金屬礦山充填礦漿濃度計的改進

張玉達 蓋黎晶 鄒 爽

（1．蕪湖和成礦業(yè)發(fā)展有限公司；2．山東杰控電氣技術(shù)有限公司）

礦漿密度和質(zhì)量濃度（以下簡稱濃度）有唯一對應(yīng)關(guān)系，實際生產(chǎn)過程中作為重要的數(shù)據(jù)為生產(chǎn)管理提供依據(jù)。核子密度計、超聲波密度計、差壓密度計等密度檢測儀表都在礦漿密度檢測場合有所應(yīng)用，同時，上述各類檢測儀表各有特點，如核子密度計屬于外夾非接觸式測量，射源半衰期長，儀表壽命長及穩(wěn)定性高，但環(huán)保及安全要求高，射源申請難度大，保管責(zé)任重，且有人身輻射危險；超聲波密度計屬于非接觸式，無射源要求，但受顆粒、氣泡影響較大，濃度較高時檢測不準確；差壓密度計屬于接觸式測量，容易受流體動壓等干擾的影響，普通結(jié)構(gòu)或者抗干擾方式很難滿足充填現(xiàn)狀；這些問題給礦山企業(yè)生產(chǎn)帶來較多不便和安全風(fēng)險。結(jié)合礦漿濃度測量工況，重新設(shè)計差壓式密度計的機械結(jié)構(gòu)和程序算法，提升差壓密度計測量準確性和穩(wěn)定性。

1 礦漿密度計現(xiàn)狀

1.1 核子密度計

核子密度計利用同位素放射原理實時檢測礦漿密度，射線通過被測物體時會衰減，衰減程度與被測物體密度成函數(shù)關(guān)系。根據(jù)傳感器檢測到的輻射衰減量，可確定當(dāng)前礦漿密度。

該密度計優(yōu)點為非接觸式測量，無需考慮磨損腐蝕等情況，使用壽命長；安裝簡單無需破管；受礦漿流速、粒度等參數(shù)變化影響較小，測量準確。

該密度計缺點為必須配備放射源，放射源申請時有一定門檻和難度，放射源的保管和使用過程中存在環(huán)保壓力和安全風(fēng)險。

1.2 超聲波密度計

超聲波密度計利用聲波在不同密度物體內(nèi)傳播的速度不同進行密度測量，發(fā)射器發(fā)出聲波后開始計時，接收器接收到信號計時結(jié)束，根據(jù)時間間隔計算聲波傳播速度，再根據(jù)計算速度推算出被測礦漿的密度。

該密度計優(yōu)點為無須配備放射源，通常為非接觸式測量，并且無需破管即可安裝。

該密度計缺點為抗干擾能力較差，從而測量不穩(wěn)定，當(dāng)被測礦漿內(nèi)部含有氣泡時測量偏差大，而且測量結(jié)果受礦漿流速、粒度變化影響較大。

1.3 差壓密度計

差壓密度計利用液體壓強定律進行密度測量，傳感器部分由上下2個傳感器構(gòu)成，2個傳感器在豎直高度上相差一定距離，并同時浸沒在被測礦漿中。2個傳感器檢測的壓力差值與被測礦漿密度呈線性關(guān)系，根據(jù)壓差測量值可直接計算出被測礦漿密度。

該密度計優(yōu)點為無須配備放射源，而且測量結(jié)果受氣泡、礦漿流速、粒度變化影響小。

該密度計缺點為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法測量結(jié)果受礦漿流動壓力變化影響較大。

在礦漿濃度測量場合應(yīng)用中，為了改善現(xiàn)場環(huán)境、避免有害射線，同時又能保證測量結(jié)果準確穩(wěn)定，差壓密度計成為最優(yōu)選擇。針對差壓密度計傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法測量結(jié)果受礦漿流動壓力變化影響較大的缺點做相應(yīng)改造和提升，使其更好地適用于礦漿濃度測量場合［1-5］。

2 改進前差壓密度計性能分析

2.1 壓差密度計結(jié)構(gòu)

本研究所述差壓密度計由三部分組成：檢測裝置、傳感器、智能儀表。

傳感器分為兩部分：高位傳感器和低位傳感器，如圖1所示。工作時2個傳感器都浸沒在礦漿中，實時檢測各自壓力值，并將壓力值傳輸至智能儀表。

檢測裝置用于安裝傳感器，并為傳感器提供完全浸沒條件，如圖2所示。檢測裝置安裝在礦漿輸送管道上，左側(cè)為進料口，右側(cè)為出料口，下側(cè)為檢修排污口，傳感器由上側(cè)安裝口裝入。

智能儀表用于接收2個壓力傳感器測的信號，并對信號進行處理，最終計算出礦漿密度和濃度，再將密度和濃度信號遠傳至中控系統(tǒng)，供生產(chǎn)使用。

2.2 測量干擾因素實驗

差壓密度計的測量原理為液體壓強定律p=ρgh。已知重力加速度g、傳感器高度差h和通過測量傳感器的壓力差p，可計算出密度ρ。

導(dǎo)致儀表測量誤差的因素可分為儀表內(nèi)部因素和儀表外部因素。

（1）內(nèi)部因素。儀表內(nèi)部因素是普遍存在的，如傳感器自身有測量誤差、傳感器與智能儀表信號變送時有誤差、環(huán)境溫度變化導(dǎo)致電子元器件性能變化、現(xiàn)場電噪聲干擾等。在儀表設(shè)計過程中，內(nèi)部因素可通過硬件電路設(shè)計（如差分電路、濾波電路等）、軟件算法（軟件濾波）等方式很好地補償。

（2）外部因素?，F(xiàn)場使用過程中，礦漿輸送管路內(nèi)的情況是實時變化的，同時礦漿通過密度計時狀態(tài)也在實時變動。如果被測礦漿流動速度較快或流動不規(guī)律時，礦漿內(nèi)部壓力會發(fā)生相應(yīng)變化，傳感器測量結(jié)果也會受到影響，最終導(dǎo)致測量不準確。

下面是對某礦山差壓密度計所進行的實驗記錄，為方便查看，在取樣和記錄時，已將密度值轉(zhuǎn)換為濃度值。當(dāng)被測礦漿低速平穩(wěn)流動時，儀表測量值和實際值對照如圖3所示（圖中數(shù)據(jù)按照實際濃度大小排序，與測量時間順序無關(guān)）。

當(dāng)被測礦漿以不穩(wěn)定流量低速流動時，儀表測量值和實際值對照如圖4所示。

當(dāng)被測礦漿以穩(wěn)定流量快速流動時，儀表測量值和實際值對照如圖5所示。

當(dāng)被測礦漿以不穩(wěn)定流量快速流動時，儀表測量值和實際值對照如圖6所示。

由以上結(jié)果可見，當(dāng)被測礦漿以不穩(wěn)定流量低速流動時，密度測量值與實際值相差較?。划?dāng)被測礦漿流動不穩(wěn)定或被測礦漿快速流動時，測量誤差較大。

流動礦漿密度測量誤差一方面與被測礦漿流動速度有關(guān)，另一方面與被測礦漿流量穩(wěn)定程度有關(guān)。

3 差壓密度計改進和實驗

企業(yè)實際生產(chǎn)過程中，管道內(nèi)礦漿流動情況復(fù)雜，流體的流動穩(wěn)定性和流動速度不可避免地發(fā)生變化，當(dāng)被測礦漿流動不穩(wěn)定或被測礦漿快速流動時，差壓密度計受影響則測量誤差較大，為此，必須對差壓密度計進行相應(yīng)改進。

3.1 電路器件改進

電路器件對檢測過程至關(guān)重要，合理的電路設(shè)計和電路元器件的選用是差壓密度計工作可靠的前提。

首先，改進信號采集電路，采用集成運算放大器構(gòu)建差分輸入電路，當(dāng)環(huán)境溫度或電磁噪聲對元器件和線路造成共模干擾時，差分電路會將干擾抵消，達到抑制降噪效果。

其次，合理調(diào)整PCB電路板布線，降低噪聲對電路板的影響，同時，采用低通濾波器電路使得高頻波動得以濾除，數(shù)據(jù)測量更加穩(wěn)定。

3.2 檢測裝置改進

為減少被測礦漿流動不穩(wěn)定或被測礦漿快速流動對傳感器的沖擊干擾，檢測裝置增設(shè)了多級穩(wěn)流緩沖裝置，如圖7所示。

首先，檢測裝置入口增設(shè)阻流板，以減少因礦漿流量過大或礦漿流量變化過快對傳感器的沖擊。一方面阻流板可改變礦漿流向，使得礦漿不直接流向傳感器，從而降低對低壓側(cè)傳感器的沖擊干擾；另一方面合適的阻流板截面積和安裝角度，可有效避免礦漿沉降，使得礦漿流動更加順暢，流速更加穩(wěn)定。

其次，檢測裝置內(nèi)部增設(shè)多孔穩(wěn)流套管，均勻取樣的同時減少了礦漿流動對壓力傳感器的沖擊。

3.3 軟件部分改進

智能儀表中加入自適應(yīng)算法，利用高級語言編程，將差壓密度計實際運行情況和數(shù)據(jù)進行實時記錄（如兩差壓變送器檢測值、變化偏差、變化率、變化間隔時間、相位角等），并按時間分段在智能儀表內(nèi)部形成運行曲線。

根據(jù)運行曲線和智能儀表內(nèi)部的預(yù)設(shè)判定數(shù)據(jù)，智能儀表自動判別當(dāng)前數(shù)值是否正常。如果判定結(jié)果為不正常變化，智能儀表根據(jù)曲線偏移程度自動將數(shù)據(jù)調(diào)整或舍棄。

配合硬件變動改進了軟件濾波算法，使濾波算法更適用于礦漿濃度測量。

3.4 改進后效果

差壓密度計改進后，被測礦漿靜止或低速平穩(wěn)流動時，儀表測量值和實際值對照如圖8所示。

當(dāng)被測礦漿以不穩(wěn)定流量低速流動時，儀表測量值和實際值對照如圖9所示。

當(dāng)被測礦漿以穩(wěn)定流量快速流動時，儀表測量值和實際值對照如圖10所示。

當(dāng)被測礦漿以不穩(wěn)定流量快速流動時，儀表測量值和實際值對照如圖11所示。

對比改進前實驗數(shù)據(jù)，當(dāng)被測礦漿以不穩(wěn)定流量低速流動時，測量誤差都很小；當(dāng)被測礦漿流動不穩(wěn)定或被測礦漿快速流動時，改進后測量誤差極大減小。

4 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)差壓密度計的工作誤差受被測礦漿流動速度和流量穩(wěn)定性影響，當(dāng)被測礦漿流動不穩(wěn)定或被測礦漿快速流動時，測量誤差較大，難以滿足礦漿密度測量工況。

（2）改進了差壓密度計的電路設(shè)計，抵消工業(yè)現(xiàn)場共模干擾、濾除高頻波動；檢測裝置增設(shè)阻流板檢測裝置和多孔穩(wěn)流套管，降低了測量過程的沖擊干擾；使用軟件濾波算法和自適應(yīng)算法，再次進行干擾抑制。