超聲波(礦漿)濃度計(jì)及工業(yè)應(yīng)用

崔祜林 李云龍 楊九水 閆 石

(丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司)

超聲波(礦漿)濃度計(jì)及工業(yè)應(yīng)用

崔祜林 李云龍 楊九水 閆 石

(丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司)

濃度的準(zhǔn)確測(cè)量是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)工業(yè)控制的必要條件，但一般的射線式、紅外式、稱重式、壓力式等濃度計(jì)檢測(cè)效果參差不齊，且受檢測(cè)點(diǎn)礦漿性質(zhì)、固體顆粒粒徑差異影響較大，存在著可靠性、穩(wěn)定性、耐磨性不夠等問題。對(duì)基于超聲波衰減原理設(shè)計(jì)的超聲波(礦漿)濃度計(jì)的測(cè)量原理進(jìn)行了闡述，并以DF-6420型超聲波(礦漿)濃度計(jì)為例，介紹了其技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域與效果，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐結(jié)果表明，超聲波(礦漿)濃度計(jì)投資費(fèi)用低，檢測(cè)結(jié)果可靠、準(zhǔn)確，穩(wěn)定性高，耐磨性好，維修方便，可創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

超聲波 衰減 礦漿濃度

濃度是工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中必不可少的一個(gè)工藝參數(shù)。準(zhǔn)確測(cè)量工藝流程連續(xù)生產(chǎn)過程中的介質(zhì)濃度可以省去實(shí)驗(yàn)室分析中所需的昂貴的取樣設(shè)備，同時(shí)能節(jié)約時(shí)間，并且可以直接得到過程數(shù)據(jù)用于評(píng)估或控制，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

目前市場(chǎng)上不同種類的工業(yè)濃度計(jì)所采用的工作原理也不同，主要有靜壓力法、重力法、浮子法、γ射線法、振動(dòng)法、光電法、超聲波法等。這些工業(yè)濃度計(jì)用于懸濁液濃度檢測(cè)時(shí)檢測(cè)效果好壞不一,特別是在礦山磨選工藝過程中不同工藝點(diǎn)進(jìn)行濃度檢測(cè)時(shí)，因檢測(cè)點(diǎn)的礦漿性質(zhì)、顆粒粒徑存在較大差異，導(dǎo)致礦漿濃度檢測(cè)儀表的長期可靠性、穩(wěn)定性、耐磨性等不盡如人意。經(jīng)多年應(yīng)用實(shí)踐，按超聲衰減原理設(shè)計(jì)生產(chǎn)的超聲波(礦漿)濃度計(jì)在懸濁液濃度檢測(cè)方面具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。

超聲波(礦漿)濃度計(jì)是一種連續(xù)礦流在線檢測(cè)儀器，是利用超聲波穿透待測(cè)物質(zhì)后，利用聲速、聲阻抗、聲強(qiáng)等聲學(xué)量的衰減與懸濁液中待測(cè)物質(zhì)密度等相關(guān)關(guān)系，獲得相應(yīng)的濃度參數(shù)。基于超聲波原理的濃度計(jì)大多是以聲衰減法和聲速(聲時(shí))法為基本原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。其中聲速(聲時(shí))法大多適用于溶液濃度測(cè)量，聲衰減法大多以懸濁液濃度檢測(cè)為主?；诼晫W(xué)原理的濃度檢測(cè)儀表需克服懸濁液中微小氣泡、顆粒粒徑不規(guī)則以及儀表裝置耐磨性不足等技術(shù)難題，另外需消除待測(cè)兩相流混雜的油物或固體物附著于超聲換能器表面所帶來的不利影響。

論文主要以懸濁液(兩相流)待測(cè)介質(zhì)為濃度測(cè)量對(duì)象，介紹了基于超聲衰減原理的超聲波濃度計(jì)的工業(yè)應(yīng)用。

1 超聲波(礦漿)濃度計(jì)測(cè)量原理

超聲波(礦漿)濃度計(jì)測(cè)量原理以超聲衰減為主，主要對(duì)礦漿這種典型的懸濁液或兩相流形式存在的待測(cè)物質(zhì)進(jìn)行濃度檢測(cè)。

懸濁液是一種分散系，分散質(zhì)粒子直徑在100 nm以上，多為很多分子的集合體，如泥漿等。懸濁液不透明、不均一、不穩(wěn)定，不能透過濾紙，靜置后分散質(zhì)粒子在重力作用下逐漸沉降下來，出現(xiàn)分層。

兩相流是指兩相物質(zhì)(至少一相為流體)所組成的流動(dòng)系統(tǒng)。若流動(dòng)系統(tǒng)中物質(zhì)的相態(tài)多于兩個(gè)，則稱為多相流。兩相或多相流是工業(yè)生產(chǎn)過程中為完成相際傳質(zhì)和反應(yīng)過程所涉及的最普遍的黏性流體。根據(jù)構(gòu)成流動(dòng)系統(tǒng)的相態(tài)，通常分為氣-液系、液-液系、液-固系、氣-固系等。兩相流的流動(dòng)形態(tài)有多種，除了同單相流動(dòng)一樣可分為層流和湍流外，還可以依據(jù)兩相相對(duì)含量(常稱為相比)、 相界面的分布特性、運(yùn)動(dòng)速度、流場(chǎng)幾何條件(管內(nèi)、多孔板上、沿壁面等)劃分流動(dòng)形態(tài)。文中提及的兩相流是指固相通常以顆?；驁F(tuán)塊的形式處于兩相流中，例如冶金礦山磨選工藝中的礦漿、江河沉砂、淤泥等。

某一頻率的超聲波在均勻懸浮液如礦漿中傳播時(shí)，其振幅隨被測(cè)礦漿中固體含量的多少及顆粒大小的變化而變化，即超聲發(fā)生衰減。選擇合適頻率的超聲波透過被測(cè)礦漿，根據(jù)超聲波衰減量與礦漿濃度的相關(guān)關(guān)系，檢測(cè)超聲波衰減量并通過標(biāo)定刻度就能知道被測(cè)礦漿的濃度。在一定條件下，當(dāng)?shù)V漿中顆粒很小時(shí)，黏滯吸收衰減起主要作用；當(dāng)顆粒很大時(shí)，散射衰減起主要作用。根據(jù)聲學(xué)原理得知，平面超聲波在礦漿中傳播時(shí)，穿過一定距離后，其電壓E的變化可用下式表示：

E=Erexp(-αL) ,

(1)

式中,E為穿過L距離后的電壓，V；Er為發(fā)射電壓，V；α為衰減系數(shù)，dB/m；L為穿過的距離，m。

根據(jù)公式(1)可知，設(shè)礦漿中有懸浮顆粒時(shí)的衰減率和接收電壓分別為(α0+αx)和Ex；沒有懸濁顆粒時(shí)的衰減率和接收電壓分別為α0和E0；發(fā)射、接收端之間的距離為L，發(fā)射電壓為Er，則：

E0/Er=Aexp(-α0L) ,

(2)

Ex/Er=Aexp{-(α0+αx)L} ,

(3)

式中，E0為清水時(shí)接收電壓，V；Ex為礦漿中有懸浮顆粒時(shí)的接收電壓，V；A為振幅，m；α0為超聲波在清水中的衰減率，dB/m；αx為超聲波在懸浮顆粒中的衰減率，dB/m；根據(jù)公式(2)、(3)，懸濁顆粒引起的衰減率為：

本院所制定的滿意度調(diào)查表，調(diào)查患者及家屬的滿意程度，滿分為100分。非常滿意為＞80分；滿意為60～80分；不滿意為＜60分。

αx=(InE0-InEx)/L .

(4)

由接收探頭接收到的聲波振幅將隨懸浮液濃度的增加而衰減，聲波振幅轉(zhuǎn)換成的電壓值也隨濃度的增加而衰減。標(biāo)定濃度-電壓衰減曲線后，即可從測(cè)量電壓讀出礦漿濃度值。

2 DF-6420型超聲波(礦漿)濃度計(jì)

丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司在DF-PSM超聲波在線粒度儀研制過程中發(fā)現(xiàn)，超聲波在礦漿中傳播時(shí)聲學(xué)參量與介質(zhì)粒度、濃度等工藝參數(shù)具有很好的相關(guān)性。通過綜合分析選礦工藝流程中礦漿流體特性、礦漿中微量氣泡的存在形式以及對(duì)超聲波傳輸衰減的影響程度等，設(shè)計(jì)出特有的測(cè)量裝置以避免復(fù)雜的除氣裝置，確保儀表在工藝礦漿等懸濁液中顆粒粒徑差異性較大、含氣量不穩(wěn)定等惡劣工況下也具有足夠的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍和檢測(cè)靈敏度。設(shè)計(jì)過程中選擇合適的耐磨內(nèi)襯材料，成功解決了在線應(yīng)用測(cè)量裝置耐磨度不佳的關(guān)鍵問題。目前DF-6420型超聲波(礦漿)濃度計(jì)已成功應(yīng)用于40多個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，在超過200個(gè)礦山磨選工藝中的給礦、溢流、底流、沉砂等工藝點(diǎn)的礦漿濃度測(cè)量中得到驗(yàn)證。

2.1 技術(shù)參數(shù)：

①在線測(cè)量精度：2.0%(1σ)；②濃度測(cè)量范圍：-70%(S.G，與測(cè)量介質(zhì)有關(guān))；③濃度信號(hào)輸出：4～20 mA，最大負(fù)載750 Ω；④繼電器輸出：高、低濃度報(bào)警(120 mA，250 Vac)；⑤測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)：管段式(標(biāo)準(zhǔn))、浸入式；⑥防護(hù)等級(jí)：變送器IP65，管段式傳感器IP68，浸入式傳感器大于IP68。

2.2 應(yīng)用領(lǐng)域與效果

DF-6420型超聲波(礦漿)濃度計(jì)共有兩種測(cè)量裝置。一為管段式，為標(biāo)準(zhǔn)型，可以直接在待測(cè)濃度的工藝管道上選取合適位置安裝，例如冶金礦山領(lǐng)域上給礦、溢流、底流、沉砂、尾礦等工藝點(diǎn)；二為浸入式，適合大口徑的管道、敞口容器(槽、罐、池)等。

凡是懸濁液或兩相流待測(cè)介質(zhì)濃度檢測(cè)均適合采用DF-6420型超聲(礦漿)濃度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。截至2014年底，已成功應(yīng)用于50余個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，260多臺(tái)產(chǎn)品長期運(yùn)行在礦山磨選工藝中的給礦、溢流、底流、沉砂等工藝點(diǎn)，無需維護(hù)。裝置的耐磨性能和可靠性能得到充分證明。

除了冶金礦山領(lǐng)域，其它如市政污水、工業(yè)廢水等環(huán)保處理工藝、化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)和過程控制也可應(yīng)用該產(chǎn)品。

3 超聲波(礦漿)濃度計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)

超聲波(礦漿)濃度計(jì)用于檢測(cè)礦漿等懸濁液或兩相流的優(yōu)勢(shì)：

(1)超聲衰減與待測(cè)定介質(zhì)的分散物質(zhì)體積濃度相關(guān)，與測(cè)定對(duì)象無關(guān)，也不受懸濁液或兩相流的顏色、pH值、電導(dǎo)率的影響，能檢測(cè)固態(tài)、乳化顆粒等的懸濁顆粒。

(2)超聲頻率和測(cè)量裝置間距設(shè)計(jì)選擇合適，輸出的超聲衰減信號(hào)對(duì)于待測(cè)介質(zhì)濃度呈單調(diào)關(guān)系，因此可進(jìn)行大動(dòng)態(tài)范圍的濃度檢測(cè)和控制。

(3)超聲衰減測(cè)量裝置系統(tǒng)沒有突出部分和機(jī)械可動(dòng)部分，容易安裝、保養(yǎng)和維修。

(4) 因其內(nèi)裝自動(dòng)校正電路，所以能測(cè)定系統(tǒng)的正常、異常工作狀態(tài)。而且能夠根據(jù)量程調(diào)整刻度。在滿刻度的濃度測(cè)定范圍中，任意設(shè)定線性量程。

(5)超聲波(礦漿)濃度計(jì)響應(yīng)速度快、測(cè)量周期短，很適合在線濃度檢測(cè)，且可以根據(jù)工藝濃度檢測(cè)點(diǎn)的具體情況設(shè)計(jì)成不同裝置形式(管段式、浸入式等)。

基于超聲衰減原理設(shè)計(jì)濃度計(jì)在應(yīng)用中也有不足之處：

(1)超聲衰減易受懸濁液或兩相流中氣泡影響，同一粒徑的氣泡與介質(zhì)對(duì)超聲衰減影響相差2個(gè)數(shù)量級(jí)。工業(yè)應(yīng)用過程中，待測(cè)介質(zhì)中存在氣泡時(shí)，超聲波散射作用加強(qiáng)，表面上顯示高濃度，而實(shí)際濃度卻較低，甚至不能測(cè)量?？梢栽谶x擇安裝位置和超聲衰減信號(hào)處理上采取適當(dāng)措施以克服礦漿中氣泡的不利影響。如果待安裝濃度計(jì)的位置極度不穩(wěn)定，氣泡量很大，則需增加附屬裝置來滿足測(cè)量條件。

(2)超聲衰減與介質(zhì)粒徑有關(guān)。對(duì)于某一固定頻率的超聲波透過待測(cè)介質(zhì)時(shí)，在一定粒度變化范圍內(nèi)介質(zhì)粒徑和衰減呈反比例的相關(guān)關(guān)系。對(duì)于某一工業(yè)生產(chǎn)工藝運(yùn)行正常時(shí)，介質(zhì)粒徑分布是恒定的，大多呈正態(tài)分布。由于采用獨(dú)有的專利方法來選擇適合的超聲頻率和測(cè)量裝置間距，DF-6420型超聲波(礦漿)濃度計(jì)受介質(zhì)粒徑的實(shí)際影響并不大。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐

DF-6420型超聲波(礦漿)濃度計(jì)自2010年應(yīng)用于西鋼紅水河選礦廠至今，安全可靠，故障率低，維修方便，精度較高。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)精礦礦漿20個(gè)樣品的濃度化驗(yàn)值和檢測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。

由表1可知，采用DF-6420型超聲波(礦漿)濃度計(jì)對(duì)該選廠精礦礦漿20個(gè)樣品的檢測(cè)值與實(shí)際烘干化驗(yàn)值較為一致，結(jié)果最大差值僅2.88個(gè)百分點(diǎn)，顯示出該濃度計(jì)可靠性和準(zhǔn)確性。

表1 紅水河選廠精礦樣品濃度化驗(yàn)值與檢測(cè)值對(duì)比結(jié)果

樣品序號(hào)化驗(yàn)值/%檢測(cè)值/%誤差/百分點(diǎn)樣品序號(hào)化驗(yàn)值/%檢測(cè)/%值誤差/百分點(diǎn)127.6028.010.411140.0842.962.88229.1028.16-0.941245.1443.37-1.77342.0843.381.301344.6746.421.75445.4946.501.011449.4547.18-2.27532.1630.62-1.541543.8341.78-2.05640.8642.031.171635.0332.78-2.25738.2039.961.761726.2727.641.37834.1734.350.181839.4737.98-1.49938.2039.961.761946.5448.451.911036.5934.86-1.732045.3747.321.95

5 結(jié) 論

超聲波(礦漿)濃度計(jì)可實(shí)現(xiàn)礦漿濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有精度高、量程大、標(biāo)定簡(jiǎn)單、維護(hù)量小、投資費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，有助于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制。超聲波(礦漿)濃度計(jì)目前在黑色、有色等金屬礦山選廠，能有效提高磨選工藝生產(chǎn)效率，提升了選礦自動(dòng)化水平，并帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2015-11-25)

崔祜林(1971—)，男，高級(jí)工程師，118002 遼寧省丹東市沿江開發(fā)區(qū)濱江中路136號(hào)。