專(zhuān)利名稱(chēng)：沉降過(guò)程分析裝置和方法
背景技術(shù)：
精確確定沉降粒子的淀積層面(bed level)對(duì)于控制澄清槽(諸如，澄清器、濃縮器和鋁和煤沉降器)是十分重要的。在操作沉降器期間，通過(guò)管道將由載有粒子(諸如，鋁、固體廢物或煤)的液體形成的稀漿(slurry)通到中心頂部，即，澄清槽的“中心井(center well)”。于是，把稀漿卸入中心井中，使粒子沉降在槽的底部。沉降粒子形成淀積層，而且在廢物懸浮體和其上的液體之間的液固界面是淀積層面。然而，通常在稀漿中的粒子不立即沉降到底部，而是仍然懸浮在槽中形成“混濁團(tuán)(cloud)”，該混濁團(tuán)能產(chǎn)生或者就是擾動(dòng)(upset)狀態(tài)的預(yù)報(bào)器。關(guān)于淀積層面的位置和/或混濁團(tuán)尺寸及強(qiáng)度的知識(shí)對(duì)于控制添加到槽中的化學(xué)制劑或絮凝劑的量以控制沉降過(guò)程是十分重要的。
由于缺乏可靠的測(cè)量?jī)x器，所以由人工方式控制濃縮器和澄清器中的沉降速率。通過(guò)把從澄清槽提取的稀漿樣品置入量筒中，并采用光電池或視覺(jué)觀測(cè)以測(cè)量懸浮粒子在量筒內(nèi)下落給定距離的時(shí)間，人工確定沉降速率。這種方法雖然簡(jiǎn)單和廉價(jià)，但是不是測(cè)量沉降速率的可靠方法，這是因?yàn)樗蕾?lài)于從沉降器獲得有代表性的樣品、在沉降器外部執(zhí)行而且它的精確度依賴(lài)于觀測(cè)人員。
還可通過(guò)運(yùn)用簡(jiǎn)單的非相干式魚(yú)探機(jī)(non-coherent fish finder)(A模式)超聲波系統(tǒng)，確定沉降粒子的淀積層面。在A模式系統(tǒng)中，換能器(transducer)把超聲波脈沖送到盛在“沉降器”中的粒子懸浮體內(nèi)。低電平回波從沉降淀積層的表面返回。如果已知超聲波脈沖的速度，那么通過(guò)運(yùn)用熟知的距離方程，可以根據(jù)在發(fā)射脈沖和返回回波之間的時(shí)間計(jì)算到沉降粒子的淀積層面的距離d＝ct/2其中，d＝到目標(biāo)的距離c＝在液體或其它介質(zhì)中的聲速t＝從換能器脈沖到回波返回的往返時(shí)間。
當(dāng)存在明顯的淀積層面邊界，而且該邊界實(shí)質(zhì)上與超聲波換能器路徑垂直的情況下，現(xiàn)有技術(shù)的簡(jiǎn)單A模式系統(tǒng)是有用的。然而，如果淀積層面邊界不是近似地與換能器路徑垂直，或者當(dāng)不存在明顯的淀積層邊界時(shí)，那么來(lái)自淀積層面的回波可能是模糊或不可檢測(cè)到的。此外，在可能存在淀積層面的未沉降粒子中，A模式超聲波系統(tǒng)只提供極少或不提供任何關(guān)于沉降器性能的信息。
當(dāng)前，非相干A模式系統(tǒng)不能可靠地檢測(cè)淀積層面、混濁團(tuán)層和混濁團(tuán)層特征。因此，需要可靠和精確地確定是否存在淀積層面和混濁團(tuán)層以及在混濁團(tuán)層中的粒子活動(dòng)。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種用于檢測(cè)和控制在稀漿中的沉降微粒的淀積層面。本發(fā)明還可用于控制在稀漿中的微粒沉降速率。本系統(tǒng)包括用于把超聲波脈沖發(fā)送到在沉降器內(nèi)的稀漿的超聲波換能器。系統(tǒng)還采用預(yù)放大-接收機(jī)來(lái)檢測(cè)來(lái)自稀漿中的微粒的回波。處理這些回波來(lái)確定沉降微粒的淀積層面、混濁團(tuán)的存在以及在沉降器中的混濁團(tuán)的微粒活動(dòng)和微粒的沉降速率。淀積層面和沉降速率還可用于控制將化學(xué)制劑、稀漿添加劑等添加到沉降槽。
在本發(fā)明中采用的系統(tǒng)可以在下列相干模式中的任一種模式下進(jìn)行操作(i)峰值方法(相干A模式)，當(dāng)?shù)矸e層面存在時(shí)對(duì)其加以檢測(cè)，(ii)移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)模式，檢測(cè)微?；鞚釄F(tuán)并評(píng)估它們的特征以及檢測(cè)淀積層面，和(iii)多普勒處理模式，檢測(cè)在沉降槽中的液體懸浮物的上升和下降微粒速度。峰值方法和移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)模式被稱(chēng)為圖像模式。
在另一方面，本發(fā)明提供用于確定在液體稀漿中沉降微粒的淀積層面的位置的系統(tǒng)和方法。本方法包括將第一頻率的超聲波從換能器發(fā)送到具有沉降微粒的淀積層和沉降微粒的混濁團(tuán)的稀漿中。超聲波從淀積層產(chǎn)生回波和從沉降微粒產(chǎn)生回波。從回波產(chǎn)生數(shù)字和模擬電信號(hào)，而且處理電信號(hào)來(lái)表示微粒的淀積層面和沉降特征。
另一方面，本發(fā)明提供用于識(shí)別淀積層面和沉降微粒的系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用用于把超聲波信號(hào)送入稀漿的換能器。將超聲波信號(hào)作為由預(yù)放大-接收機(jī)捕獲的回波反射。預(yù)放大-接收機(jī)把回波轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。將這些信號(hào)送到各個(gè)正弦和余弦信道，那里將那些信號(hào)與在混頻器中的正弦或余弦信號(hào)相乘并濾波來(lái)除去混頻器的高頻產(chǎn)物。模擬開(kāi)關(guān)把所得新模擬信號(hào)復(fù)接到模擬-數(shù)字變換器，把那些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。把數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)捕獲存儲(chǔ)器中用于根據(jù)如下所述的峰值方法、移動(dòng)微粒方法或多普勒方法中的任一種方法進(jìn)行數(shù)字處理。本發(fā)明的系統(tǒng)包括距離相位抵消存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)背景或基線噪聲的時(shí)延型式。
本發(fā)明的系統(tǒng)和方法采用比在現(xiàn)有技術(shù)非相干A模式圖像中更寬的回波檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍。因此，可處理回波來(lái)提供更寬的幅度和相位信息、距離時(shí)延信息、混濁團(tuán)層活動(dòng)信息以及微粒速度信息，諸如沉降速率。
在另一方面，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可用于監(jiān)測(cè)沉降器性能和狀態(tài)，而與是否存在可檢測(cè)淀積層面無(wú)關(guān)。在另一方面，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法能夠從液面到沉降器底部進(jìn)行可靠的檢測(cè)和表示未沉降混濁團(tuán)性能的特征，諸如內(nèi)部微粒活動(dòng)和混濁團(tuán)厚度的特征。因此，可以同時(shí)檢測(cè)和表示多個(gè)未沉降混濁團(tuán)的特征?？梢詫⒔Y(jié)果用作沉降器擾動(dòng)狀態(tài)的指示器。
已簡(jiǎn)要概述本發(fā)明，下面參照說(shuō)明和非限制性例子來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明。如這里說(shuō)用到的，“沉降器”包括諸如澄清器、濃縮器或其它類(lèi)似的裝置。


圖1A和1B是示出測(cè)量淀積層面的技術(shù)的示意圖。圖1A和1B還示出在澄清槽中單極回波幅度對(duì)深度的曲線。
圖2A是示出在稀漿中各點(diǎn)處的回波檢測(cè)的示意圖。
圖2B-2D表示在如圖2A所示的各點(diǎn)處檢測(cè)到的回波信號(hào)。
圖3A-3C示出通過(guò)本發(fā)明處理回波信號(hào)的效果。
圖4是本發(fā)明的系統(tǒng)的方框圖。
圖5是淀積層面控制過(guò)程的示意圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述可將沉降粒子的淀積層面定義為沉降粒子向下速度小于給定值的面，例如，近似于零速度2″/min的程度，或者定義為存在于未沉降粒子混濁團(tuán)和沉降淀積層之間的明顯的可檢測(cè)到的邊界的程度。
圖1A示出在未沉降粒子混濁團(tuán)靠近澄清槽的底部但不重疊淀積層面的情況下的定義明確的淀積層面。因此，來(lái)自淀積層面的回波是清楚和明顯的。圖1A示出來(lái)自淀積層面的回波信號(hào)的幅度。相反，而且如圖1B所示，當(dāng)未沉降粒子混濁團(tuán)重疊淀積層面時(shí)，由來(lái)自粒子混濁團(tuán)的回波分裂來(lái)自淀積層面的回波。結(jié)果，如圖1B所示，來(lái)自淀積層面的回波模糊。
根據(jù)本發(fā)明，而且如圖2A所示，超聲波換能器T把超聲波脈沖發(fā)送到澄清槽內(nèi)的粒子混濁團(tuán)5中。當(dāng)超聲波脈沖遇到粒子混濁團(tuán)、淀積層面或沉降器底部時(shí)，由超聲波脈沖產(chǎn)生的來(lái)自粒子的回波反射回到換能器，而且饋送到前級(jí)放大接收機(jī)P-R。經(jīng)歷在沉降器中處理的材料的粒子大小可隨著處理不同而變化。對(duì)于直徑大約500至3000微米的材料，大約200至500KHz的超聲波頻率能夠檢測(cè)具有高信噪比的未沉降粒子的淀積層面和“活動(dòng)”或“混濁團(tuán)”級(jí)。對(duì)于直徑大約200至500微米的材料，大約500KHz至2.25MHz的超聲波頻率還能夠檢測(cè)具有等同信噪比的淀積層面和“活動(dòng)”或“混濁團(tuán)”級(jí)。對(duì)于經(jīng)歷在澄清器中的處理的較小粒子尺寸的材料，例如，50至200微米，對(duì)于等同的信噪比，超聲波頻率應(yīng)增至2.25到5MHz。
圖2B-D表示對(duì)于在圖2A中的點(diǎn)P1、P2和P3，用多普勒方法以及在本發(fā)明中采用的移動(dòng)粒子檢測(cè)法產(chǎn)生的信號(hào)。在圖2A中的點(diǎn)P3表示在澄清槽的底部的沉降淀積層面。點(diǎn)P2表示在稍高于沉降淀積層面的表面的混濁團(tuán)5中的位置，而且點(diǎn)P1表示在粒子混濁團(tuán)5中的位置。在點(diǎn)P1和P2處，回波信號(hào)隨著時(shí)間在零基線附近變化。變化率依賴(lài)于粒子的速度、換能器頻率和在稀漿中的聲音速度。圖2B和2D示出由這些粒子產(chǎn)生的典型的波形。可由在多普勒方法和移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法中已知的快速傅里葉變換(FFT)處理這些波形，以定位淀積層面。當(dāng)不存在明顯的淀積層面邊界時(shí)，這些數(shù)據(jù)用于評(píng)估淀積層面。相反，來(lái)自在點(diǎn)P3處近似靜止的淀積層面邊界的信號(hào)提供如圖2C所示的恒定或近似恒定的信號(hào)。在圖2C中的波形，當(dāng)利用FFT或移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)模式分析時(shí)，圖2C中的波形給出零或近似零的粒子速度。
在本發(fā)明的每個(gè)多普勒、峰值和移動(dòng)目標(biāo)相干檢測(cè)模式中，將正弦(sin)和余弦(cos)信號(hào)與回波模擬信號(hào)相乘。在每個(gè)正弦和余弦信道中的所得模擬信號(hào)的幅度和頻率包絡(luò)表示沿著超聲波的路徑獲得的來(lái)自換能器的回波數(shù)據(jù)。圖3A示出由來(lái)自不帶有重疊淀積層面的未沉降粒子混濁團(tuán)的顯著的慢速未沉降的淀積層面的回波產(chǎn)生的模擬信號(hào)。圖3B表示從基本上沿著整個(gè)換能器路徑延伸到沉降器底部的未沉降混濁團(tuán)層獲得的回波數(shù)據(jù)的幅度和頻率。圖3C示出從單個(gè)明顯靜止淀積層面獲得的回波數(shù)據(jù)的幅度和頻率。根據(jù)如下所述的正弦和余弦信道數(shù)據(jù)，可以計(jì)算在澄清槽中不同深度的回波幅度數(shù)據(jù)。
參照?qǐng)D4，示出本發(fā)明的系統(tǒng)的方框圖。如圖4所示，作為主振蕩器的元件的可購(gòu)得晶體振蕩器控制時(shí)間和系統(tǒng)的邏輯功能。從Minnesota的Digikey Co.可以購(gòu)得有用的晶體振蕩器。在主振蕩器中的頻率諧振晶體提供系統(tǒng)的穩(wěn)定基本頻率。主振蕩器和邏輯還產(chǎn)生正弦和余弦頻率以與回波信號(hào)相乘，從而在混頻器中產(chǎn)生新模擬信號(hào)。這些正弦和余弦頻率與換能器超聲波頻率相干，而且相互相差90°的相移。由主振蕩器生成并由脈沖發(fā)生器放大的時(shí)間選通(timegated)正弦信道脈沖信號(hào)作為換能器激勵(lì)型號(hào)。所有這些信號(hào)都與晶體振蕩器相干。同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器鏈(未圖示但是主振蕩器塊的一部分)對(duì)晶體振蕩器頻率進(jìn)行分頻以提供所需換能器重復(fù)頻率。例如，在10ft深的沉降器中用到的換能器重復(fù)頻率可在相繼換能器脈沖之間采用0.003秒延遲。時(shí)間延遲允許在發(fā)送下一個(gè)換能器脈沖之前由預(yù)放大接收機(jī)(preamp-receiver)接收從第一換能器超聲波脈沖返回的所有回波。
濾波來(lái)自正弦/余弦信道混頻器的回波信號(hào)以去除高階頻率、進(jìn)到放大器并通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)送到模擬-數(shù)字變換器(ADC)。ADC交替通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)采樣來(lái)自正弦和余弦信道的模擬信號(hào)以轉(zhuǎn)換成數(shù)碼。把所得數(shù)碼送到數(shù)據(jù)捕獲存儲(chǔ)器(data acquisition memory)。在主振蕩器塊中生成完成模擬開(kāi)關(guān)選擇、模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)捕獲存儲(chǔ)器的所有定時(shí)和邏輯信號(hào)，正如熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員所知的那樣。這使得系統(tǒng)與主晶體振蕩器同步，并使得系統(tǒng)相干。
在預(yù)放大接收機(jī)塊中檢測(cè)和放大回波。預(yù)放大接收機(jī)的一個(gè)特性是提供時(shí)間增益控制電壓調(diào)節(jié)?？沙尚螘r(shí)間增益控制電壓來(lái)增加預(yù)放大增益，以補(bǔ)償超聲波脈沖傳向沉降器底部時(shí)的換能器超聲波路徑擴(kuò)展。因此，沿著換能器束路徑(transducer beam path)上所有目標(biāo)的回波幅度趨于均衡，因此提供更加可靠的模擬回波數(shù)據(jù)。
把來(lái)自預(yù)放大接收機(jī)的經(jīng)放大回波信號(hào)送到正弦和余弦混頻器，在那里，由來(lái)自主振蕩器的正弦和余弦信號(hào)與它們相乘。每個(gè)混頻器的模擬信號(hào)輸出包括具有頻率等于換能器激勵(lì)頻率和返回回波頻率之差加上更高頻率項(xiàng)的回波幅度信號(hào)。如圖4所示，由在混頻器之后的濾波器消除更高頻率項(xiàng)。可在放大器中，增大來(lái)自濾波器的正弦/余弦模擬信號(hào)輸出，輸入到模數(shù)變換器以轉(zhuǎn)換成數(shù)字電氣信號(hào)。
從諸如沉降淀積層面的靜止目標(biāo)返回的回波具有與原始換能器超聲波脈沖相同的頻率，然而來(lái)自諸如微粒的移動(dòng)目標(biāo)的回波是等于多普勒頻移的偏移頻率。由下列方程估計(jì)多普勒頻移fd＝(2vft/c)*cos(φ)其中，fd＝多普勒頻移，v＝質(zhì)點(diǎn)速度，ft＝換能器頻率，c＝聲速，和φ＝微粒和換能器超聲波路徑的方向之間的角度。例如，如果微粒沿著垂直方向上或下流動(dòng)，那么φ＝0或180°和cos(φ)＝±1。
如果回波從諸如沉降淀積層面的靜止目的返回，那么正弦/余弦信道模擬信號(hào)輸出如圖3C所示。如圖3C所示，換能器超聲波頻率和回波頻率之間的頻率差大約為零。
正弦或余弦模擬信號(hào)的極性取決于正弦/余弦信號(hào)的相位和回波相位之間的關(guān)系。例如，通過(guò)計(jì)算正弦信道的平方與余弦信道的平方之和的平方根，找到來(lái)自被清楚定義的淀積層面的單極幅度信號(hào)(諸如，如圖1A所示)。
慢速移動(dòng)的分離目標(biāo)回波，諸如來(lái)自慢速移動(dòng)淀積層面邊界的回波，如圖3A所示。如圖3A所示，正弦/余弦模擬輸出信號(hào)在等于回波頻率和發(fā)送脈沖頻率之差的頻率下，在基線附近振蕩。通過(guò)取正弦信號(hào)和余弦信號(hào)的平方和的平方根，獲得如圖1B所示的單極模擬信號(hào)。
來(lái)自未沉降混濁團(tuán)的回波如圖3B所示。在沿著換能器超聲波路徑的任一點(diǎn)處，在基線附近的回波的振蕩頻率依賴(lài)于在該點(diǎn)處的返回回波和發(fā)送脈沖頻率之間的頻率差。一般，未沉降混濁團(tuán)層的正弦/余弦模擬信號(hào)輸出的幅度低于沉降淀積層的正弦/余弦模擬信號(hào)輸出。
背景噪聲回波通過(guò)引入寄生(spurious)距離相位，可能干擾來(lái)自未沉降混濁團(tuán)微粒的所需回波。通過(guò)使來(lái)自換能器的超聲波脈沖離開(kāi)槽的底部，從而生成表示背景噪聲回波可識(shí)別寄生距離相位并將它存儲(chǔ)在距離相位存儲(chǔ)器中。在換能器脈沖期間，從距離相位抵消存儲(chǔ)器中讀取寄生距離相位數(shù)據(jù)，并從回波信號(hào)中相干地減去它以消除寄生距離相位數(shù)據(jù)。距離相位抵消存儲(chǔ)器需要定期更新以說(shuō)明變化的沉降器條件。根據(jù)沉降器條件，熟悉該技術(shù)領(lǐng)域的任何人可以容易地決定更新頻率。
由操作者輸入到計(jì)算機(jī)，建立數(shù)據(jù)收集變量和模式。操作者輸入沉降器深度的數(shù)據(jù)、換能器重復(fù)率和所需操作模式，即，峰值模式和移動(dòng)微粒模式以及多普勒模式。如果選擇多普勒模式，操作者輸入多普勒采樣的數(shù)量和深度位置。方便的是，如下所述，可以采用峰值方法、移動(dòng)微粒方法和多普勒方法中任一種。
計(jì)算機(jī)總加操作者輸入數(shù)據(jù)并把該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤(pán)上的文件中以進(jìn)行ADC啟動(dòng)、選擇圖像或多普勒模式，等等。在開(kāi)始操作時(shí)，將這個(gè)存儲(chǔ)器信息讀入系統(tǒng)邏輯，從而預(yù)選擇對(duì)于多普勒模式的換能器的深度。在主振蕩器塊中產(chǎn)生對(duì)于系統(tǒng)操作的所有后來(lái)的邏輯和定時(shí)信號(hào)。這些后來(lái)的信號(hào)包括ADC定時(shí)脈沖、存儲(chǔ)器地址和寫(xiě)入脈沖，以及模擬開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。
如上所述，沉降器條件是瞬變的。因此，在給定換能器脈沖的時(shí)刻，對(duì)于檢測(cè)而言淀積層面邊界不可能是在滿意的位置上。于是，在特定時(shí)刻，會(huì)存在與換能器超聲波路徑垂直的明顯的淀積層面，但是在下一個(gè)瞬間，淀積層面變得不太明顯或者不再與換能器超聲波路徑垂直。有利的是，在兩個(gè)圖像模式中，可在幾個(gè)換能器脈沖范圍內(nèi)收集回波，而且存儲(chǔ)在收集捕獲存儲(chǔ)器中。來(lái)自幾個(gè)換能器脈沖的數(shù)據(jù)增加淀積層面邊界的觀測(cè)時(shí)間，如果它存在的話，并增加淀積層面檢測(cè)的概率。
可用上述三種截然不同的方法處理在數(shù)據(jù)捕獲存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。在峰值檢測(cè)方法中，根據(jù)換能器行(line)到換能器行，逐行從存儲(chǔ)器二次調(diào)用模擬正弦和余弦信號(hào)。如這里所用到的，換能器行是從單個(gè)超聲波脈沖返回的回波的集合。
有利的是，峰值方法使得即使在數(shù)據(jù)捕獲存儲(chǔ)器中只有一個(gè)換能器行檢測(cè)淀積層面，也能進(jìn)行淀積層面檢測(cè)。此外，如果由在數(shù)據(jù)捕獲存儲(chǔ)器中的幾個(gè)換能器行檢測(cè)沉降的淀積層面，那么增加檢測(cè)淀積層面的概率。所得行示出在換能器超聲波路徑上對(duì)于每個(gè)距離增值的最大回波點(diǎn)，而且呈現(xiàn)來(lái)自沉降的淀積層面的回波以確定淀積層面。
為了啟動(dòng)與峰值方法一起使用的系統(tǒng)，將對(duì)于每個(gè)正弦模擬信號(hào)和余弦模擬信號(hào)的在所得行的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)中的起始值設(shè)為零。如這里所用到的，所得行是表示來(lái)自每個(gè)正弦和余弦信道中的所有被記錄的換能器行的在沉降槽內(nèi)每個(gè)深度處的最高信號(hào)值。對(duì)于每個(gè)換能器行，將在沉降槽中的每個(gè)深度處的信號(hào)值與已出現(xiàn)在該深度處的所得行上的值，與來(lái)自正弦和余弦信道的在該相對(duì)應(yīng)深度處的值相比較。于是，將兩個(gè)信號(hào)值中較大者分配給所得行。當(dāng)然，第一換能器行將大于在所得行中的起始值。對(duì)記錄在存儲(chǔ)器中的多個(gè)換能器行重復(fù)這個(gè)處理。正弦和余弦信道所得行等于多個(gè)換能器行中的深度最大值。
峰值檢測(cè)方法提供組合的結(jié)果行，它等于沿著前面所得行中的每個(gè)行，逐點(diǎn)將正弦信道數(shù)據(jù)的平方加上余弦信道數(shù)據(jù)的平方和的平方根。通過(guò)把峰值幅度定位于組合所得行上，找到淀積層面。當(dāng)?shù)矸e層面回波數(shù)據(jù)具有隨機(jī)特征時(shí)，無(wú)論是在發(fā)送所需數(shù)量超聲波脈沖的整個(gè)期間，即，詢(xún)問(wèn)(interrogation)期間，還是分段通過(guò)(fragmented across)相同詢(xún)問(wèn)期間，通過(guò)選擇每個(gè)所得行隨機(jī)點(diǎn)的峰值，峰值方法大大增加了淀積層面檢測(cè)的概率。
在峰值檢測(cè)方法中，通過(guò)分析所得換能器行超聲波數(shù)據(jù)，可以找到未沉降微粒的淀積層面和活動(dòng)面(activity level)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural network)是較佳分析方法。任一種可獲得的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件發(fā)展數(shù)據(jù)組都可用于本發(fā)明。通過(guò)將超聲波數(shù)據(jù)的所得換能器行表示為輸入，而且把相應(yīng)測(cè)定實(shí)時(shí)淀積層面和微?；顒?dòng)面表示為輸出，構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從向它提供的輸入和輸出的測(cè)定數(shù)據(jù)組中“學(xué)習(xí)”。于是，將所得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展模型用于我們發(fā)明的控制部分。
當(dāng)峰值檢測(cè)法不能找到沉降的淀積層面回波或者當(dāng)?shù)矸e層面回波太接近背景噪聲級(jí)以至于不可靠時(shí)，可以采用移動(dòng)目標(biāo)法。當(dāng)如果根本不能很好地沉降微粒時(shí)存在這種情況，諸如在一個(gè)或多個(gè)微?；鞚釄F(tuán)可以形成的擾動(dòng)狀況。在這些混濁團(tuán)中，未沉降微粒以不同的速度移動(dòng)。在這些狀況下，識(shí)別混濁團(tuán)的數(shù)量、在混濁團(tuán)中的微?；顒?dòng)和混濁團(tuán)的大小和位置對(duì)于描述沉降器的狀況是十分有用的。
移動(dòng)目標(biāo)方法識(shí)別在換能器脈沖之間的移動(dòng)微粒變化位置，從而導(dǎo)致正弦和余弦模擬信號(hào)的變化。移動(dòng)目標(biāo)方法通過(guò)從正弦和余弦信號(hào)的數(shù)據(jù)的下一個(gè)換能器行中減去正弦和余弦模擬信號(hào)的一個(gè)換能器行，然后取該差的絕對(duì)值，來(lái)評(píng)估微粒移動(dòng)。對(duì)于多個(gè)換能器行總加差的絕對(duì)值。這個(gè)總和表示從換能器到沉降器的底部的微?；顒?dòng)的綜合得分(score)。通過(guò)計(jì)算正弦模擬信號(hào)的平方加上余弦模擬信號(hào)的平方之和的平方根，找到通過(guò)沉降器的深度的微?；顒?dòng)的綜合得分。較高幅度表示較大微?；顒?dòng)。
通過(guò)利用在基線值之上的綜合(總和)活動(dòng)得分識(shí)別未沉降微粒，運(yùn)用移動(dòng)目標(biāo)方法找到混濁團(tuán)?？赏ㄟ^(guò)將微?；顒?dòng)的綜合得分作為在沉降器中的深度函數(shù)，可以確定基線值?；鞚釄F(tuán)的綜合微?；顒?dòng)得分大大高于沒(méi)有混濁團(tuán)的液柱的分值。綜合得分偏離基線的發(fā)生次數(shù)等于存在于槽中的混濁團(tuán)的數(shù)量。此外，這些偏離位置還表示混濁團(tuán)的位置。于是，可將綜合活動(dòng)得分用于識(shí)別混濁團(tuán)的數(shù)量、在各個(gè)混濁團(tuán)中的微?；顒?dòng)和混濁團(tuán)形成的范圍以便評(píng)估沉降器的狀態(tài)，而與是否獲得峰值法確定淀積層面無(wú)關(guān)。例如，高活動(dòng)得分表示具有高度各微?；顒?dòng)的混濁團(tuán)。大混濁團(tuán)表示在大范圍內(nèi)的微?；顒?dòng)，同時(shí)小混濁團(tuán)表示在有限范圍內(nèi)的微粒活動(dòng)?；鞚釄F(tuán)形成為評(píng)估沉降器狀況提供數(shù)據(jù)，而且需要調(diào)節(jié)在沉降器中的化學(xué)添加劑的數(shù)量和種類(lèi)、稀漿添加劑(slurryadditions)、沉降器傾斜速度(rake speed)，等等。
在某種情況下，對(duì)于檢測(cè)的峰值法而言，淀積層面并不夠緊密。當(dāng)微粒密度產(chǎn)生變化或者微粒移動(dòng)產(chǎn)生變化時(shí)，存在這樣的淀積層面?？蓪⑦@種淀積層面稱(chēng)為軟淀積層面?？蓪⒕C合活動(dòng)得分用來(lái)識(shí)別軟淀積層面。當(dāng)存在一個(gè)而且沒(méi)有任何重疊混濁團(tuán)時(shí)，軟淀積層面將導(dǎo)致比由混濁團(tuán)層引起的偏離更明顯(sharper)地偏離基線。當(dāng)混濁團(tuán)重疊淀積層時(shí)，沒(méi)有任何明顯的偏離，但是如果由混濁團(tuán)引起的偏離明顯地或急劇地回到基線，那么可以檢測(cè)淀積層面。在淀積層面處，存在最小微粒移動(dòng)。結(jié)果，綜合活動(dòng)得分在基線附近。
在多普勒模式中，在沿著換能器的超聲波路徑上的特定點(diǎn)處，計(jì)算上升和下降方向的微粒速度。根據(jù)上述已知距離方程等式，選擇在沉降器中的深度，并記錄發(fā)送超聲波信號(hào)的時(shí)刻To。在預(yù)定時(shí)刻Tf處，記錄微?；夭ǖ念l率和幅度。根據(jù)在液體中的聲音速度，預(yù)置時(shí)刻Tf與在稀漿中的微粒深度相對(duì)應(yīng)。通過(guò)改變Tf，可以監(jiān)測(cè)在從換能器表面到槽內(nèi)的各種距離處的微粒的沉降速度。在計(jì)算機(jī)的控制下可以活動(dòng)在不同深度處的測(cè)量，從而用FFT來(lái)構(gòu)成作為時(shí)間函數(shù)的沉降速率曲線。
在多普勒模式中，本發(fā)明的系統(tǒng)可以容納多個(gè)采樣點(diǎn)，諸如在圖2A中的P1和P2。方便的是，可采用8個(gè)采樣點(diǎn)。對(duì)于每條換能器數(shù)據(jù)的線，每個(gè)采樣點(diǎn)只需取在正弦和余弦信道中的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。在完成數(shù)據(jù)捕獲之后，從數(shù)據(jù)捕獲存儲(chǔ)器檢索每個(gè)采樣點(diǎn)的正弦和余弦模擬信號(hào)。運(yùn)用快速傅里葉變換(FFT)或者其它頻譜技術(shù)或者頻譜分析器算法(諸如，自回歸技術(shù))，分析這些正弦和余弦模擬數(shù)據(jù)。
由檢測(cè)的最小微粒速度確定與多普勒方法一起使用的采樣時(shí)間期間或詢(xún)問(wèn)期間。在沉降器中，最小微粒速度大約為1-2英寸/分鐘。因此采樣時(shí)間期間是(1/fd)，其中fd是與最小微粒速度相對(duì)應(yīng)的多普勒頻率。低速度與在FFT中的低頻率相對(duì)應(yīng)。FFT需要大約為10秒的觀測(cè)時(shí)間來(lái)獲得這種程度的微粒速度分辨力。然而，由所期望的最大微粒速度確定最小換能器重復(fù)頻率。例如，運(yùn)用500KHz換能器和0.5ft/sec的最大微粒速度，多普勒頻率大約為152Hz，需要至少304Hz的換能器重復(fù)頻率。
在多普勒模式中，多普勒采樣的范圍應(yīng)落在換能器重復(fù)頻率范圍內(nèi)。此外，可以采用有限的長(zhǎng)度波導(dǎo)或‘靜盒(quiet box)’。波導(dǎo)作為其中通過(guò)旋轉(zhuǎn)傾斜引入沉降器循環(huán)流的腔體，而且大大衰減來(lái)自中心井的流入物。沒(méi)有波導(dǎo)，循環(huán)流導(dǎo)致微粒沿著除了垂直之外的其它方向移動(dòng)，從而很難解釋多普勒速度和方向信息。來(lái)自波導(dǎo)的多普勒信息與運(yùn)用在沉降器環(huán)境之外的量筒以人工測(cè)得的沉降速度近似相對(duì)應(yīng)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)將附加的換能器設(shè)置在比第一即主換能器更遠(yuǎn)離槽的中心井的位置時(shí)，可以在沉降槽內(nèi)的兩個(gè)或多個(gè)位置上測(cè)量沉降淀積層面和微?；鞚釄F(tuán)。可用多個(gè)換能器來(lái)保持在淀積層面中的高信噪比，來(lái)克服由于氣泡導(dǎo)致的在淀積層面回波中的信噪比減小的問(wèn)題。如果氣泡附在換能器表面的大面積內(nèi)，那么換能器根本不能有效地工作。如果氣泡聚集在任一個(gè)換能器上，那么可用在換能器下面通過(guò)的刮擦器除去氣泡。在鋁澄清器中產(chǎn)生氣泡是一個(gè)很大的問(wèn)題。當(dāng)將液體加熱至接近或高于沸點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣泡。當(dāng)將液體稀漿從高壓源釋放到沉降器中時(shí)，也產(chǎn)生氣泡。第二換能器通常沒(méi)有氣泡，除非整個(gè)澄清器包含沸騰的液體。
本發(fā)明的另一種模式包括運(yùn)用多個(gè)換能器陣列。換能器陣列包括一個(gè)或多個(gè)換能器或者換能器元件。將這些換能器或換能器元件幾何排列以產(chǎn)生比單個(gè)換能器或換能器元件改進(jìn)的超聲波束特性。
產(chǎn)生的超聲波束具有比沿著到沉降器底部的路徑上的單個(gè)換能器更大的聲強(qiáng)度(功率)和聲壓。從而減小由于在介質(zhì)中的聲功率或聲壓級(jí)聲飽和引起的介質(zhì)或液體稀漿的損耗。所提供的超聲波源的更大的有效換能器孔徑。由有效換能器尺寸和操作頻率確定超聲波束發(fā)散角。通過(guò)運(yùn)用陣列，增加有效孔徑，即，換能器陣列的面積。增加孔徑減小了所得超聲波束的發(fā)散角。此外，通過(guò)預(yù)放大/接收機(jī)總加來(lái)自每個(gè)換能器元件的接收到的回波，再次有效地減小束發(fā)散角。
利用這些信號(hào)處理技術(shù)增加整個(gè)系統(tǒng)靈敏度。在轉(zhuǎn)換模式中，增加整個(gè)超聲波聲壓級(jí)。聲音聲壓級(jí)是由每個(gè)換能器產(chǎn)生的聲壓級(jí)綜合，假定聲壓級(jí)低于介質(zhì)的飽和級(jí)。結(jié)果是增加整個(gè)回波返回靈敏度和強(qiáng)度，提高了在沉降器中的淀積層面和未沉降微?！盎顒?dòng)”或“混濁團(tuán)”級(jí)返回回波的識(shí)別。
例如，在這個(gè)發(fā)明中用到的陣列包括兩個(gè)至四個(gè)換能器，以三角形或正方形排列。沿著稀漿或沉降器半徑設(shè)置一至三個(gè)陣列。換能器的間隔和數(shù)量還可以根據(jù)稀漿或沉降器深度和在沉降器中的介質(zhì)改變。
如上所述，可將波導(dǎo)或“靜盒”定位在沉降器中。包含換能器的波導(dǎo)延伸到沉降器懸浮物中。波導(dǎo)衰減可能出現(xiàn)在沉降器中的隨機(jī)循環(huán)流的效果，從而增強(qiáng)沉降微粒的向下移動(dòng)的測(cè)量。
波導(dǎo)可以是其中帶有允許液體稀漿進(jìn)入波導(dǎo)的槽的圓柱體。用能夠耐高于100℃和腐蝕性液體并在可能誤導(dǎo)超聲波束的流體下不彎曲的材料制成波導(dǎo)。
波導(dǎo)導(dǎo)致?lián)Q能器束達(dá)到平面波，它在波導(dǎo)的長(zhǎng)度范圍內(nèi)基本上保持不變，來(lái)減小束擴(kuò)展，從而使回波幅度和檢測(cè)可靠性的任何顯著減小減至最小。波導(dǎo)還衰減出現(xiàn)在沉降器中的循環(huán)流。衰減循環(huán)流提供微粒垂直沉降速率，它與用沉降器之外的量筒中的懸浮物和秒表手工獲得的速率相關(guān)。
將換能器定位在波導(dǎo)的頂端有效地增加了換能器的直徑至在底端處的波導(dǎo)直徑，而且還有效地將換能器定位在更緊靠淀積層面微粒表面一段等于波導(dǎo)長(zhǎng)度的距離。將換能器定位在波導(dǎo)頂部的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于可在波導(dǎo)中的各個(gè)位置上以電子方式取測(cè)量獲得沉降速率數(shù)據(jù)所需的采樣體積。
如上所述，在槽中的沉降處理?xiàng)l件可以是瞬時(shí)的。因此，對(duì)于避免可能破壞沉降過(guò)程的狀態(tài)的擾動(dòng)是很重要的。有利的是，由本發(fā)明的系統(tǒng)和方法獲得的微粒沉降速率和沉降淀積層面的位置可用于控制將化學(xué)添加劑和微粒稀漿加到槽中的速率。
如圖5所示，淀積層面和沉降速率可用于控制分別通過(guò)閥CV1和CV2把化學(xué)物1和2加到固體稀漿1的速率，其中通過(guò)水槽把固體稀漿1加到沉降處理槽，導(dǎo)致固體沉淀和基本上恢復(fù)清晰的液體。如圖5所示，通過(guò)泵PU2從沉降槽取出沉淀的廢物固體，而且所剩液體重新循環(huán)到稀漿中。
所得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件發(fā)展模型采取實(shí)時(shí)超聲波測(cè)量并計(jì)算到模糊(Fuzzy)邏輯控制器的相應(yīng)的淀積層面和活動(dòng)面輸入。模糊邏輯控制器計(jì)算到閥CV1和CV1(圖5)的輸出，控制添加化學(xué)物1和2來(lái)給出所需淀積層面和活動(dòng)面設(shè)置點(diǎn)以控制沉降器的動(dòng)態(tài)狀況。這個(gè)模糊邏輯控制器可以根據(jù)任一商業(yè)可購(gòu)得的模糊邏輯軟件控制包，例如上述包帶有表示輸入到模糊邏輯控制器的神經(jīng)網(wǎng)模型，帶有對(duì)于以C.FORTRAN編程的模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)的物體碼或任一種其它可傳輸編碼系統(tǒng)。模糊邏輯控制器包括一系列規(guī)則，它管理添加化學(xué)物1和2，和任何其它添加化學(xué)物，和/或沉降器的其它控制參數(shù)，諸如圖5的泵PU2，控制下溢抽出速率，從而控制沉降器設(shè)置點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種用于定位液體泥漿中沉降微粒的淀積層面的方法，其特征在于，包括把超聲波發(fā)射到微粒稀漿中以從所述微粒產(chǎn)生回波，從所述回波產(chǎn)生模擬電信號(hào)，把所述模擬電信號(hào)與正弦或余弦信號(hào)中任一相乘以產(chǎn)生第二模擬信號(hào)，從所述第二模擬信號(hào)產(chǎn)生數(shù)字電信號(hào)，和處理所述數(shù)字電信號(hào)以識(shí)別沉降微粒的淀積層面。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過(guò)多普勒方法、峰值方法或移動(dòng)目標(biāo)方法中的任一種方法執(zhí)行所述處理。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，所述峰值方法包括下列步驟將來(lái)自所述回波的信號(hào)分成正弦和余弦信道；將在所述正弦信道中的所述信號(hào)與具有同所述超聲波相同頻率的正弦信號(hào)相乘；將在所述余弦信道中的所述信號(hào)與具有同所述超聲波相同頻率的余弦信號(hào)相乘；把在所述正弦和余弦信道中的每個(gè)信道中的所述信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；把根據(jù)換能器行的所述數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中；把來(lái)自所有換能器行的所述最高回波幅度作為深度的函數(shù)分配給每個(gè)信道的一個(gè)或多個(gè)結(jié)果行；從所述一個(gè)或多個(gè)所得行構(gòu)成組合結(jié)果行，和通過(guò)識(shí)別在所述組合結(jié)果行上的所述最高值定位所述淀積層面。
4.一種用于確定在稀漿中的沉降微粒的所述淀積層面的系統(tǒng)，其特征在于，包括用于把超聲波信號(hào)送到稀漿中的裝置，用于接收由來(lái)自所述稀漿中的固體微粒的超聲波信號(hào)反射導(dǎo)致的回波，用于把所述回波轉(zhuǎn)換成第一組模擬電信號(hào)的裝置；用于把所述第一組模擬信號(hào)與正弦或余弦信號(hào)相乘以產(chǎn)生第二模擬信號(hào)的裝置，用于把所述第二模擬信號(hào)復(fù)接到用于把所述模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的裝置的裝置；和用于存儲(chǔ)所述數(shù)字信號(hào)以進(jìn)行數(shù)字處理的數(shù)據(jù)捕獲存儲(chǔ)器。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字處理是通過(guò)多普勒方法、峰值方法或移動(dòng)目標(biāo)方法中的任一種方法的處理。
6.一種用于識(shí)別在沉降槽中的未沉降微?；鞚釄F(tuán)的方法，其特征在于，包括把超聲波發(fā)射到微粒稀漿中以從所述微粒產(chǎn)生回波；從所述回波產(chǎn)生電信號(hào)；把所述電信號(hào)分成正弦和余弦信道；把在所述正弦信道中的所述電信號(hào)與具有同所述超聲波相同頻率的正弦信號(hào)相乘來(lái)提供正弦信道結(jié)果；把在所述余弦信道中的所述電信號(hào)與具有同所述超聲波相同頻率的余弦信道相乘來(lái)提供余弦信道結(jié)果；把在所述信道中的所述電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；根據(jù)換能器行把所述數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中；根據(jù)每個(gè)深度逐一從相繼換能器行中減去來(lái)自每個(gè)換能器行的所述數(shù)字信號(hào)；對(duì)在每個(gè)信道中的在所述換能器行之間的差的絕對(duì)值求總和；通過(guò)確定正弦信道結(jié)果的平方和余弦信道結(jié)果的平方之和的平方根，根據(jù)所述絕對(duì)值構(gòu)成組合結(jié)果行；和通過(guò)識(shí)別對(duì)所述組合所得行的基線的偏離來(lái)定位微粒混濁團(tuán)。
7.如權(quán)利要求1、3、6、9、10、11、12、13或14中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述超聲波由2-4個(gè)換能器組成的陣列發(fā)射。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述換能器具有三角形或正方形的形式。
9.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，通過(guò)把所述最高回波幅度轉(zhuǎn)換成輸入數(shù)據(jù)文件格式、由神經(jīng)網(wǎng)處理所述輸入數(shù)據(jù)文件來(lái)提供輸出并識(shí)別所述輸出作為淀積層面和活動(dòng)面信號(hào)，識(shí)別在所述組合所得行上的所述最高值。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，把所述淀積層面和活動(dòng)面信號(hào)輸入到模糊邏輯控制器裝置來(lái)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)附加輸出信號(hào)。
11.一種用于定位在稀漿中沉降微粒的所述淀積層面的方法，其特征在于，包括把超聲波發(fā)射到微粒稀漿中以從所述微粒產(chǎn)生回波，從所述回波產(chǎn)生電信號(hào)，通過(guò)峰值方法處理所述電信號(hào)來(lái)識(shí)別沉降微粒的淀積層面，其中所述方法包括下列步驟把來(lái)自所述回波的所述信號(hào)分成正弦和余弦信道；把在所述正弦信道中的所述信號(hào)與具有同所述超聲波相同頻率的正弦信號(hào)相乘；把在所述余弦信道中的所述信號(hào)與具有同所述超聲波相同頻率的余弦信號(hào)相乘；將在所述正弦和余弦信道中的每個(gè)所述信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；根據(jù)換能器行把所述數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中；把來(lái)自所有所述換能器行的所述最高回波幅度作為深度函數(shù)分配給每個(gè)信道的一個(gè)或多個(gè)結(jié)果行；從一個(gè)或多個(gè)結(jié)果行構(gòu)成組合結(jié)果行，和通過(guò)把所述最高回波幅度轉(zhuǎn)換成輸入數(shù)據(jù)文件格式、由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理輸入數(shù)據(jù)文件來(lái)提供輸出并識(shí)別所述輸出作為淀積層面和活動(dòng)面信號(hào)來(lái)識(shí)別在所述組合所得行上的所述最高值，定位所述淀積層面。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，把所述淀積層面和活動(dòng)面信號(hào)輸入到模糊邏輯控制器裝置以產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)附加輸出信號(hào)。
13.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，通過(guò)把所述最大回波幅度轉(zhuǎn)換成輸入數(shù)據(jù)文件格式、由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理所述輸入數(shù)據(jù)文件來(lái)提供輸出和識(shí)別所述輸出作為淀積層面和活動(dòng)面信號(hào)，來(lái)識(shí)別對(duì)所述組合所得行的基線的偏離。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，把所述淀積層面和活動(dòng)面信號(hào)輸入到模糊邏輯控制器裝置，產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)附加輸出信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于監(jiān)測(cè)在液體－固體介質(zhì)中的微粒移動(dòng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和方法,它包括微粒沉降速率、識(shí)別未沉降微?；鞚釄F(tuán)和識(shí)別及控制在沉降器中稀漿中的沉降微粒的淀積層面。該系統(tǒng)包括用于監(jiān)測(cè)來(lái)自稀漿中的微粒的回波的超聲波換能器和接收機(jī)。處理回波來(lái)確定沉降微粒的淀積層面、末沉降微?；鞚釄F(tuán)的位置以及微?；鞚釄F(tuán)的沉降速率。
文檔編號(hào)G01F23/296GK1253620SQ97182125
公開(kāi)日2000年5月17日 申請(qǐng)日期1997年4月21日 優(yōu)先權(quán)日1994年4月26日
發(fā)明者C·R·費(fèi)伊, R·W·巴恩斯, H·L·魯賓遜 申請(qǐng)人:Cytec技術(shù)有限公司