摘 要: 针对精矿浆体管道输送流量难以准确检测的问题，在浆体管道输送试验基地进行输运试验与研究。分析精矿流体特性与浆体浓度变化及气泡等对电磁流量计检测流量的影响。设计一种基于多传感器信息融合的流量检测系统，给出其检测系统结构框图。提取流体状态的特征量: 差压波动系数、流量波动系数、浆体密度等，并研究其与流量的相关性。将精矿浆体管道输送过程划分为5 个阶段，根据特征量识别所获数据所处阶段。采用分层产生式规则的专家系统对每个阶段检测的流量进行真伪辨别和融合修正处理。给出了带浆停泵再启动与多泵串联批量输送铁精矿浆体的流量试验曲线，说明系统能在各种工况下准确地检测输送流量。
1 引 言
浆体管道输送的颗粒状物料包括矿山的精矿与尾矿、洗煤厂的粉煤、泥沙等，它们与水的混合物即为浆体。精矿浆体管道输送属几种典型浆体管道输送之一，其特点为输送地型复杂、输送距离长。近年我国已建成并正在输运的有山西太钢尖山铁精矿、瓮福磷精矿、大红山铁精矿等多条精矿浆体输送管线[1-2]。为了保证精矿浆体长距离管道输送安全、高效运行，对输送流速必须严格控制[3]，因此输送流速的准确检测尤为重要。但管道输送固液两相流流量检测技术在国际上尚属一个亟待探索开发的领域。文献[2]认为: “由于矿浆浆体特殊的物理性质，长距离矿浆管道输送过程中流量的测量和计量一直是行业内难以解决的问题，目前世界范围内还没有一种能够对矿浆流量进行准确计量的仪表”。目前多相流流量检测技术与装置已处于研究探索阶段[4]。已有成熟的单相流仪表( 涡街流量计、超声波流量计) 等应用于两相流流量检测研究[4-5]。文献[6]提出“在固相含量高且颗粒度复杂情况下，电磁流量计成为测量矿浆等一类电导率较高，固相含量高的液体首选”。但是未见电磁流量计应用于固液两相流体中影响因素的系统实验报告[6-7]。目前已有采用新技术如过程层析成像技术[4，7-8]以及多传感器融合技术进行两相流流量检测的研究，但都是以气液、液液两相流为研究对象[4，7，9]。针对固、液两相流实时流量检测的研究甚少。本文介绍了复杂地形浆体管道输送试验基地及试验研究。采用单个电磁流量计进行了流量测试; 从试验得出影响流量检测准确性的因素与原因。重点讨论了所开发的多传感器信息融合的流量专家检测系统结构、特征量、融合算法与策略，通过试验验证该系统能够实现铁精矿浆体输送过程流量稳定测控。
2 试验装置与电磁流量计测量原理
2. 1 试验装置
在国家科技支撑计划课题资助下，建成了复杂地形浆体管道输送试验基地。目前有 2 套独立的试验平台:约 300 m 长的复杂地形浆体管道输送工艺试验平台( 简称平台 1) 。管道长约 320 m 模拟复杂地形多泵站管道输送平台( 简称平台 2) 。图 1 所示为平台 2 的管网与动力与仪表分布示意图。
2 套平台都由泵机组及动力、变频器调速系统、上、下坡与水平管道、各种传感器变送装置、流量标定箱等组成。平台 1 与平台 2 主要区别为前者只有 1 台泵、管线内径为 203 mm，后者有 2 台泵、管线内径为 50 mm。每台泵出口的垂直管上分别安装了 E-mag 电磁流量计。在浆体管道输送试验基地上开发了 2 级计算机的数据采集与测控系统，简称 SCADA( supervisory control and data ac-quisition) 系统。本文试验分别在两平台上进行，采用精矿为颗粒≤0.15 mm 及固体密度为4 270( kg/m3) 的某管道工程实际输送的铁精矿沙。
2. 2 电磁流量计测量原理与检测条件
电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律的一种测量导电性液体体积流量的仪表。根据 Shercliff 电磁流量计测量理论[10]有:
式中: U为电磁流量计感应电势输出，w为权重函数，是用来表示各流体微元对电极电势的贡献程度的量，v 为局部流速分布，B 为磁感应强度分布，S 为流道内流体占据的截面积。称式( 1) 为输出电势的积分方程。通过分析简化推导[7，10-11]，可归纳使用和设计电磁流量计必须遵守如下条件: 1) 磁场是均匀分布的恒定磁场; 2) 被测流体的流速轴对称分布; 3) 被测液体是非磁性的; 4) 被测液体的电导率均匀且各向同性。在以上条件满足后就可得到电磁流量计感应电势 U 与被测量介质的流速成正比: U =kBD珋v，其中 k 为系数，B 为磁感应度，D 为测量管道内径; v珋 为测量管内电极截面轴线方向平均流速。穿过测量管横截面的液体的瞬时体积流量为 Q( m3/ h) :
因为工程上需要显示与控制的是浆体输送流速，根据以上电磁流量计提供的体积流量 Q，可由式( 3) 得管道浆体平均流速 v( m/s) :
3 单个电磁流量计流量检测的误差
3. 1 精矿管道输送流体特性
文献[1]认为铁精矿浆体两相流模型: “在一定的浆体管流条件下，往往小于某一粒径的颗粒( 简称细颗粒)则主要以悬移形式运动而形成均质流，大于该粒径的颗粒( 简称粗颗粒) 主要以滑移形式运动在细颗粒形成的均质流中”。本文讨论的精矿矿浆两相流输送流量是指浆体平均流量或者流速。
长距离精矿浆体的输送要求是进入管道系统的浆体流量及浓度在既定的时段内维持不变，当物料给入量不足时，则采取水浆交替的批量输送运行或全程充水定时停运的间断输送运行。影响输送流量因素多同时检测的约束条件复杂。在铁精矿管道输送过程可划分成多个工况，不同工况在电磁流量计进行测量都会有不满足上列使用条件的问题。例如在水浆交替会产生介质物性: 密度、黏度、电导率的大的变化会严重影响流量检测准确性。
3. 2 密度变化对流量检测的影响
在试验基地设计了辅助输送流量标定测试装置，可高精度完成不同浓度的流量段的测试与标定。辅助流量标定测试装置采用体积法所测流量值，与电磁流量计所测同时段流量值比较: 2 种方法测量的流量值在输送清水时基本一致，而在输送矿浆时却相差较大。这是因为电磁流量计的感应电动势随着密度增高而增高，电磁流量计所测流量值较真实流量值增大。从后面给出的多泵顺序批量输送流量测控试验曲线中，可看出流量曲线受浆体密度大小、分布均匀性因素的影响是很大的。
3. 3 气泡与非对称流动对流量检测的影响
图 2 所示为在平台 1 上某一次输送精铁矿浆直接停泵以后，带浆再启动的试验实时曲线。图 2 中有较大脉冲干扰信号起伏的为单个电磁流量计采集的流量实时曲线，而在同一工况下管网沿线压力变送器所测水平、上坡、下坡管道压力的实时曲线相对比较平稳。究其原因是启动时没有进行排气，管道内存在气泡，因电极有时被气泡盖住使电路瞬时断开，电磁流量计输出电势为零或者突跳。同时由于沉积浆体启动时在流动未达到充分发展前流动不对称，矿物颗粒分布不均匀，与电极表面的接触电化学电势不断变化，也造成了尖脉冲状的干扰。
4 多传感器信息融合的流量检测系统
输送浆体的两相流流体物性和流动特性复杂，采用单个电磁流量计难以实现输送流量准确测量。在试验基地上进行的大量的浆体输送测控技术的试验研究，总结出浆体流量与多种传感器信息: 差压变送器检测的差压波动信号、变频器运行相关参数变化、浆体密度大小等的相关性，对流量值影响度等，以知识表示的形式建立数据库，开发了一套完整的实时多传感器信息融合处理的流量检测专家系统。
4. 1 信息融合的输送流量专家检测系统的结构
总结了大量的试验的先验知识，本文提出 IF-THEN规则形式的分层产生式专家信息融合的算法，根据其融合的层次和输出结果、目的不同，将其分成 3 类: 数据、特征、决策级融合[7，12]。信息融合的输送流量专家检测系统结构模型如图 3 所示。按数据处理的层次和融合的位置进行了划分。第 1 级是数据采集与信息特征提取级，如图 3 的虚线框之下部分所示; 第 2 级是高层处理，如图3 的虚线框之内所示，由知识库、推理机、中间数据库、输入/输出模块组成。
4. 2 第 1 级数据采集与信息处理特征提取级
图 3 第 1 级数据采集与信息处理特征提取级所示包括 2 个内容: 数据采集与预处理，提取特征信息及其与流量检测的相关性。
4. 2. 1 数据采集与预处理
流量检测时电磁流量计采用可靠接地，避免受周围电磁场等因素产生的噪声影响。高速采集 CECC 型电容式差压变送器、CECy153 型电容式压力变送器、E-mag 电磁流量计转换的 4 ～ 20 mA 信号，经 A/D 转换分别转换成为差压、压力、流量数字信号，采取如下加权滑动平均滤波算法进行预处理:
滤波后抑制小幅度高频噪声减少了纹波。变频器实时运行状态参数从变频器 Profibus 通信口读取。
4. 2. 2 提取特征信息及其与流量检测的相关性
提出描述精矿浆体管道输送流体状态相关的主要特征量及其具体检测公式如下:
1) 差压波动系数
首先从差压波动序列中提取特征参数[13]。关于波动系数 ξ 与流体流型关系及公式推导见文献[4，14]。本文提出如下的差压波动系数:
2) 流量波动系数
3) ξΔp、ξq与流量的相关性
图4 为在平台 1 环管输送流量测试曲线( 矿浆浓度64. 9% ) 。试验时变频器由启动开始，其运行频率由小到大变化，然后阶梯式减少，最后到停止。图 4( a) 中 1 号曲线为差压变送电流，2 号曲线为流量变送电流，皆为密集采集的连续测试曲线。对应同一试验时间，取时间间隔不等的19 个采样标定测试点，图 4( b) 为 19 个点差压、流量变送电流值，图4( c) 为19 个点差压、流量波动系数值。
从图 4( b) 、( c) 可见采样标定点流量与差压值变化与波动系数变化具有相似性。流体速度变化的越剧烈，波动系数越大。而两相流动越稳定，波动系数越接近 1。在下面数据融合处理中就是利用 ξΔp、ξq与流量的相关特性对采集的流量值进行识别真伪与处理。
4) 流量与泵变频器频率比特征量
通过试验总结如下结论: 在泵变频器频率幅度变化不激烈、阀门不突然切换的一定条件下，泵变频器频率与精矿浆体的输送流量( 流速) 近似成正比例的关系。为了应用该比例定理进行采集的流量值进行判断与处理。
定义了如下特征量:
5) 浆体密度
通过试验总结如下结论: 需要根据浆体密度大小对流量进行修正。为了适应矿浆现场环保的需要，取代核子密度计。将来自水平与垂直 2 台电容式差压变送器的信息，融合成的浆体密度在线检测计算式:
离，k2为垂直管差压计换算系数，ρ0、ρ1分别为清水与差压计的传压介质的密度系数，im为水平摩阻，由水平差压传感器测量值经计算后获取。
4. 3 第 2 级融合高层处理
融合高层处理如图 3 的虚线框之内所示，基于产生式规则的专家系统的框架。专家知识数据库用于存放由信息处理和融合完成特征，实时数据外，问题的初始状态、事实或证据、中间推理结论和最后结论、特征模型等。
采用一种新的推理树结构[15]，把规则按推理的顺序分层分类别地进行存储。本系统将输送过程分成 5 个工况段的特征模型，分 2 层进行信息识别、融合修正处理，达到了最大限度地利用多传感器提供信息，抽取有关对象或 环境的特征信息，保证高效快速处理输送流量的强干扰、非线性。
4. 3. 1 管道输送过程的特征模型
根据精矿浆体管道输送过程常采用的定浓度批量输送方式。将输送过程划分成泵启动段、清水段、水浆切换段、浆体输运段、开始停泵段 5 个阶段。每一个阶段用特征状态i表示，则管道输送过程的特征模型的集合 Φ 如下:
根据开关状态与模拟量大小通过识别智能设置标志段，采用 wi用来判断当前数据所处阶段的规则，则特征模型识别规则集合 W 如下:W = { w1，w2，w3，w4，w5} ，其中下标分别代表5个不同特征状态。如假定浆体输运段采用定浓度浆体密度是ρm= 1 900( kg·m3) 则第 4 段推理规则：
即以上规则表示满足条件则为4即浆体输运段，t为系统运行时间，t4为完成水浆切换所需要的阈值时间。
4. 3. 2 决策推理规则与处理
识别特征状态确定所处特征模型某个段之后，分 2层采用不同的规则处理。
1) 第 1 层 R1
R1是对检测的流量数据真伪与可信度识别与数据融合处理规则集:
如果不满足规则 r141，需要采用处理子程序 1、2 进行进步推理与处理。根据与流量相关的特征量: ξΔp、ξq大小，βn、βv关系进行判断; 识别 νr( k) 是否为虚假数据，如果是，则剔除该数值。取前面已经获取的第 1 层处理得到的 m个递推流速测量值: νc( k - 1) …νc( k - m) 取加权算术平均值[16]，再利用 βn、βv进行修正，经过融合处理得到的 νc( k) 。
2) 第 2 层子 R2
经过第 1 层处理得到的流速测量值，还必须根据浆体密度大小分 5 段进行流速修正，其规则集 R2如下：
在线根据浆体密度大小分段修正流量各段采用相同形式的校验公式。
5 试验与分析
在基地的 2 个平台上完成了大量不同工艺与参数测控试验。下面给出其中模拟现场输运工艺的 3 个试验及其实时曲线。
1) 带浆停泵再启动的试验实时曲线分析
图 5 与图 2 同为在平台 1 上开展的带浆停泵再启动工艺输送试验参数实时曲线。带浆停泵再启动是输送最难测控的工况，图 5 中流量曲线 Q 比同图中压力变送器输出的实时曲线 p1纹波还小。说明通过融合处理后的输送流量消除了大幅度脉冲干扰。真实反映了带浆停泵再启动流量变化过程。
2) 多泵顺序批量输送流量测控试验曲线分析
针对研究复杂地形管道多泵站输送流速测控技术的需求，研究设计出了多种试验流程。下面给出在试验平台 2 进行 1#、2#泵站直接串联( 图 1 阀 4 打开) 批量输送试验: 需要完成 1#、2#泵先后启动、水-浆切换、矿桨输送、浆水切换及停车 5 阶段输送流速闭环测控试验。图 6( a) 、( b) 、( c) 为同一时刻批量输送试验( 浆体浓度为62. 5% ) 的不同记录的画面。图 6( a) 为 2 台泵 3 种输送参数的变化实时运行画面; 图中有 6 条曲线: 1、2 对应 1号、2 号泵电机实际频率 f/Hz; 3、4 对应 1 号、2 号泵流速v( m / s) ; 5、6 对应 1 号、2 号泵浆体密度 ρm( kg/m3) 。批量输送试验是在几十分钟的时间内完成 2 个泵的先后启动-调节-停止，同时随着7 个电动阀门的切换输送流体由清水到浆体的变化，在动态切换的过程中实现输送流速 的给定 1.6 m/s 稳定测控是非常不容易的。首先归功于浆体的固液两相流达到了测量的精确性和重复性。在图6( a) 浆体密度曲线 5、6 两次阶梯式变化是由于水浆切换或者浆水切换引起。切换时 2 台泵变频器频率不变，但输送浆体浓度突然增大或减小。
图 6( b) 、图 6 ( c) 是 6( a) 同一个试验记录的修正前后输送流速曲线。从图 6( b) 可看出修正前的流速同时突然变化增大，最高达到 3 m/s，流速增加接近 1 倍，与实际标定流量相差较大，与动力输出情况不符。而从图6( c) 可看通过融合修正后的流速 vo则不存在上述问题。
3) 多泵顺序批量输送双输出流速曲线分析
图 7 为另一次浆体为浓度 65% 的批量输送试验曲线。在此分析采用 2 台电磁流量计同时对 2 台泵出口位置进行流速检测情况。对照图 7( a) 、( b) 可以看出在图7( a) 浆体浓度曲线变化时，在图 7( b) 2 台泵的修正前的流速发生剧烈的变化; 同一串联管道上不同位置检测的流速存在明显的差别。这与 1#、2#泵站直接串联时流量应该基本一致的工程实际情况不相符，也与同时段通过实际标定测得的流量相差较大。图 7( c) 经过融合修正后，1#与 2#号泵的流速曲线差别很小，与实际情况相符。
以上在图 6、7 中试验在短时间内 2 台泵与 7 个阀门都进行了启动与停止的切换，浆体物性变化大。通过两平台不同的试验流程的实验曲线证明该系统可克服现场各种干扰，真实准确的检测输送流量的实时变化。
6 结 论
本文从电磁流量计检测原理出发，通过试验研究提出矿浆密度、气泡、非对称流动等对电磁流量计测量精度影响大，使测量结果产生较大波动。构造与实现了基于多传感器信息融合的复杂输送过程流量专家检测系统。研究多个与流量相关的特征量: 差压信号波动系数、流量波动系数、浆体密度等，并提出具体的检测计算公式。通过分层产生式专家信息融合的算法进行分段信息识别、虚假数据剔除、融合修正得到准确检测的浆体输送流量。通过单泵带浆启动与多泵顺序批量输送试验，证明该系统解决了铁精矿浆液、固两相流中随流量浆体密度增大而变大问题，大大减小了流体噪声的影响，提高了在输送的各阶段高浓度、变浓度浆体流量检测的可信度和稳定度。可满足精矿浆体输送过程各种工况对流量实时测控 要求。
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作者简介
何成，分别于 2001、2004 年在中南大学获得学士、硕士学位，现为湖南大学在读博士研究生，主要研究方向为智能控制与模式识别。E-mail: hechenghecheng@ hotmail. com
王耀南，1994 年于湖南大学获得博士学位，现为湖南大学教授、博士生导师，主要研究方向为智能控制理论与模式识别。E-mail: yaonan@ hnu. cn
邹伟生，于 2005 年北京科技大学获得博士学位，现为湖南大学教授，主要研究方向为多相流理论及其应用技术。
