдения, по меньшей мере, одного характеристического свойства многофазной текучей среды, включающий в себя этапы: приложения электрического сигнала, по меньшей мере, между одной парой электродов, погруженных в многофазную текучую среду и определяющих область выборки, по существу, между ними; измерения электрического параметра многофазной текучей среды в области выборки, измеренный электрический параметр принудительно изменяется в ответ на протекание электрического тока, по меньшей мере, между одной парой электродов; и вычисления данных относительного импеданса, соответствующих отношению величины электрического импеданса, по меньшей мере, одной фазовой составляющей многофазной текучей среды в области выборки, измеренной при первом выбранном значении частоты, относительно величины электрического импеданса, по меньшей мере, одной другой фазовой составляющей, измеренной при втором выбранном значении частоты, при этом значение или степень изменения данных относительного импеданса является пропорциональным, по меньшей мере, одному характеристическому свойству, по меньшей мере, одной фазовой составляющей многофазной текучей среды.
[0013] Другие аспекты изобретения также раскрываются.
Краткое описание чертежей
[0014] Несмотря на любые другие формы, которые могут попадать в рамки настоящего изобретения, предпочтительные варианты осуществления будут теперь описаны, только в качестве примера, со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
[0015] Фиг. 1 показывает блок-схемы системы измерения, которая включает в себя измеритель электрического импеданса (показан в штриховом контуре), сконфигурированный для наблюдения, по меньшей мере, одного характеристического свойства многофазной текучей среды согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, в котором электроды для погружения в многофазную текучую среду существуют в (a) двухэлектродной конфигурации и (b) четырехэлектродной конфигурации;
[0016] Фиг. 2 показывает принципиальную схему измерителя электрического импеданса на фиг. 1(a), сконфигурированного для наблюдения характеристических свойств пенной фазы в процессе пенной флотации;
[0017] Фиг. 3 показывает график относительного импеданса пенной фазы (полученной из эксперимента с флотационной колонной Microcel™ в качестве камеры пенной флотации) как функцию времени (с) для процесса флотации угля с двумя различными устойчивостями пены, в котором показания величины электрического импеданса были получены при частоте 65 кГц с помощью измерителя электрического импеданса с двухэлектродной конфигурацией на фиг. 2;
[0018] Фиг. 4 показывает график извлечения горючей массы (%) в зависимости от относительного импеданса пенной фазы (полученный из эксперимента с помощью флотационной машины Джеймсона в качестве камеры пенной флотации) для процесса флотации угля с подходящей устойчивостью пены, в котором показания величины электрического импеданса были получены при частоте 65 кГц с помощью измерителя электрического импеданса с двухэлектродной конфигурацией на фиг. 2;
[0019] Фиг. 5 показывает принципиальную схему измерителя электрического импеданса на фиг. 1(b), сконфигурированного для наблюдения плотности тяжелой среды в электродном узле, установленном в направляющей потока для технологического потока тяжелой среды;
c
c
[0020] Фиг. 6 показывает график относительной плотности (RD) тяжелой среды (т.е., водно-магнетитового шлама) в зависимости от отношения (Z/Z) величины (Z) импеданса среды, измеренной при выбранной частоте 54 кГц к величине (Z) импеданса среды, измеренной при характеристическом значении частоты (100 кГц), в котором показания электрического импеданса были получены с помощью измерителя электрического импеданса с четырехэлектродной конфигурацией на фиг. 5; и
[0021] Фиг. 7 показывает блок-схему последовательности операций, обрисовывающую основные этапы способа для наблюдения, по меньшей мере, одного характеристического свойства многофазной текучей среды согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
[0022] Следует понимать, что последующее описание существует только с целью описания конкретных вариантов осуществления и не предназначается быть ограничивающим относительно вышеприведенного описания.
[0023] Предыдущая работа изобретателей (Hu и Firth, 2007) продемонстрировала, что, когда измерения спектра электрического импеданса для последовательности водно-магнетитовых шламов, имеющих различные относительные (средние) плотности (RD), были получены с помощью спектрометра электрического импеданса, осуществившего сканирование по широкому диапазону частот (от 10 Гц до 1 МГц), и показания электрического импеданса впоследствии были нормализованы при 100 кГц, нормализованный спектр показал, что результирующие кривые, все пересекаются при частоте 100 кГц; результат, который не зависит от температуры и условий проводимости воды.
[0024] Здесь, настоящее изобретение основывается на открытии, которое изобретатели неожиданно признали, что с помощью системы, содержащей измеритель электрического импеданса, оборудованный подходящим образом сконфигурированной электродной конфигурацией, возможно полагаться на вышеупомянутую частоту 120 кГц в качестве верхнего предела гораздо более узкого диапазона частот (от 20 кГц до 120 кГц), в котором необходимо получать показания величины электрического импеданса многофазной текучей среды, такой как водно-магнетитовый шлам, по меньшей мере, с некоторой степенью точности, которая достигается с помощью спектрометра электрического импеданса, чтобы сканировать множество частот (от 10 Гц до 1 МГц), но гораздо быстрее по времени, по меньшей мере, и без возникновения затрат, ассоциированных с этой конкретной технологией. Кроме того, этот более узкий диапазон частот (от 20 кГц до 120 кГц) также имеет дополнительную выгоду, что действие любого окружающего радиочастотного шума значительно уменьшается.
[0025] Действительно, использование измерителя электрического импеданса и ассоциированного способа, описанного более подробно ниже, чтобы получать показания величины электрического импеданса, по меньшей мере, при одном фиксированном и относительно высоком значении частоты, выбранном в этом более узком диапазоне частот, гарантирует, что показания величины электрического импеданса могут быть получены и повторены быстро в течение очень короткого периода времени, тем самым, ведя к получению более точных данных для быстро протекающих многофазных текучих сред в значительно более коротких, почти в реальном времени, временных рамках.
[0026] Последующее предоставляет описание системы для использования в наблюдении характеристического свойства многофазной текучей среды, которая включает в себя измеритель электрического импеданса, который был сконфигурирован либо с двухэлектродной конфигурацией, либо четырехэлектродной конфигурацией.
[0027] Измеритель электрического импеданса
Двухэлектродная конфигурация
[0028]
[0029] Фиг. 1(a) показывает блок-схему измерительной системы, включающей в себя измеритель 100 электрического импеданса (показан в штриховом контуре), сконфигурированный для использования в наблюдении характеристического свойства многофазной текучей среды согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0030] Как будет описано более подробно ниже, измеритель 100 электрического импеданса функционально соединяется с двухэлектродной измерительной ячейкой (13) посредством подходящим образом сконфигурированных кабелей, а также функционально соединяется с микропроцессором (2) для обработки каких-либо сигналов, ассоциированных с измерениями величины электрического импеданса, выполненными с помощью ячейки (13), когда пара электродов 13A, 13B, ассоциированных с ячейкой (13), полностью погружаются в испытуемый материал (MUT).
[0031] В целях определения желаемых атрибутов измерителя 100 электрического импеданса MUT принимает форму многофазной текучей среды, которая в целях испытания является текучей средой из трехфазной смеси пузырьков, мелких частиц угля и воды, встречающейся в процессе флотации угля.
[0032] Обращаясь к фиг. 1(a), измеритель 100 электрического импеданса включает в себя коммерчески доступную интегральную схему (1), сконфигурированную как средство формирования сигнала и измерения, чтобы измерять величину электрического импеданса внешней схемы или MUT (испытуемого материала), по меньшей мере, при одном значении частоты, выбранном в подходящем частотном диапазоне, в ответ на возбуждающий сигнал, сформированный посредством интегральной схемы (1). Интегральная схема (1) содержит встроенный генератор частоты с диапазоном выходных частот между 1 кГц и 120 кГц.
[0033] В частности, эта интегральная схема (1) внутренним образом формирует возбуждающий сигнал в форме электрического переменного тока или напряжения и использует алгоритм дискретного преобразования Фурье (DFT), чтобы измерять реакцию испытуемого материала (MUT) на этот возбуждающий сигнал посредством внутреннего аналого-цифрового преобразователя (ADC). DFT-алгоритм возвращает величину электрического импеданса MUT микропроцессору (2).
[0034] Программирование управляющих сигналов для интегральной схемы (1) для измерения импеданса, включающее в себя частоту возбуждающего сигнала, изменение диапазона для схем обработки сигнала и обмен данными с внешними устройствами и пользовательскими графическими интерфейсами, выполняется посредством микропроцессора (2).
[0035] Чтобы предоставлять возможность использования этого измерителя 100 электрического импеданса с диапазоном импеданса, типично встречающимся в процессе флотации угля в качестве MUT, требуется внешнее нормирование сигнала. Оно состоит из AC-связанного усилителя (3) для усиления или ослабления, когда требуется, выходного сигнала, сформированного посредством интегральной схемы (1) для измерения импеданса, а также удаления какого-либо присутствующего DC-сдвига. Сигнал может затем быть использован для возбуждения MUT, с помощью тока возбуждения с постоянным среднеквадратическим значением (RMS), производимого усилителя (5) напряжения к току.
[0036] Выходной сигнал усилителя (5) напряжения к току затем подается к двум электродам 13A, 13B электродной измерительной ячейки (13).
[0037] Электрическая реакция двухэлектродной измерительной ячейки (13) обнаруживается посредством измерительного резистора (14), и напряжение на концах этого резистора (14) подается к измерительному усилителю (7) дифференциального напряжения с высоким входным импедансом и усилителю (8) с выборочным коэффициентом усиления. Коэффициент усиления усилителя (8) с выборочным коэффициентом усиления выбирается автоматически посредством микропроцессора (2) через управляющие сигналы (9) (представленные на фиг. 1(a) пунктирной линией). Выходной сигнал усилителя (8) с выборочным коэффициентом усиления затем подается на сигнальный вход интегральной схемы (1) измерения импеданса.
[0038] Предпочтительно сохранять DC-сдвиг между концами двухэлектродной измерительной ячейки (13) небольшим, насколько возможно, чтобы предотвращать поляризацию ячейки (13). Это осуществляется посредством измерения DC-составляющей возбуждающего сигнала для ячейки (13) посредством объединения измерительного усилителя (10) дифференциального напряжения с высоким входным импедансом и низкочастотного фильтра (11). Ближняя DC-составляющая возбуждающего сигнала затем подается обратно к усилителю (5) напряжения к току через буферный усилитель (12), чтобы выполнять серворегулирование DC-сдвига между концами двухэлектродной измерительной ячейки (13) до нуля.
[0039] Результирующее значение величины импеданса сообщается пользователю через графический пользовательский интерфейс (4) или одному или более внешним устройствам (не показаны) посредством микропроцессора (2) через интерфейс связи (не показан), сконфигурированный для двухсторонней связи с помощью протокола связи, который может включать в себя протокол проводной связи, такой как Ethernet™, или протокол беспроводной связи, такой как Wi-Fi™, Bluetooth™ или т.п.
Четырехэлектродная конфигурация
[0040]
[0041] Фиг. 1(b) показывает другую блок-схему измерительной системы, на этот раз включающей в себя по-другому сконфигурированный измеритель 200 электрического импеданса (показан в штриховом контуре) для использования в наблюдении характеристического свойства многофазной текучей среды согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
[0042] Измеритель 200 электрического импеданса включает в себя более или менее те же компоненты, что и описанные выше относительно первого измерителя 100 электрического импеданса, но функционально соединяется с четырехэлектродной измерительной ячейкой (6) посредством подходящим образом сконфигурированных кабелей, и, таким образом, внутренние компоненты второго измерителя 200 электрического импеданса конфигурируются соответственно.
[0043] В целях определения желательных атрибутов измерителя 200 электрического импеданса MUT, применяемый в испытательных целях, является MUT из водно-магнетитового шлама в качестве многофазной текучей среды.
[0044] В частности, и со ссылкой на фиг. 1(b), выходной сигнал усилителя (5) напряжения к току измерителя 200 электрического импеданса подается к внешней паре электродов 6A, 6B четырехэлектродной измерительной ячейки (6).
[0045] Напряжение, присутствующее между внутренней парой электродов 6C, 6D четырехэлектродной измерительной ячейки (6), измеряется посредством измерительного усилителя (7) дифференциального напряжения с высоким входным импедансом и усилителя (8) с выборочным коэффициентом усиления. Коэффициент усиления усилителя (8) с выборочным коэффициентом усиления опять выбирается автоматически посредством микропроцессора (2) через управляющие сигналы (9) (показаны пунктирной линией), и выходной сигнал усилителя (8) с выборочным коэффициентом усиления подается на сигнальный вход интегральной схемы (1) измерения импеданса.
[0046] Опять, результирующее значение величины импеданса сообщается пользователю через графический пользовательский интерфейс (4) или одному или более внешним устройствам (не показаны) посредством микропроцессора (2) через интерфейс связи (не показан), сконфигурированный для двухсторонней связи с помощью протокола связи, который может включать в себя протокол проводной связи, такой как Ethernet™, или протокол беспроводной связи, такой как Wi-Fi™, Bluetooth™ или т.п.
[0047] Результаты
[0048] Теперь, когда внутренние компоненты и операции измерителей 100, 200 электрического импеданса были описаны; последующее предоставляет описание основного способа 300 для наблюдения, по меньшей мере, одного характеристического свойства многофазной текучей среды вместе с описанием каждого использования этих измерителей 100, 200 электрического импеданса с целью наблюдения характеристического свойства конкретной многофазной текучей среды.
Способ
[0049]
[0050] Фиг. 7 показывает блок-схему последовательности операций, обрисовывающую основные этапы способа 300 для наблюдения, по меньшей мере, одного характеристического свойства многофазной текучей среды с помощью одного из измерителей 100, 200 электрического импеданса, описанных более подробно ниже.
[0051] Согласно первому этапу 310, одна или две пары поперечно расположенных с интервалом электродов, функционально соединенных с соответствующим одним из двух измерителей 100, 200 электрического импеданса, сначала погружаются в многофазную текучую среду, и затем электрический сигнал, предпочтительно AC-сигнал предварительно определенной амплитуды, прикладывается между парой, или первой парой, электродов.
[0052] Согласно второму этапу 320, электрический параметр, типично напряжение, измеряется или обнаруживается между парой, или второй парой, электродов, при этом напряжение принудительно изменяется в ответ на протекание электрического тока между парой или первой парой электродов.
[0053] Согласно третьему этапу 330, микропроцессор (2) используется для вычисления относительного импеданса, который соответствует отношению величины электрического импеданса, по меньшей мере, одной фазовой составляющей в многофазной текучей среде, измеренной при одном выбранном значении частоты, относительно величины электрического импеданса, по меньшей мере, одной другой фазовой составляющей многофазной текучей среды. С целью описания способа 300 более подробно, многофазная текучая среда является водно-угольным или минеральным шламом, где интересующая фазовая составляющая является пенной фазой водно-угольного или минерального шлама, другая фазовая составляющая является водой, используемой в качестве подходящей точки отсчета. В целях измерения плотности многофазная текучая среда состоит из водно-магнетитового шлама, где интересующая фазовая составляющая является твердой фазой магнетита.
[0054] Согласно четвертому этапу 340, вычисленное значение или степень изменения данных относительного импеданса затем пропорционально сопоставляется с характеристическим свойством интересующей фазовой составляющей, которым в случае пенной фазы является устойчивость, в то время как в случае магнетита плотность магнетита для него.
[0055] Теперь, когда основной способ 300 был описан, последующее предоставляет более подробное описание использования каждого из двух измерителей 100, 200 электрического импеданса для наблюдения процессов в угольной промышленности.
Онлайн-наблюдение процесса пенной флотации
[0056]
[0057] Измерение величины электрического импеданса для онлайн-наблюдения некоторых характеристических свойств процесса пенной флотации может быть выполнено с помощью простого измерителя 100 электрического импеданса (см. фиг. 1(a)), описанного выше, по меньшей мере, при одном значении частоты, выбранном из диапазона от 20 кГц до 120 кГц.
[0058] Величина электрического импеданса в пенной фазе должна измеряться предпочтительно с помощью измерителя 100 электрического импеданса с двухэлектродной конфигурацией, как показано на фиг. 2, и в местоположении близко к переливной камере для камеры пенной флотации (не показана).
[0059] В предпочтительной форме, и как показано схематично на фиг. 2, каждый электрод из пары электродов 13A (показан в штриховом контуре), 13B ячейки (13) имеет, как правило, круглую форму, с диаметром между приблизительно 10 мм и приблизительно 20 мм. Каждый из двух электродов 13A, 13B устанавливается на соответствующую непроводящую пластину 110, 115. Две непроводящие пластины 110, 115 размещаются в разнесенной поперечно компоновке, разделенными парой вытянутых проставок 120, 125, соединенных на соответствующих верхней и нижней крайних фрагментах каждой из двух непроводящих пластин 110, 115.
[0060] Расстояние между двумя электродами 13A, 13B находится между приблизительно 80 мм и приблизительно 150 мм. Размер электродов 13A, 13B и соответствующее расстояние между ними были выбраны так, что величина электрического импеданса попадает в подходящий диапазон в условиях, обычно встречающихся на углеобогатительных фабриках. Позиция электродов 13A, 13B находится приблизительно в 30-50 мм ниже переливной камеры и приблизительно в 200-400 мм от переливной камеры или какой-либо другой металлической конструкции.
[0061] Две круглых по форме пары электроды 13A, 13B используются для приложения AC-сигналов с постоянным напряжением или током к многофазной текучей среде и измерения результирующего электрического тока или напряжения, создаваемого следом за контактом с фазовыми составляющими в многофазной текучей среде. Электроды 13A, 13B выполняются из нержавеющей стали 306, покрытой благородным металлом, выбранным из группы, состоящей из меди, серебра, золота, палладия и платины, с тем, чтобы представлять поверхность электрода химически инертной. В предпочтительной форме излюбленным благородным металлом является золото. Непроводящие пластины 110, 115, каждая, производятся из стандартной платы печатного монтажа (PCB), в то время как верхняя и нижняя проставки 120, 125 производятся из поливинилхлорида (PVC). Обычным специалистам в области техники будет понятно, что оба этих материала являются хорошими изоляторами для предотвращения утечки электрического тока. Коаксиальные кабели 130, 135, заключенные в полиуретановую (PU) оплетку, используются для соединения пары электродов 13A, 13B со средством формирования сигнала измерителя 100 электрического импеданса.
2
2
[0062] Изобретатели обнаружили, что длина кабелей 130, 135 в значительной степени определяется размерами электродов 13A, 13B, к которым кабели 130, 135 присоединяются, а более конкретно, к площади поверхности электрода. Например, для заданной амплитуды AC-тока, возможно применять кабели 130, 135, имеющие длину, которая попадает в диапазон приблизительно от 0,5 м до приблизительно 2,0 м, когда электрод (для возбуждения AC-тока) имеет площадь поверхности около 2,0 см. Для электродов, имеющих меньшую площадь поверхности, скажем, около 0,25 см, требуется, чтобы кабели 130, 135 имели длину менее 1,0 м. По меньшей мере, для практических прикладных задач, описанных далее в данном документе, изобретатели обнаружили, что длина кабеля менее 2,0 м является приемлемым пороговым значением, чтобы избегать влияния емкости кабеля.
[0063] Изменение характеристики флотации, вызванное изменениями в рабочих условиях, может наблюдаться посредством выполнения измерений величины электрического импеданса (Ом) в пенной фазе, по меньшей мере, при одном значении частоты, выбранном из диапазона от 20 кГц до 120 кГц. Как описано выше, этот частотный диапазон (20-120 кГц) был определен в результате неожиданного обнаружения, что частота 120 кГц должна быть подходящим верхним пределом.
[0064] Устойчивость пены может наблюдаться в количественном отношении посредством измерения относительного импеданса при этих выбранных частотах как функция времени (c) для заданного периода времени.
[0065] Фиг. 3 показывает график, показывающий изменения в относительном импедансе составляющей пенной фазы многофазной текучей среды, состоящей из трехфазной смеси пузырьков, мелких угольных частиц и воды (полученной из эксперимента с помощью флотационной колонны Microcel™ в качестве камеры пенной флотации), как функцию времени (с) для процесса флотации угля с двумя различными устойчивостями пены. В частности, показатели величины электрического импеданса (Ом) составляющей пенной фазы и соответствующей составляющей жидкой фазы многофазной текучей среды наблюдались с помощью измерителя 100 электрического импеданса на фиг. 2 при частоте 65 кГц в течение периода, равного 100 секундам. Относительный импеданс для устойчивости пены затем вычисляется делением величины электрического импеданса (Ом) составляющей пенной фазы на величину электрического импеданса (Ом) составляющей жидкой фазы многофазной текучей среды.
"неустойчивая пена",
устойчивая пена
[0066] Как показано на фиг. 3, два различных показателя относительного импеданса (Ом) были получены для пенной фазы с двумя различными устойчивостями. Например, данные измерения, обозначенные как  были измерены в пенной фазе с низкой устойчивостью во внутренней переливной камере флотационной колонны Microcel™, в то время как данные измерений, обозначенные как "", были измерены в пенной фазе с удовлетворительной устойчивостью во внешней переливной камере флотационной колонны Microcel™. Относительный импеданс может, следовательно, предоставлять непосредственно указание того, насколько далека пенная фаза от оптимальных условий.
[0067] Отношение среднеквадратичного отклонения к среднему значению изменения относительного импеданса за 100 секунд определяется как коэффициент устойчивости (SR), чтобы количественно выражать устойчивость пены. Фиг. 4 показывает график извлечения горючей массы (%) в зависимости от относительного импеданса составляющей пенной фазы (полученной из эксперимента с помощью флотационной машины Джеймсона в качестве колонны пенной флотации) для процесса флотации угля с подходящей устойчивостью пены. В частности, показатели величины электрического импеданса (Ом) составляющей пенной фазы и составляющей другой фазы, которая является соответствующей составляющей жидкой фазы этой конкретной многофазной текучей среды, наблюдались с помощью измерителя 100 электрического импеданса при той же частоте 65 кГц в течение короткого периода времени (скажем, 10 секунд). Опять, относительный импеданс для устойчивости пены вычисляется делением величины электрического импеданса (Ом) составляющей пенной фазы на величину электрического импеданса (Ом) составляющей жидкой фазы многофазной текучей среды.
[0068] На основе результатов, показанных на фиг. 4, наблюдается, что относительный импеданс составляющей пенной фазы может линейно или нелинейно сопоставляться с характеристикой флотации пенной фазы. Т.е., относительный импеданс составляющей пенной фазы является пропорциональным извлечению горючей массы (%). При подходящей устойчивости пены (например, когда коэффициент устойчивости (SR) находится между 8 и 12%), изобретатели обнаружили, что чем ниже значение относительного импеданса при выбранном значении частоты в диапазоне 20-120 кГц, тем лучше извлечение горючей массы (%) или производительность флотации.
[0069] Для случаев с неустойчивой структурой пены (например, когда коэффициент устойчивости выше 15%), характеристика флотации пенной фазы является неизменно плохой, или значение относительного импеданса пенной фазы не будет сопоставляться с производительностью. В отличие от этого, когда структура пены является слишком устойчивой (например, когда коэффициент устойчивости (SR) меньше 5%), содержание золы в концентрате является слишком высоким вследствие высоких уровней мелких фракций и содержания воды в пенной фазе.
[0070] В практических прикладных задачах измерения электрического импеданса на основе технологии для наблюдения процессов пенной флотации изобретатели обнаружили, что первый этап должен подразумевать стабилизацию пенной фазы с помощью показателя коэффициента устойчивости (SR). После того как достаточно устойчивая пенная фаза была достигнута, относительный импеданс для пенной фазы может быть уменьшен до значения, близкого к 2, но не менее 2, посредством регулировки рабочих условий (таких как подача твердого содержимого, дозировка пенообразующего вещества, дозировка коллектора, глубина пены, скорость аэрации. Если значение относительного импеданса меньше 2, пенная фаза будет перегружена или иметь слишком низкую глубину пены, ведя к плохой рабочей характеристике.
Онлайн-наблюдение плотности тяжелой среды
[0071]
[0072] Как показано на фиг. 5, измерение величины электрического импеданса для онлайн-наблюдения плотности тяжелой среды, состоящей из водного шлама мелокодисперсного магнетита, проводится с помощью простого измерителя 200 электрического импеданса с четырехэлектродной конфигурацией, описанной выше (см. фиг. 1(b)), установленного в качестве электродного узла в направляющей потока для технологического потока тяжелой среды.
[0073] В частности, и со ссылкой на фиг. 5, направляющая потока содержит, как правило, прямоугольный по форме сборный лоток 210, в который принимается водно-магнетитовый шлам. Сборный лоток 210 содержит отверстие в своем донном фрагменте, чтобы предоставлять возможность водно-магнетитовому шламу протекать из сборного лотка 210, как правило, в прямоугольный по форме полый трубопровод 220 нисходящего потока, соединенный с донным фрагментом сборного лотка 210. Дополнительно, грохот с клиновидными колосниками (не показан), покрытый карбидом вольфрама, устанавливается на верхней стороне сборного лотка 210, чтобы предотвращать приток каких-либо больших частиц, которые могут, в конечном счете, блокировать проточный трубопровод 220.
[0074] Две пары электродов 6A, 6B и 6C, 6D вставляются в соответствующую стенку 220A, 220B трубопровода 220 для нисходящего потока, так что каждая пара электродов 6A, 6B и 6C, 6D имеет один электрод (6A, 6C) из пары, установленной на противоположной стороне по отношению к другому электроду (6B, 6D) пары. В этой компоновке поверхность каждого из четырех электродов 6A, 6B и 6C, 6D может быть подвергнута воздействию водно-магнетитового шлама, когда он спускается по трубопроводу 220 нисходящего потока в направлении протекания, как указано стрелками, показанными на фиг. 5.
[0075] В предпочтительной компоновке внутренняя пара электродов 6C, 6D располагается совместно с внешней парой электродов 6A, 6B, при этом меньшие внутренние электроды 6C, 6D устанавливаются на соответствующую стенку 220A, 220B трубопровода 220 для нисходящего потока, так что внутренние электроды 6C, 6D располагаются в центральном отверстии соответствующего большего кольцеобразного внешнего электрода 6A, 6B. Обычным специалистам в области техники будет понятно, что внутренняя пара электродов 6C, 6D электрически изолируется от внешней пары электродов 6A, 6B.
[0076] Все четыре электрода 6A, 6B и 6C, 6D производятся из подходящего металла, такого как нержавеющая сталь 316, медь или их электропроводный металлический сплав. Каждый электрод внешней пары электродов 6A, 6B может принимать любую разумную форму. В предпочтительном варианте осуществления эти два электрода 6A, 6B являются либо круглыми, либо прямоугольными по форме и имеют отверстие, протягивающееся практически через центральный фрагмент электрода 6A, 6B. Форма каждого электрода внутренней пары электродов 6C, 6D для обнаружения AC-напряжения может также принимать любую разумную форму. Однако, в предпочтительной форме, эти два электрода 6C, 6D являются, как правило, круглыми по форме. Изобретатели обнаружили, что внутренняя пара электродов 6C, 6D для обнаружения AC-напряжения должна располагаться очень близко к внешней паре электродов 6A, 6B.
[0077] Сборный лоток 210 и проточный трубопровод 220 направляющей потока в идеале изготавливаются из непроводящего материала, такого как, например, поливинилхлорид (PVC) или подходящая электроизоляционная керамика для предотвращения какой-либо утечки электрического тока. Коаксиальные кабели 230, 235, используемые для соединения соответствующих электродов 6A, 6B и 6C, 6D со средством формирования сигнала измерителя 200 электрического импеданса, заключаются в полиуретановую (PU) оплетку. Опять, по тем же причинам, что приведены выше, коаксиальные кабели 230, 235, применяемые в этой прикладной задаче, имеют длины менее 2,0 м.
[0078] Что касается наблюдения плотности тяжелой среды, изобретатели обнаружили, что размер площадей поверхности двух пар электродов 6A, 6B и 6C, 6D и соответствующий зазор между каждой из этих пар электродов 6A, 6B и 6C, 6D должны быть аккуратно выбраны, так что величина электрического импеданса технологической воды находится в диапазоне 10-1000 Ом в условиях, обычно встречающихся на углеобогатительных фабриках.
2
2
[0079] Действительно, как схематично представлено на фиг. 5, площадь контактной поверхности каждого из внешней пары электродов 6A, 6B для приложения AC-тока с постоянной амплитудой к многофазной текучей среде, по меньшей мере, вдвое больше площади поверхности каждого из внутренней пары электродов 6C, 6D, сконфигурированных для обнаружения AC-напряжения. Более конкретно, площадь поверхности каждого из внешней пары электродов 6A, 6B находится в диапазоне от приблизительно 0,25 см до приблизительно 25 см, а площадь поверхности каждого и внутренней пары электродов 6C, 6D должна быть меньше половины размера площади поверхности внешней пары электродов 6A, 6B. Зазор между каждой парой из двух пар электродов 6A, 6B и 6C, 6D находится в диапазоне от приблизительно 10 мм до приблизительно 100 мм.
[0080] Так как системы измерения напряжения всегда имеют очень высокий входной импеданс, любой электрический ток, проходящий через пограничную область непосредственно рядом с внутренней парой обнаруживающих напряжение электродов 6C, 6D, берется ничтожным. Когда электрический ток проходит между этой парой электродов 6C, 6D, измеренное напряжение является эффективной разностью потенциалов в объемной фазе водно-магнетитового шлама.
[0081] Изобретатели подметили, что, если площадь поверхности внешней пары электродов 6A, 6B является относительно большой, и каждый электрод внутренней пары электродов 6C, 6D для обнаружения напряжения располагается в центральном отверстии соответствующего одного из внешней пары электродов 6A, 6B, то ток, проходящий через объемную фазу (которая является жидкой фазой) между электродами 6C, 6D для обнаружения напряжения, в основном, является таким же, что и приложенный ток. Так как и напряжение, и электрический ток, измеренный посредством измерителя 200 электрического импеданса, ассоциируется, главным образом с объемной фазой, вычисленная величина электрического импеданса будет подвержена преобладанию величины электрического импеданса объемной фазы.
[0082] Здесь, изобретатели обнаружили, что плотность тяжелой среды, такой как водно-магнетитовый шлам, или объемная доля магнетита в водно-магнетитовом шламе, могут наблюдаться с помощью измерителя 200 электрического импеданса, чтобы получать показатели величины электрического импеданса (Ом) при двух значениях частоты. Одно из измерений величины электрического импеданса выполняется при значении частоты (далее в данном документе названном "характеристическим значением частоты"), при котором измеренная величина электрического импеданса не подвергается влиянию плотности среды водно-магнетитового шлама (при той же температуре и проводимости воды) для заданной пары электродов 6A, 6B и 6C, 6D и соответствующей длины коаксиальных кабелей 230, 235, соединяющих эти электроды 6A, 6B и 6C, 6D с измерителем 200 электрического импеданса.
[0083] Аналогично ситуации, описанной выше относительно измерения показателей величины электрического импеданса для фазовых составляющих многофазной текучей среды, ассоциированной с процессом пенной флотации, изобретатели обнаружили, что эти показатели величины электрического импеданса опять же лучше всего получаются при значениях частоты, выбранных в узком диапазоне 20-120 кГц, в результате чего, характеристическое значение частоты, которое лучше всего определяется посредством эксперимента для данного электродного узла и длины коаксиального кабеля на основе рабочих условий конкретной ситуации на углеобогатительной фабрике, определяет верхний предел (120 Гц) частотного диапазона, тогда как второе значение частоты, которое определяет нижний предел, выбирается на основе того, что оно должно быть меньше характеристического значения частоты, но все еще должно быть подходящей частотой, чтобы гарантировать, что показатели величины электрического импеданса, когда нормализованы к характеристическому значению частоты (100 кГц), определяют линейную область.
[0084] Что касается характеристического значения частоты, изобретатели обнаружили, что посредством измерения величины электрического импеданса водно-магнетитового шлама, содержащего магнетит с различными относительными плотностями среды (в диапазоне от 1,12 RD до 1,85 RD) во множестве значений частоты в частотном диапазоне 10-120 кГц, с помощью измерителя электрического импеданса графики полученных данных величины импеданса в зависимости от логарифма частоты для каждой плотности среды будут пересекаться в одном и том же значении частоты. Это значение частоты является характеристической частотой.
[0085] Затем с учетом второго значения частоты изобретатели идентифицировали, что для используемой конфигурации электродов 6A, 6B, 6C и 6D и соответствующих длин (менее 2,0 м) коаксиальных кабелей 230, 235, соединяющих эти электроды с измерителем 200 электрического импеданса системы измерения, показанной на фиг. 5, второе значение частоты (нижний предел) может быть выбрано из диапазона 20-80 кГц. Т.е., нижнее значение (20 кГц) соответствует пределу линейного фрагмента или угловому коэффициенту, созданному посредством этой измерительной системы, а верхнее значение (80 кГц) соответствует частоте, которая достаточно отдалена от характеристического значения частоты, с тем, чтобы предоставлять возможность достаточного количества точек данных, чтобы линеаризовать данные точно.
c
c
c
[0086] Фиг. 6 показывает график относительной плотности (RD) тяжелой среды водно-магнетитового шлама в зависимости от отношения (Z/Z) величины (Z) импеданса среды, измеренной при выбранной частоте 54 кГц, к величине (Z) импеданса среды, измеренной при характеристическом значении частоты, определенном равным 100 кГц для электродного узла и длины кабеля, используемых в экспериментах. Как показано посредством наклона на этом чертеже, среда или относительная плотность (RD) магнетита в водно-магнетитовом шламе линейно сопоставляется с отношением Z/Z.
c
[0087] Измеритель 200 электрического импеданса, таким образом, обеспечивает измерение величины импеданса, которая, когда нормализована к величине импеданса при 100 кГц (для определенной в настоящий момент конфигурации электродов и кабелей), является пропорциональной объемной доле присутствия магнетита и, таким образом, относительной плотности (RD). Следовательно, отношение Z/Z является пропорциональным относительной плотности (RD) и объемной доле магнетита в водно-магнетитовом шламе.
[0088] Здесь, изобретатели также признали, что характеристическое значение частоты может увеличиваться с соответствующими увеличениями в: (i) величине электрического импеданса, получающемся в результате поверхностного контакта тяжелой среды, такой как магнетит, взвешенный в водно-магнетитовом шламе, с поверхностями четырех электродов 6A, 6B и 6C, 6D и (ii) длине соединяющего коаксиального кабеля 230, 235; и может уменьшаться с (iii) соответствующим уменьшением в импедансе поверхностного контакта, измеряемом между парой электродов 6C, 6D для обнаружения напряжения.
[0089] Таким образом, если конфигурация электродов или длины кабелей (как определено в настоящий момент в данном документе) изменяется, или даже если шум, создаваемый измерителем 200 электрического импеданса, является другим, то специалистам в соответствующей области техники будет понятно, что другие наборы экспериментов будут необходимо выполнять с помощью измерителя электрического импеданса, чтобы определять характеристическое значение частоты.
[0090] Таким образом, изобретатели обнаружили, что посредством использования измерителя 200 электрического импеданса при двух выбранных значениях частоты в этом узком диапазоне (20-120 кГц) вместо охватывания широкого диапазона частот (от 10 Гц до 1 МГц) возможно быстро получать повторяющиеся показатели в гораздо более коротких временных рамках по сравнению с выполнением сканирования частотного диапазона от 10 Гц до 1 МГц с помощью спектрометра электрического импеданса.
[0091] Отдельным преимуществом способа этого конкретного варианта осуществления является то, что показатели величины электрического импеданса (Ом) могут быть получены и повторены быстро в течение очень короткого периода времени, тем самым, ведя к получению более точных данных для быстро протекающих многофазных текучих сред, таких как шламы, в значительно более коротких, почти в реальном времени, временных рамках по сравнению с традиционными технологиями онлайн-наблюдения.
[0092] Ссылки
Process Monitoring using Electrical Impedance Spectroscopy
[0093] Hu, S. and Firth, B., (2002), “”, ACARP Project C9045 Report.
Process Monitoring for DMC using EIS Plant-Based Trials
[0094] Hu, S. and Firth, B., (2005), “”, ACARP Project C9045-Stage 2 Report.
On-Line Monitoring and Control of DMC Separation Density and Efficiency
[0095] Hu, S. and Firth, B., (2007), "", ACARP Project C13058 Final Report.
[0096] Определения
[0097] Всякий раз, когда диапазон приводится в этой спецификации, например, температурный диапазон, временной интервал или диапазон концентрации, все промежуточные диапазоны и поддиапазоны, также как все отдельные значения, включенные в приведенные диапазоны, предназначаются для включения в изобретение. Будет понятно, что любые поддиапазоны или отдельные значения в диапазоне или поддиапазоне, которые включаются в описание в данном документе, могут быть исключены из формулы изобретения в данном документе.
[0098] Следует понимать, что все определения, задаваемые и используемые в данном документе, контролируются согласно словарным определениям, определениям в документах, включенных по ссылке, и/или обычному смыслу задаваемых терминов.
приблизительно
[0099] На всем протяжении этой заявки термин "" используется для указания, что значение включает в себя свойственную разновидность погрешности для устройства, способа, применяемого для определения значения, или отклонение, которое существует между субъектами исследования.
[0100] Неопределенные артикли "a" и "an", при использовании в данном документе в спецификации, если явно не указано иное, должны пониматься как означающие "по меньшей мере, один".
[0101] Фраза "и/или", при использовании в данном документе в спецификации, должна пониматься как означающая "один или оба" из элементов, сочетающихся таким образом, т.е. элементов, которые совместно присутствуют в некоторых случаях и отдельно присутствуют в других случаях. Несколько элементов, перечисленных с "и/или", должны трактоваться одинаково, т.е. "одни или более" из элементов, сочетающихся таким образом. Необязательно могут присутствовать другие элементы, отличные от элементов, конкретно идентифицированных посредством выражения "и/или", будь то связанные или несвязанные с конкретно идентифицированными элементами. Таким образом, в качестве неограничивающего примера, ссылка на "A и/или B", когда используется в связи с пространным выражением, таким как "содержащий", может ссылаться, в одном варианте осуществления, только на A (необязательно включающий в себя элементы, отличные от B); в другом варианте осуществления, только к B (необязательно включающий в себя элементы, отличные от A); в еще одном варианте осуществления, как к A, так и к B (необязательно включающие в себя другие элементы); и т.д.
внутренний
внешний
под
ниже
нижний
выше
верхний
[0102] Пространственно относительные понятия, такие как "", "", "", "", "", "", "" и т.п., могут использоваться в данном документе для легкости описания, чтобы описывать один элемент или соотношение признака по отношению к другому элементу(ам) или признаку(ам), как иллюстрировано на чертежах. Пространственно относительные понятия могут быть предназначены, чтобы охватывать различные ориентации устройства в эксплуатации или работе в дополнение к ориентации, изображенной на чертежах.
[0103] В то время как изобретение было описано вместе с ограниченным числом вариантов осуществления, специалистам в области техники будет понятно, что множество альтернатив, модификаций и разновидностей в свете предшествующего описания являются возможными. Соответственно, настоящее изобретение предназначается, чтобы охватывать все такие альтернативы, модификации и разновидности, которые могут попадать в дух и рамки изобретения, которое описывается.
[0104] Когда термины "содержать", "содержит", "содержится" или "содержащий" используются в этой спецификации (включающей в себя формулу изобретения), они должны интерпретироваться как указывающие присутствие изложенных отличительных признаков, целых частей, этапов или компонентов, но не исключающие заранее присутствие одного или более других отличительных признаков, целых частей, этапов или компонентов или их группы.