具体实施方式

下面结合附图提供的详细说明旨在作为对实施例的描述，而不是旨在表示可以构造或使用实施例的仅有的形式。然而，相同或等效的功能和结构可以通过不同的实施例来实现。

一水力旋流器(以下也称为“旋流器”)是一种适于对大量的进料(诸如浆料)分级的工艺设备。取决于旋流器的尺寸，流速甚至可以超过每秒一立方米进料，而典型值的范围从每秒25立方厘米到每秒2立方米。水力旋流器的构造和运行的示例在例如Wills(威尔斯)所著的Mineral Prcessing Technology(矿物处理技术)第8版(第9.4章)中披露。

图1示意性地示出了根据一实施例的水力旋流器100。旋流器100适于通过将进料分离成底流和溢流来分级进料，并且其还可适于诸如矿物加工的特定目的。为了将进料引入到旋流器100中，旋流器包括一进料入口102，该进料入口可以是回旋的。进料入口102可适于例如通过倾斜的流动方向和/或不存在尖锐角部而使进料的流动湍流最小化。

为了从旋流器100去除溢流，旋流器100包括一溢流出口104，其可包括管道或由管道形成。溢流出口可包括延伸至旋流器100中的一涡流探测器106。涡流探测器106可移除。溢流出口104，尤其是涡流探测器106，可位于旋流器100的中心轴线处。溢流出口104，尤其是涡流探测器106，可在轴向维度上延伸至旋流器100中，超过进料入口102的底部边缘。

为了从旋流器100排出底流，旋流器包括一沉砂口130(也称为底流管)。沉砂口130通常面朝下，以便底流从旋流器100向下排出。沉砂口130可位于旋流器100的中心轴线处。通常，水力旋流器100仅包括一个沉砂口130和一个溢流出口104，但也存在包含多个沉砂口130的构造。对于这种构造，单个进料入口102和/或溢流出口104可对应于多个沉砂口130。

水力旋流器100包括上部部段110，其可为圆柱形或基本上为圆柱形。然而，在一些实施例中，其可以是至少略微倾斜的，以便其整体形状可被视为锥形。水力旋流器100是为许多不同的应用而生产的，相应地，它们的尺寸和测量值，诸如上部部段110的高度(h_up)可能会有所不同。虽然上部部段的直径(D)也可以变化，但在特别适合矿物加工的实施例中，直径可以为50-1400mm。通常，较小的直径对应较小的分割尺寸(cut size)。定义上部部段110的形状的一个重要参数是形状系数(h_up/D)，例如其可以是0.6-2。上部部段110向下延伸到上部部段110底部的水平面d_up。在该水平面处，上部部段110在垂直于轴向维度的平面内可具有环形内横截面。

水力旋流器100还包括位于上部部段110和沉砂口130之间的一锥形部段120。锥形部段120的高度(h_cone)可变化。锥形部段120适于为引入到旋流器100中的进料形成一沉降空间。特别地，旋流器100适于使底流沉降在锥形部段120中，以使其能够从沉砂口130排出。为此，锥形部段120朝向沉砂口130变窄，并且该变窄可以是连续的。锥形部段120可以具有一个或多个截锥段。这些截锥段中的每一个也可能朝向沉砂口130变窄。锥形部段120相对于轴向维度具有倾斜角(α)，其可以是固定的或基本固定的。然而，在一些实施例中，倾斜角沿锥形部段120的轴向维度可连续或不连续地改变。在任一种情况下，角度可为例如10-30度。较大的角度可用于较粗的分割尺寸，而较小的角度可用于较细的分割尺寸。当倾斜角变化时，可将其布置为在较小角度上方始终具有较大角度。需要注意的是，倾斜角是指旋流器100(及锥形部段120)内表面上的坡度，因为其是决定旋流器100的运行特性的坡度。锥形部段120与上部部段110联接，以允许被引入到水力旋流器中的进料在这两个部段之间行进。为此，锥形部段120和上部部段可直接连接，以使得锥形部段120从上部部段110直接向下延续。在这种情况下，旋流器100的总高度(H)可表示为H＝h_up+h_cone。

锥形部段120和沉砂口130都可被包含在水力旋流器100的下部部段150中。下部部段150可以从下方联接到上部部段110，并且可以直接连接到上部部段110。上部部段和/或下部部段150可以由金属制成。类似地，锥形部段120可以由金属制成。

上部部段110连接至进料入口102，以使得进料可被引入到旋流器100中，尤其是被引入到上部部段110中。进料入口102可与上部部段110切向地连接，允许进料切向进入，向旋流器100内的进料施加旋转运动。旋流器100适于使进料在压力下通过进料入口102被引入，并且对于小型旋流器100，进料在入口处的速度(v_in)可为例如2-10m/s或6-10m/s。

上部部段110还连接至溢流出口104，用于从旋流器110尤其从是上部部段110中去除溢流。由于溢流出口104通常延伸至上部部段110，例如作为涡流探测器106，因此旋流器100的自由高度(free height)(H_f)可以小于旋流器100的总高度(H)。对于本发明的实施例，自由高度可以有利地相对于上部部段110的直径表示，在这种情况下，参数H_f/D可以是例如3-10。需要注意的是，如图所示，总高度是从沉砂口130到上部部段110的顶部测量的。相应地，自由高度是从沉砂口130到溢流出口104的底部测量的。进一步注意的是，旋流器100也可能延伸到沉砂口130下方，例如作为引导底流排放的裙部。此外，虽然沉砂口130可以位于最窄的开口处，以便在锥形部段120下方从旋流器100排出底流，但该最窄的开口也可以以恒定宽度竖直地延伸。因此，沉砂口130处的所有测量在这里都限定为位于与沉砂口130的顶部相对应的水平面d_apex处。

旋流器100的运行可描述如下。简言之，旋流器100可适于通过使用在压力下进入旋流器100的进料所产生的离心力来分离进料。离心力使粗颗粒被“抛掷”到旋流器100的内壁，而细颗粒保持更靠近于旋流器的中心。溢流出口104或涡流探测器106将水和/或细物料吸入溢流，而粗物料从旋流器100底部处的沉砂口130流出。

进料产生由两条螺旋路径和一条径向路径组成的一复杂流动模式(flowpattern，流型)。旋流器100内壁处的外螺旋路径朝向旋流器100的锥形部段120螺旋，内螺旋部分朝向溢流出口104(例如涡流探测器106)螺旋。当进料被引入旋流器100时，将形成向内的切向流。在这种向内流中，切向力和进料中的颗粒产生的阻力之比将控制哪些螺旋流颗粒将终止(end)。切向力与颗粒特性度量(如颗粒质量)的三次方有关，而阻力仅与(例如颗粒横截面积的)二次方有关。因此，只有细颗粒将被向内输送至螺旋流，所述螺旋流将其输送至溢流出口104或涡流探测器106。粗颗粒将保持在向下流中，并朝向沉砂口130被引导。内旋转流具有两个重要特征。该流的最内部分保持角速度。这导致形成一自由气液边界(例如一空气核)。因此，旋流器100适于使空气核在旋流器100的轴向维度内成形。该空气核对旋流器100的运行至关重要。只要空气核从溢流出口104或涡流探测器106到沉砂口130穿过整个旋流器100，那么旋流器100的运行就可以是稳定的。然后，空气核也可以通向沉砂口130。沉砂口130处的流速相对较高，底流可以形成为锥形喷雾。

当旋流器100被供给过量的粗物料时，其可能会过载。由于旋转流的质量增加，因此维持恒定角速度开始需要越来越多的能量。因此，角速度降低，导致不稳定的空气核开始波动。如果过载持续存在，即，过量的粗物料继续被引入到旋流器100中，则空气核可能从旋流器100底部消失。此时，旋流器100开始出现柱状(roping)。柱状是一种状态，在这种状态下，颗粒流速度大大减慢，并且底流能力降低。这将改变旋转和径向流动模式。结果是粗颗粒被引入到内部旋转流中，且随后被带到溢流产物中。旋流器100的分割尺寸变得比正常运行时粗得多。当进料含有高百分比的固体时，运行分割尺寸可从远低于100μm上升到超过200μm。由于速度大大减慢，柱状不是一种容易逆转的现象，而是具有大滞后。因此，使旋流器100恢复到正常运行可能需要大幅减少进料。

柱状的一个特点是低转速和底流中的固体物质的高百分比。这使得底流看起来像是从沉砂口130出来的柱(rope)。柱状的另一个特点是分离尺寸增加，底流中细物料的量减少。沉砂口130可以具有一阈值容量，当超过该阈值容量时，可能出现柱状状态。在旋流器100正常运行时，底流从沉砂口喷出，通常呈锥形模式。然而，在柱状状态开始时，沉砂口130内的空气核塌陷，从而使底流的螺旋运动大部分或全部消失。柱状甚至会导致旋流器100堵塞。虽然旋流器堵塞很少见，但如果大颗粒、小研磨介质或一些其他异物堵塞沉砂口，则可能会发生堵塞。

水力旋流器100包括多个电极140，其适于提供测量信号。为了检测柱状，多个电极140专门适于测量旋流器100内部的导电性，以检测旋流器100中的柱状状态的形成。为此，所述多个电极140中的所有电极140在旋流器100的轴向维度上可被布置在基本相同的水平面上。例如，它们可以在轴向维度上彼此相距1-5cm的范围内布置。而且，所述多个电极140周向地布置在锥形部段120中。电极140可沿锥形部段120的圆周大致等距地布置。所述电极可例如从锥形部段120的内表面到水力旋流器100的外表面延伸穿过水力旋流器100的壁。所述多个电极140可包括导电螺栓或由导电螺栓形成。多个电极140可包括金属或由金属形成。电极140可以是刚性的。已经发现，当所述多个电极中的每一个均具有2-3毫米或更厚的厚度时，测量的准确度和可靠性可以显著提高。所述多个电极140可基本上水平地(即，相对于轴向维度竖直地)布置。所述多个电极140可包括螺纹，例如用于紧固电极140。附加地或备选地，螺纹可用于将导体紧固到电极140，以传输来自电极140的测量信号。例如，导体可以固定在螺纹电极140上的两个螺纹螺母之间。

重要的是，所述多个电极140需要明确地布置在轴向维度上，以使其距沉砂口130的轴向距离(d_meas)至少为沉砂口130和上部部段110之间轴向距离(即d_up-d_apex的值)的5％。同时，d_meas最多为d_up-d_apex值的50％。当上部部段110和锥形部段120直接连接时，d_up-d_apex值对应于锥形部段120的高度。已发现，使电极的布置落在上述限制范围内可显著提高柱状检测的精度，甚至可以提高到使用电极140来实现抢先地确定到柱状状态的转变的程度。一旦所述多个电极140被布置在如上文所述的下限之上，已经发现，在典型测量情况下空气核对于探测柱状状态的形成的精确测量而言变得更加稳健。另一方面，已经发现，一旦将所述多个电极140布置在如上文所述的上限之上，在典型测量情况下，预测效果迅速减小。相应地，如上所述布置电极140允许水力旋流器100适于抢先地检测柱状状态的形成。

值得注意的是，旋流器100可包括一组或多组多个电极140，例如两组、三组或更多组。每组可沿锥形部段120的圆周布置。所述组在轴向维度上可彼此远离地设置。然而，沿轴向维度测量，所有组仍然可以布置在距沉砂口130为d_up-d_apex值的5-50％范围内。在旋流器100的轴向维度上，单个组中的多个电极140可布置在基本相同的水平面上。例如，它们可布置在沿轴向维度彼此相距1-5cm的范围内。

可以通过使用本公开中的设备测量电导率并将测量值与柱状状态的形成相关联来确定柱状状态的形成。例如，可以使用所公开的设备进行重复测量，以识别与柱状状态的形成相对应的模式。柱状状态的形成可从电导率测量结果基于以下事实确定：空气核的存在导致在旋流器100内形成了一个区域，在该区域中电导率是可忽略的或显著降低。使用所公开的旋流器100，可以识别对应于空气核消失的模式。此外，已经发现，当所述多个电极140包括九个或更多个电极时，可以获得足够的分辨率用于空气核的二维映射以检测柱状状态的形成。进一步发现，使用十二个或更多个电极140，可进一步提高分辨率，从而可获得测量精度和可靠性的显著改善。

例如，电阻层析成像(ERT)和/或电阻抗层析成像(EIT)可用于确定柱状状态的形成。这些是过程层析成像技术，可用于多相环境的可靠在线测量。在ERT中，根据测量的电压和已知的注入电流(反之亦然)，可以计算随位置变化的目标电导率的估计值。所述计算基于确定电流、水力旋流器100内的电导率分布和电极上电压之间的关系的数学模型。ERT的优点是它基于还考虑了电极阻抗的数学模型，并且可以非常快速地进行测量。因此，多个电极可适于实时成像旋流器100的底流。

除了EIT利用了测量信号的电阻和电抗以外，EIT在很大程度上对应于ERT，因此上述内容也适于EIT。水力旋流器100，特别是所述多个电极140，可适用ERT和EIT测量中的一者或两者，以检测水力旋流器100中的柱状状态的形成。

不管所使用的分析技术如何，所述多个电极140均可适于例如通过检测电极140之间是否存在空气核或通过检测电极140之间空气核的尺寸来提供测量信号以检测柱状状态的形成。备选地或附加地，所述多个电极140可适于提供测量信号，以检测空气核是否即将消失，从而可以抢先地检测空气核的出现，从而检测柱状状态。所述多个电极140可适于提供测量信号以用于产生底流的二维或更多维图像。所述多个电极140还可适于提供测量信号，从该测量信号中可以识别沉砂口130的特性，或者可以在线可视化空气核。

测量信号可用于控制水力旋流器100的运行。例如，测量信号可用于甚至在柱状状态出现之前为旋流器100的操作员产生在线警告。测量信号可用于旋流器100的自动控制，例如当已检测到柱状状态的形成时，自动降低进料速率。例如当在柱状发生之前检测到空气核的稳定性已经丧失时可以这样做，并且可以在不进入柱状状态的情况下恢复稳定性。为了分析测量信号和/或基于测量信号控制旋流器100，旋流器100可适于能连接到控制器。在一些实施例中，旋流器100本身甚至可以包括用于分析测量信号和/或基于测量信号控制旋流器100的控制器。控制器还可适于例如，当在柱状状态开始之前和/或之后检测到柱状状态的形成时基于测量信号提供警报。

图2a-图2c示出了根据实施例的水力旋流器100的下部部段150。下部部段150包括锥形部段120和外表面152。外表面152通常也是锥形的，因为它可以包括一个或多个截锥段。然而，其他形状当然也是可能的。锥形部段120具有内表面122。如上所述，锥形部段120的倾角(α)对应于内表面122的倾角。如上所述，该角度沿锥形部段120的长度可以变化，也可以是固定的。锥形部段120可分为两个或更多个独立部分126、128，包括锥形部段120的一个或多个上部部分126和一个或多个下部部分128。同样，整个下部部段150可分为两个或更多个独立部分，分别对应于锥形部段120的独立部分126、128。所述多个电极140可位于相邻对的上部部分126和下部部分128之间。为了将上部部分126和下部部分128彼此紧固，旋流器100可包括一个或多个夹具300。下部部段150可包括用于支撑所述夹具300的一个或多个肩部(shoulder)154、156，所述夹具用于将上部部分126和下部部分128彼此紧固。例如，下部部段150可包括与上部部分126相对应的一个或多个肩部154和/或与下部部分128相对应的一个或多个肩部156。所述一个或多个肩部154、156可在垂直于轴向维度的平面内遵从(follow，顺应)下部部段150的外表面152。所述一个或多个肩部154、156可以是环形的。所述一个或多个肩部154、156可以围绕下部部段150的圆周连续地或不连续地延伸。旋流器100可以包括用于每对上部部分126和下部部分128的单独夹具300。此外，相邻对的上部部分126和下部部分128之间的多个电极140可布置在垫片400内。垫片400可通过夹具300被夹紧在相邻对的上部部分126和下部部分128之间。

如图所示，沉砂口130在轴向维度上可具有非零的长度。沉砂口130的宽度可沿其长度保持恒定。旋流器100可包括位于沉砂口130下方的裙部160。裙部160可为下部部段150的一部分。裙部160适于引导底流的排放。裙部160可以是锥形的，并且它可以包括一个或多个截锥段。当在轴向维度上远离沉砂口130时，裙部160可被布置成连续地或不连续地变宽。

图3示出了用于将锥形部段120的上部部分126和下部部分128相互紧固的夹具300的一个示例。夹具300可包括金属或由金属制成。夹具300可以是环形的。夹具300可包括套环310、312，用于对旋流器100的下部部段150(例如对肩部154、156)施加夹紧力。例如，夹具300可包括用于在下部部段150的与锥形部段120的上部部分126相对应的侧部施加夹紧力的一个或多个套环310，和/或用于在下部部段150的与锥形部段120的下部部分128相对应的侧部施加夹紧力的一个或多个套环312。所述一个或多个套环310、312可以是环形的。所述一个或多个套环310、312可适于围绕下部部段150的圆周连续地或不连续地延伸。夹具300可包括一个或多个(例如四个或更多个)紧固件320，诸如螺栓，以用于紧固所述夹具320。所述一个或多个紧固件320可被布置成例如将两个套环310、312相互紧固。所述一个或多个紧固件300可被布置成使夹紧力大体上在旋流器100的轴向维度上被施加。夹具300可适于锥形部段120的防水紧固。

图4a和图4b示例说明了用于例如通过机械和/或电气绝缘来保护多个电极140的垫片400。图4a在立体图中示出了该示例，图4b在立体图中示出了相同的示例，其中垫片400内多个电极140的轮廓用虚线示出。

垫片400可以是弹性的，用于提供密封接触。垫片400可以是绝缘材料(例如橡胶或聚氨酯)垫片。垫片400可以是平的。其可适于被水平布置。垫片400可以是环形的。其具有适于在进料被引入旋流器100后与进料接触的一内边界410和可适于从下部部段150面向外的一外边界412。内边界410和/或外边界412可以是环形的。垫片400可适于至少部分地封闭所述多个电极140。垫片400可具有用于所述多个电极140的一个或多个孔。所述一个或多个孔可例如从内表面410到外表面412延伸穿过垫片400。垫片400可适于使所述多个电极140彼此电绝缘。垫片400可适于使所述多个电极140相对于锥形部段120和/或下部部段150电绝缘。所述多个电极140可通过一个或多个紧固件420(例如螺母)紧固到垫片400。垫片400的厚度可以使得所述多个电极140中的每个电极在每侧上由垫片400的至少0.5-1.0毫米厚的层绝缘。垫片400的外边界412可包括一个或多个延伸件(extension)430，用于保护多个电极140。尽管存在潜在接触点，但这允许电极140基本上沿其整个长度被封闭在垫片400内。所述一个或多个延伸件430可适于被布置在夹具300的一个或多个紧固件320之间的中间空间中。这允许夹具300被竖直紧固，同时所述多个电极140中的电极140的端部保持开放，以接触旋流器100的下部部段150的外表面152。换句话说，夹具300可包括用于所述一个或多个延伸件430的一个或多个开口，所述延伸件适于通过开口绕过夹具300。这允许对电极140进行机械保护，例如防水和防尘，同时仍使其可用于例如从电极140的端部接触。除上述外，所述一个或多个延伸件430可适于指示垫片400的正确定位，从而指示电极140的正确定位。

本公开讨论的不同功能彼此可以以不同的顺序执行和/或同时执行。

除非另有说明，否则可扩展或更改本公开给出的任何范围或装置值，而不会失去所寻求的效果。此外，除非明确禁止，否则任何实施例可与另一实施例组合。

尽管已经以特定于结构特征和/或行为的语言描述了主题，但是应当理解，所附权利要求中定义的主题不必局限于上述特定特征或行为。准确地说，上述特定特征和行为被公开为实现权利要求的示例，并且其他等效特征和行为旨在落在权利要求的范围内。

应当理解，上述益处和优点可以涉及一个实施例或者可以涉及多个实施例。实施例不局限于解决任何或所有所述问题的那些实施例或具有任何或所有所述益处和优点的实施例。还应当理解，提及的“一”项目可指一个或多个该项目。

术语“包括”在本公开中指包括具体的方法、模块或元件，但此类模块或元件不包括排他列表，并且方法或装置可包含附加模块或元件。

应当理解，以上描述仅作为示例给出，并且本领域技术人员可以进行各种修改。以上说明、示例和数据提供了示例的实施例的结构和用途的完整描述。尽管以上已经以某种程度的特殊性描述了各种实施例，或者参考了一个或多个单独的实施例，但是在不脱离本说明书的精神或范围的情况下，本领域的技术人员可以对所公开的实施例进行多种修改。