[0001] 本发明涉及一种基于超声控制的深海采矿气力提升系统自动补气装置及其方法，属于深海采矿气力提升系统技术领域。

[0002] 目前，深海海底蕴藏着品质高、储量丰富的固体矿产资源，这些矿产资源中富含镍、钴、铜、锰等金属，是航空航天、特种合金、储能等领域所需的核心元素。深海采矿被认为是未来世界经济增长的关键。矿物气力提升是以气体为源动力来实现水下固体物料提升的方法，与传统的机械提升和水力提升方法相比较，气力提升系统无任何水下运动部件，具有制造成本低、维护方便、长时间运转等优点。由于深海采矿气力输送系统为远距离管道输送，由于输送过程无法及时进行额外补气，可能出现压缩空气压力不足导致无法顺利输送的情况，当管内出现堵塞现象，不仅大大降低矿物提升的效率，而且也会影响气力提升系统的安全性。

[0003] 因此，需要研发一种基于超声控制的智能补气装置及其方法，对深海采矿过程中的气力提升系统进行自适应补气。

[0032] 下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0033] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0034] 如图1～4所示，基于超声控制深海采矿气力提升系统自动补气装置，包含气力提升管10、超声发射换能器1、超声接收换能器2、封堵结构8以及环形旋喷式气体喷射器9，环形旋喷式气体喷射器9与气力提升管10相连接，环形旋喷式气体喷射器9的腔室通过气体喷射口92与气力提升管10的内腔相连通，压缩气体通过气体喷射口92入射进气力提升管10内诱发管内混合物呈螺旋上升运动；环形旋喷式气体喷射器9的气体入口91连接有封堵结构8，封堵结构8通过管路连接至节流阀6的出口，节流阀6的入口连接电磁阀5，节流阀6控制补气的气体流量；电磁阀5为二位二通阀，压缩气体入口7位于电磁阀5的一侧；电磁阀5的压缩气体入口7连接至压缩空气系统，电磁阀5上连接的电磁线圈4连接计算机控制系统3；计算机控制系统3控制电磁线圈4的通断，即当管内固体浓度高于设定值时，计算机控制系统3控制电磁线圈4通电，向环形旋喷式气体喷射器9供气，当气力提升管10内固体浓度低于设定值时，电磁线圈4断电，切断供气；

[0035] 超声发射换能器1设于气力提升管10一侧，在与超声发射换能器1距离L处的气力提升管10另一侧设置超声接收换能器2，L＝管径，即测量范围，超声发射换能器1与超声接收换能器2之间区域为测量区，超声接收换能器2连接计算机控制系统3，在激励电路作用下超声发射换能器1发出脉冲超声波至超声接收换能器2，超声接收换能器2接收到的超声信号通过计算机控制系统3得到该区域气力提升管内固体浓度。获取固体浓度的方法可参考专利申请号为201510214799.9的中国专利公开的超声测量方法，根据理论超声衰减谱以及实验测量得到的超声衰减谱构造目标函数求解颗粒粒径和体积浓度。

[0036] 具体设计时，封堵结构8包含气体通道81、梯形球托82、限位架83和封堵球84，气体通道81下端通过管路与节流阀6相连，上端与环形旋喷式气体喷射器9相连，气体通道81的中部设有梯形球托82，封堵球84置于梯形球托82的小口端上方，限位架83将梯形球托82和封堵球84包容其中，限位架83的头端与梯形球托82的梯形圆台大口端及气体通道相连，限位架83的尾端与气体通道81的尾端相连；电磁线圈4通电时，由压缩气体入口7供气，气体进入气体通道81，将封堵球84吹起，活动于梯形球托82与限位架83之间任意位置，停止供气时，封堵球84在重力作用下回到梯形球托82小口端将其封堵，用以防止液体倒灌。

[0037] 气体通道81为一段竖直圆管，梯形球托82的梯形圆台和限位架83均呈渐缩管结构。

[0038] 封堵球84为钢制球，封堵球84的球径大于梯形球托82的小口端的管径，大于限位架83的尾端管径。

[0039] 限位架83为网状结构，用以将封堵球84的活动范围限制在梯形球托82与限位架83之间，不影响气体流通。

[0040] 气力提升管10上开设有多个气体喷射口92，气体喷射口92与气力提升管10轴向和径向方向呈45°角；压缩气体气流在气力提升管10内喷射时与轴向及径向均呈45°角，诱发气力提升管10内混合物呈螺旋上升运动。环形旋喷式气体喷射器9通过上下法兰与气力提升管10相连接；环形旋喷式气体喷射器9沿周向设有四个宽为2mm的环形窄缝，用以防止固体颗粒进入环形旋喷式气体喷射器9。环形旋喷式气体喷射器9采用304不锈钢材质制作，性质稳定。

[0041] 具体应用时，由超声发射换能器1发出脉冲超声波至超声接收换能器2，超声发射换能器1与超声接收换能器2之间区域为测量区，超声接收换能器2将超声信号传送给计算机控制系统3获得测量区域气力提升管内固体浓度；

[0042] 当该测量区域固体浓度过高时，计算机控制系统3控制电磁线圈4通电，电磁阀5处于供气状态，压缩气体入口7与节流阀6相通，压缩气体经电磁阀5和节流阀6进入封堵结构8的气体通道81；

[0043] 压缩气体通过气体通道内的梯形球托82，此时封堵球84在限位架83的范围内被吹起，压缩气体经气体入口91进入环形旋喷式气体喷射器9，再经四个气体喷射口92入射进气力提升管10内，诱发管内混合物呈螺旋上升运动，用以缓解该区域管内堵塞情况；

[0044] 当该区域管内固体浓度小于阈值，计算机控制系统3设置电磁线圈4处于断电状态，压缩气体入口被截止，停止供气，封堵球84回落至梯形球托82小口端，将其封堵，防止液体倒灌。

[0045] 综上所述，本发明对深海采矿过程中的气力提升系统进行自适应补气，通过基于超声衰减谱原理的超声智能检测测量深海采矿过程气力提升管某段内固体浓度，当固体浓度超过某一定值，控制电磁阀的通断，向环形旋喷式气体喷射器供气，压缩气体经气体喷射口入射进气力提升管内诱发管内混合物呈螺旋上升运动，对该管内物料进行扰动和助推，避免发生管道堵塞的情况，保证深海采矿气力提升系统运行的安全性和高效率，且自动适应提升不同的固体体积浓度情况；

[0046] 利用超声智能控制技术，由超声发射换能器和超声接收换能器实时监测测量区域管内的固体浓度变化，针对不同的固体浓度工况设定不同的浓度临界值，适用范围广；

[0047] 采用超声智能控制电磁阀的工作状态实现对供气的启停，通过设定临界固体浓度值设置电磁阀的运行频率，实现自动化控制，且结构简洁，没有运动部件，无需维修，安装使用方便；

[0048] 采用环形旋流气体喷射器进行补气，相比于直孔射流，具有更好的补气提升效果；另外采用2mm窄缝和封堵结构，防止补气停止工作时，海水和颗粒倒灌进补气系统。

[0049] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

[0050] 上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

[0051] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。