基于紅外光學(xué)透射法的煤泥浮選入料濃度檢測(cè)

高 鵬

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

基于紅外光學(xué)透射法的煤泥浮選入料濃度檢測(cè)

高 鵬1,2

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

煤泥浮選入料的濃度是浮選操作中的重要因素。針對(duì)傳統(tǒng)射線濃度計(jì)使用限制，差壓式濃度計(jì)檢測(cè)精度不高以及選煤廠浮選過(guò)程中入料濃度檢測(cè)存在的問(wèn)題，提出了一種新型的光學(xué)透射檢測(cè)方法。文章介紹了紅外光學(xué)透射法檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)、檢測(cè)原理、電路設(shè)計(jì)以及標(biāo)定方法，通過(guò)研究紅外光線在穿透入料煤泥水介質(zhì)后的剩余量與煤泥水濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合光吸收定律，計(jì)算出待測(cè)量的入料濃度。試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定后，該方法在檢測(cè)濃度的客觀性、真實(shí)性方面相比以往有了顯著提高，檢測(cè)精度能夠滿足選煤廠煤泥浮選濃度要求，且安全環(huán)保。

入料濃度；紅外光；光學(xué)透射；光吸收定律

入浮煤漿濃度是影響浮選效果的重要因素之一[1]。在我國(guó)，濃縮浮選入料濃度一般為100～200 g/L，直接浮選入料濃度應(yīng)控制在60～100 g/L，最佳分選濃度為90 g/L左右[2]。選煤廠常用的濃度測(cè)量?jī)x表一般為射線濃度計(jì)、超聲波濃度計(jì)、光電式濃度計(jì)、差壓法濃度計(jì)等，其中：射線濃度計(jì)量程大，維護(hù)量小，但放射源存在環(huán)境和安全隱患，同時(shí)測(cè)量浮選煤漿濃度時(shí)，誤差較大，如被測(cè)濃度為60 g/L時(shí)，相對(duì)誤差達(dá)10%[3]；超聲波濃度計(jì)易受氣泡的影響，當(dāng)氣泡過(guò)多時(shí)，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性；差壓法濃度計(jì)容易受到流動(dòng)沖擊的影響，僅在介質(zhì)和溶劑密度差較大時(shí)才適用?；诩t外光學(xué)透射法的濃度計(jì)利用了光穿過(guò)被測(cè)物時(shí)被吸收衰減的現(xiàn)象，根據(jù)檢測(cè)光衰減程度和被測(cè)物濃度相關(guān)的原理而研制的。通過(guò)測(cè)量光通過(guò)浮選入料的吸收量，再根據(jù)透射率與被測(cè)煤泥水的濃度相關(guān)的原理，可以得到所需測(cè)量數(shù)據(jù)。利用光學(xué)透射檢測(cè)煤泥浮選入料濃度時(shí)，確定合理的光源是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要光線既能在高濃度時(shí)穿透待測(cè)的入料，又能在低濃度時(shí)保持線性比例輸出。

1 光學(xué)透射法檢測(cè)濃度的原理

檢測(cè)裝置測(cè)量的基本原理是利用了光吸收定律，又稱朗伯-比爾定律。它是光吸收的基本定律，適用于所有的電磁輻射和所有的吸光物質(zhì)，包括氣體、固體、液體、分子、原子和離子。朗伯-比爾定律是吸光度法、比色分析法和光電比色法的定量基礎(chǔ)，其中光被吸收的量正比于光程中產(chǎn)生光吸收的分子數(shù)目[4]。

朗伯-比爾定律計(jì)算公式為：

A=lg(I0/I)=lg(1/T)=Kbc，

(1)

式中：A為吸光度；I0、I為入射光及透射光強(qiáng)度；T為投射比；K為光被吸收的比例系數(shù)；b為吸收層厚度，cm；c為吸光物質(zhì)的濃度，g/L。

當(dāng)一束平行單色光垂直通過(guò)某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí)，其吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c及吸收層厚度b成正比，說(shuō)明紅外光在經(jīng)過(guò)煤泥水后的衰減程度與液體中的懸浮物濃度有關(guān)。光學(xué)取樣探頭上發(fā)射器發(fā)送的紅外光在傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)被測(cè)物的吸收、反射和散射后，僅有一小部分光線能照射到檢測(cè)器上，由于透射光的透射率與被測(cè)煤泥水的濃度成一定比例，因此通過(guò)測(cè)量透射光的透射率就可以計(jì)算出煤泥水的濃度。

2 裝置的構(gòu)成

光學(xué)透射檢測(cè)裝置的檢測(cè)流程圖如圖1所示。該裝置主要由光學(xué)取樣探頭、采樣電路、放大電路、顯示輸出四部分組成。在光學(xué)取樣探頭部分，探頭發(fā)射紅外強(qiáng)光束，部分光束穿過(guò)待測(cè)介質(zhì)后被探測(cè)器接收；在采樣電路部分，經(jīng)過(guò)濾波剔除干擾后對(duì)采樣信息進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)；放大電路將電流信號(hào)值與內(nèi)部設(shè)定的算法進(jìn)行比對(duì)，最后放大轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)輸出給顯示端。輸出零點(diǎn)和量程設(shè)置的調(diào)整，均位于輸出顯示電路板上，并標(biāo)有“0”和“Out Zero”。

圖1 檢測(cè)裝置流程圖

3 光學(xué)取樣探頭

一束預(yù)聚焦的紅外強(qiáng)光束通過(guò)待測(cè)煤泥水時(shí)，流體中的顆粒吸收量與其濃度成一定比例，紅外強(qiáng)光的波長(zhǎng)為950 nm，選擇這一波長(zhǎng)可消除可見顏色微粒和工藝流體產(chǎn)生的影響。光透過(guò)流體到達(dá)硅探測(cè)器后，其產(chǎn)生的電流信號(hào)強(qiáng)度也與被檢測(cè)顆粒濃度成一定比例，將微弱的電流信號(hào)通過(guò)電子信號(hào)轉(zhuǎn)換器放大，可得到一個(gè)線性的讀數(shù)。光學(xué)取樣探頭主要組成件如圖2所示，取樣探頭外觀的設(shè)計(jì)符合流體動(dòng)力學(xué)原理，可消除堵塞，粘粘等問(wèn)題。取樣探頭外觀設(shè)計(jì)時(shí)采用透射窗口達(dá)到遮光效果，減少了雜散光對(duì)結(jié)果的影響，在最佳光程長(zhǎng)度時(shí)，線性響應(yīng)在浮選入料濃度最佳的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。

圖2 光學(xué)采樣探頭組成圖

4 電路設(shè)計(jì)

光源發(fā)射電路圖如圖3所示，U6A振蕩器信號(hào)經(jīng)過(guò)U7分頻，形成占空比50%的方波，經(jīng)過(guò)Q3驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管形成調(diào)制光源。信號(hào)接收電路圖如圖4所示，D4是光電二極管，接收到的調(diào)制光信號(hào)，經(jīng)過(guò)U4B跨阻放大器及U4A線性放大，由模擬開關(guān)U9實(shí)現(xiàn)同步解調(diào)，由U3直流差分放大器輸出，輸出數(shù)據(jù)代表接收光信號(hào)的強(qiáng)度。如果光信號(hào)太強(qiáng)，輸出電壓太高，可以調(diào)整電阻R2，減小光電轉(zhuǎn)換比例。

在測(cè)量光吸收參數(shù)時(shí)，首先調(diào)節(jié)光信號(hào)強(qiáng)度，使得接收部分輸出電壓為U1=1.00 V，之后放入煤泥水介質(zhì)，再次記錄其輸出電壓U2，這兩次輸出電壓的比值，反映了煤泥水濃度特性的參數(shù)。光吸收衰減系數(shù)A=U2/U1。

圖3 光源發(fā)射電路圖

圖4 信號(hào)接收電路圖

采用調(diào)制光源和同步解調(diào)，主要目的是便于在有環(huán)境光條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。即使環(huán)境光中包含交流信號(hào)，但是由于信號(hào)并不同步，對(duì)輸出電壓的影響也不大，并且光電信號(hào)放大器可以采用交流放大的方式，使得測(cè)量電路的動(dòng)態(tài)范圍增大，提高了測(cè)量電路的適用性。

5 標(biāo)定方法

紅外光學(xué)透射法屬于一種間接測(cè)量方法，首先應(yīng)先對(duì)裝置進(jìn)行標(biāo)定才可以使用。一般而言，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，首先將精確稱重的煤泥干粉顆粒均勻分散在已知體積的水中，經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢?，配成一定濃度的煤泥水，然后用不同濃度的煤泥水?duì)測(cè)量?jī)x進(jìn)行標(biāo)定。制作標(biāo)準(zhǔn)濃度的煤泥水時(shí)，必須保證煤泥干粉分布均勻、煤泥干粉粒度上限在0.5 mm以下。在標(biāo)定過(guò)程中，還應(yīng)保證樣品與傳感器探頭間是明亮的自然光線，同時(shí)避免內(nèi)部的反射光線。經(jīng)過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定后的裝置已在陜西黃陵一號(hào)礦選煤廠投入使用。

6 結(jié)語(yǔ)

文章介紹了一種基于紅外光學(xué)透射法的煤泥水濃度在線檢測(cè)方案。該方法適用于選煤廠煤泥浮選入料濃度的監(jiān)測(cè)過(guò)程，解決了選煤廠浮選入料濃度測(cè)量方面的問(wèn)題，克服了現(xiàn)有人工采樣、化驗(yàn)誤差大、實(shí)時(shí)性差的缺陷，有效提高了檢測(cè)工作的準(zhǔn)確性和可靠性，并且操作簡(jiǎn)單。隨著選煤廠自動(dòng)化程度的不斷提高，基于紅外光學(xué)透射法研制的在線檢測(cè)設(shè)備將有著良好的研究和應(yīng)用前景。

[1] 吳大為.浮游選煤技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[2] 黃 波.煤泥浮選技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

[3] 趙能富.用同位素密度計(jì)測(cè)定浮選煤漿濃度時(shí)的精度[J].選煤技術(shù)，1992(5)：20-24.

[4] 章詒學(xué)，何華焜，陳江韓.原子吸收光譜儀[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

Determination of density of flotation feed pulp using infrared optical transmission method

GAO Peng1,2

(1. Tangshan Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology & Engineering Group, Tangshan 063012, Hebei, China; 2. Hebei Province Coal Washing & Engineering Technology Research Center, Tangshan 063012, Hebei, China)

Density of feed pulp is an important factor in flotation process. The traditional ray analytical methods fail to find widespread application for density measurement due to restriction of usage while the densimeters of the differential version generally suffer from the drawbacks of being low in measuring accuracy. For tackling the problem currently encountered in determination of flotation feed pulp density in coal preparation plant, a noval optical transmission method is proposed. The paper presents an introduction to the structure, working principle, electronics desigh of the desimeter proposed and the method for its calibration. The density of the pulp can be calculated based on the remanence of the infrared light after passing through pulp and ist relationship to corresponding slurry water density, and in line with the law of photosorption. As evidenced by test on site after calibration, the measured result is much higher in objectivity truthfulness and accuracy than before, well meeting the requirements of coal preparation plant.

feed pulp density; infrared light; optical transmission;; photoabsorption law

1001-3571(2016)04-0071-03

TD948.9

A

2016-03-11

10.16447/j.cnki.cpt.2016.04.019

天地科技“公司研發(fā)項(xiàng)目”(KJ-2014-TSKY-02)

高 鵬(1980—)，男，河北省唐山市人，工程師，從事選煤領(lǐng)域的自動(dòng)化與信息化工作。

E-mail：penggao.chn@gmail.com Tel：13931498636

高 鵬. 基于紅外光學(xué)透射法的煤泥浮選入料濃度檢測(cè)[J]. 選煤技術(shù),2016(4)：71-73.