基于超聲技術(shù)檢測(cè)煤泥水濃度的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

楊小權(quán)，李 博，喬少利

(國(guó)能榆林能源有限責(zé)任公司洗選中心，陜西省榆林市，719000)

0 引言

煤炭作為我國(guó)重要的一次能源，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和人類生活中具有不可替代的地位。隨著我國(guó)煤炭行業(yè)的不斷發(fā)展，煤泥作為煤礦生產(chǎn)中的產(chǎn)物之一長(zhǎng)期以來受到關(guān)注[1]。在煤礦生產(chǎn)過程中，煤炭在篩分、破碎和浮選等工藝中產(chǎn)生的煤泥需要經(jīng)過處理才能合理利用，煤泥處理是煤礦生產(chǎn)加工過程不可或缺的環(huán)節(jié)，主要包括煤泥脫水、濃縮和干燥等工藝[2]。煤泥的處理效果與濃度的調(diào)控密切相關(guān)，煤泥水濃度的準(zhǔn)確檢測(cè)可以幫助操作人員及時(shí)掌握煤泥處理情況，以調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)并優(yōu)化處理工藝，進(jìn)而提高煤泥處理的效率和產(chǎn)品質(zhì)量，確保煤礦的高效、安全和環(huán)保生產(chǎn)[3-4]。煤泥處理涉及大量的水資源消耗和廢水排放，而煤泥中的懸浮固體物質(zhì)和化學(xué)成分極易對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響[5]，因此科學(xué)完善的煤泥水處理工藝對(duì)于煤炭行業(yè)綠色發(fā)展具有重要意義。

準(zhǔn)確檢測(cè)煤泥水濃度可以合理控制廢水排放，防止環(huán)境污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。在濕法選煤過程中，煤泥水濃度是表征煤泥水混合物中固體煤泥和水?dāng)?shù)量比值的重要參數(shù)，常用固體含量、液固比和質(zhì)量百分比濃度進(jìn)行表示[6]。煤泥水處理是選煤廠工藝中的重要環(huán)節(jié)，其過程復(fù)雜且受多種因素影響，因此煤泥水濃度檢測(cè)對(duì)于實(shí)現(xiàn)選煤生產(chǎn)自動(dòng)化控制具有重要意義[7-8]。

1 超聲技術(shù)檢測(cè)煤泥水濃度發(fā)展現(xiàn)狀

目前，選煤廠煤泥水濃度檢測(cè)的常見方法主要有烘干法、濃度壺法、壓差法、放射性同位素法、圖像處理法以及電荷耦合器件(CCD)測(cè)量法[9-10]。其中前4種方法已廣泛應(yīng)用，后2種方法因其檢測(cè)結(jié)構(gòu)精密、應(yīng)用環(huán)境要求較高，不適合現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)，在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較為明顯。通過對(duì)以上6種煤泥水濃度測(cè)量方法進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，這些方法都存在一定的局限性：如烘干法和濃度壺法需人工操作，不能在線測(cè)量且測(cè)量時(shí)間冗長(zhǎng)；放射性同位素法對(duì)輻射防護(hù)要求嚴(yán)格，操作過程如有不當(dāng)極易對(duì)人身造成傷害，需定時(shí)進(jìn)行標(biāo)定，安全性與可靠性較差；圖像處理法與CCD法對(duì)光源要求嚴(yán)格，測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)復(fù)雜，測(cè)試結(jié)果受環(huán)境影響較大；壓差法需要在靜止的礦漿中對(duì)不同深度的礦漿壓力進(jìn)行測(cè)量。

而利用超聲技術(shù)檢測(cè)煤泥水濃度有如下優(yōu)點(diǎn)：一是超聲波具有穿透力強(qiáng)、方向性好、頻率范圍寬、對(duì)人體無害且受外界因素影響少的特點(diǎn)，因此利用超聲波檢測(cè)煤泥水的狀態(tài)，并將粒度和濃度輸入算法模型進(jìn)行處理，可以實(shí)時(shí)顯示濃度和變化，可為生產(chǎn)提供及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持[11]；二是超聲波還具有非侵入性、實(shí)時(shí)性、無污染和高精度等優(yōu)點(diǎn)，可以有效避免傳統(tǒng)測(cè)量方法中可能存在的取樣誤差和環(huán)境污染問題[12-13]；三是利用超聲波測(cè)量方法還可以幫助分析煤泥水濃度參數(shù)在檢測(cè)過程中的各種影響因素，不斷提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，從而在實(shí)際應(yīng)用中具有較大潛力[14-16]。因此，基于超聲波的煤泥水濃度測(cè)量方法在工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

在超聲波衰減檢測(cè)原理的研究基礎(chǔ)上，筆者提出煤泥水濃度檢測(cè)技術(shù)方案，并設(shè)計(jì)出超聲波在線濃度檢測(cè)儀，經(jīng)過在國(guó)能榆林能源郭家灣選煤廠(以下簡(jiǎn)稱“郭家灣選煤廠”)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了該儀器的有效性，對(duì)超聲濃度檢測(cè)儀的推廣應(yīng)用起到了積極的作用。

2 超聲技術(shù)檢測(cè)煤泥水濃度的應(yīng)用原理

由于超聲技術(shù)在檢測(cè)過程中不與檢測(cè)溶液直接接觸，因此其工作原理是利用超聲波在液體中傳播時(shí)的聲速和衰減特性，通過測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間和幅度變化來推斷液體的濃度[17]。超聲波是一種高頻聲波，其在液體傳播時(shí)會(huì)受到液體中顆粒濃度和溫度等因素的影響，當(dāng)超聲波通過液體中的顆?；驖舛茸兓瘏^(qū)域時(shí)，會(huì)發(fā)生聲速的變化和超聲波的衰減。通過測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間和幅度變化，可以推斷出液體中的濃度信息[18]。測(cè)量過程中，將超聲波發(fā)射器置于液體一端發(fā)射超聲波，將接收器置于另一端接收超聲波信號(hào)，測(cè)量超聲波在液體中的傳播時(shí)間。根據(jù)聲速公式，可以計(jì)算出在液體中傳播的聲速，從而間接地確定液體中溶質(zhì)的濃度。

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，傳感器所接收到的電壓值與發(fā)射電壓之間的關(guān)系可以由衰減系數(shù)表示，見式(1)：

(1)

式中：α——衰減系數(shù)；

Er——發(fā)射電壓，V；

E——電壓值，V；

L——距離，m。

使用SPSS軟件對(duì)不同濃度、溫度下采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用逐步回歸方法進(jìn)行回歸分析后整理得出，超聲波檢測(cè)煤泥水濃度的數(shù)學(xué)模型見式(2)：

(2)

式中：C——超聲波檢測(cè)煤泥水濃度，g/L；

T——測(cè)量時(shí)采集的溫度，℃。

接收探頭接收到的聲波幅度將隨著懸浮液濃度的增加而衰減，聲波幅度轉(zhuǎn)換成的電壓值也隨著濃度的增加而衰減，該濃度-電壓衰減曲線經(jīng)過標(biāo)定后，即可從測(cè)量電壓得到濃度值。

3 超聲波濃度檢測(cè)裝置方案設(shè)計(jì)

基于上述原理，設(shè)計(jì)構(gòu)建了基于超聲波技術(shù)的煤泥水濃度檢測(cè)裝置。檢測(cè)裝置的總體框架中包含主機(jī)、信號(hào)模塊、超聲傳感器、溫度傳感器、電纜和機(jī)械構(gòu)件。該裝置的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意

3.1 技術(shù)方案

為解決選煤廠存在的煤泥含量低導(dǎo)致的介質(zhì)低、濃度差、低衰減率等濃度檢測(cè)難題，本檢測(cè)系統(tǒng)基于超聲波衰減、聲速檢測(cè)的雙原理，通過更換高、低頻率來檢測(cè)不同粒度的煤泥水，搭配差分放大器和包絡(luò)檢波模式來拾取回波信號(hào)，進(jìn)一步提升測(cè)量分辨率和精度。該方案從硬件、軟件與技術(shù)指標(biāo)的層面分別進(jìn)行了創(chuàng)新與改進(jìn)。

3.1.1 硬件方案

硬件總體框架包含主機(jī)與信號(hào)模塊兩大部分，硬件總體框架如圖2所示。

圖2 硬件總體框架

主機(jī)負(fù)責(zé)處理信號(hào)模塊傳送過來的數(shù)據(jù)，其包括除人機(jī)界面、通信接口、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、對(duì)外信號(hào)接口輸入輸出、整機(jī)供電外的功能。主機(jī)不僅僅只是簡(jiǎn)單地接收數(shù)據(jù)，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度處理，包括各類算法、在線標(biāo)定、校準(zhǔn)等。通過這些處理，主機(jī)能夠得到更加準(zhǔn)確和可靠的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

信號(hào)模塊則負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)以及數(shù)據(jù)預(yù)處理。在每個(gè)測(cè)量循環(huán)中，信號(hào)模塊會(huì)將預(yù)處理后的衰減值、溫度值、飛行時(shí)間通過RS485通信(或Modbus)發(fā)送到主機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理。這些數(shù)據(jù)是信號(hào)模塊所提供的基本數(shù)據(jù)，主機(jī)需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的深度處理才能得到更加有價(jià)值的分析結(jié)果。

3.1.2 硬件單板聯(lián)系

該方案的主機(jī)單板由4個(gè)主要板塊組成，包括220 V電源板、主控板、彩屏顯示板、兼容紅外和物理按鍵的按鍵板。其中，220 V電源板為整個(gè)主機(jī)提供電源支持；主控板作為主要控制中心，控制主機(jī)各部分的協(xié)同工作；彩屏顯示板為用戶提供清晰明了的操作界面；兼容紅外和物理按鍵的按鍵板則為用戶提供更為便捷的操作方式。這些板塊的協(xié)同工作，構(gòu)成了一個(gè)功能完備的主機(jī)單板。

信號(hào)模塊單板包括2個(gè)主要板塊，分別是24 V 電源板和信號(hào)板。24 V電源板為信號(hào)模塊提供電源支持，信號(hào)板則負(fù)責(zé)信號(hào)收發(fā)和溫度采集。信號(hào)板作為信號(hào)模塊的核心部分，負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并發(fā)送至主機(jī)進(jìn)行深度處理。同時(shí)，信號(hào)板還負(fù)責(zé)采集溫度數(shù)據(jù)，為主機(jī)提供更為全面的數(shù)據(jù)支持。這2個(gè)板塊的合作協(xié)同，構(gòu)成了一個(gè)功能完備的信號(hào)模塊單板。

硬件單板聯(lián)系如圖3所示。

圖3 硬件單板聯(lián)系

3.1.3 軟件方案

本方案所用的檢測(cè)系統(tǒng)采用uC/OSIII嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件基礎(chǔ)平臺(tái)，該操作系統(tǒng)可以高效地驅(qū)動(dòng)2個(gè)STM32F104系列硬件平臺(tái)的外設(shè)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的測(cè)量流程和軟件處理算法。嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于可以快速響應(yīng)外部信號(hào)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，為整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的軟件支持。整個(gè)流程的實(shí)現(xiàn)需要軟件與硬件協(xié)同工作，才能夠確保測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。具體的濃度測(cè)量流程如圖4所示。

圖4 濃度測(cè)量流程

3.2 技術(shù)指標(biāo)與應(yīng)用場(chǎng)景

本方案所述的檢測(cè)技術(shù)具有以下指標(biāo)：檢測(cè)介質(zhì)包括合介、稀介、煤泥水，基本涵蓋了選煤廠煤泥處理中的多種常見介質(zhì)。檢測(cè)范圍為0～3 g/mL，可以滿足絕大部分工藝及場(chǎng)景的需求。檢測(cè)精度達(dá)0.02 g/mL，可以滿足高精度檢測(cè)的要求。數(shù)據(jù)接口電流信號(hào)采用4～20 mA，具有穩(wěn)定可靠、抗干擾等特點(diǎn)，適用于工業(yè)場(chǎng)景中長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)的需求。該方案具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，可覆蓋選煤廠中的重介旋流器合介液給料、矸石(中煤、精煤)稀介磁選機(jī)入料、浮選工藝入料以及煤泥水濃縮入料及底流等工藝流程。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

4.1 設(shè)備安裝

2022年10月，結(jié)合郭家灣選煤廠的工藝設(shè)備布局特征，將基于上述方案設(shè)計(jì)的超聲波在線濃度檢測(cè)儀安裝在濃縮池車間，濃縮機(jī)的入料與底流通過自流取樣器進(jìn)入取樣管中，超聲波在線濃度檢測(cè)儀通過雙流道轉(zhuǎn)換器分時(shí)段吸取濃縮機(jī)入料和底流樣品進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)后的煤泥水樣品經(jīng)濃度儀回礦管道返回濃縮池內(nèi)。同時(shí)，使用安裝濃度檢測(cè)儀之前的人工取樣方式進(jìn)行同步取樣并采用烘干法測(cè)量濃度(取樣濃度)，以對(duì)超聲波檢測(cè)儀得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證(計(jì)算濃度)。

4.2 標(biāo)定調(diào)試

在實(shí)際應(yīng)用中標(biāo)定調(diào)試是確保濃度儀測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟之一。為了確保標(biāo)定的有效性和可信度，筆者采集了足夠數(shù)量(100+)的樣本數(shù)據(jù)，涵蓋整個(gè)工藝波動(dòng)范圍，并遵循隨機(jī)抽樣的原則以保證數(shù)據(jù)的客觀性。

為了測(cè)定樣本的濃度，使用了篩析法和烘干稱重法。篩析法適用于粒度較大的樣本，通過分級(jí)篩分和稱重來獲得不同粒度顆粒的濃度；對(duì)于粒度較小的樣本，烘干稱重法能夠更為精確地測(cè)定濃度，該方法通過烘干樣本，去除水分后再進(jìn)行稱重，從而獲得更準(zhǔn)確的濃度值。得到濃度數(shù)據(jù)后，將測(cè)定值與超聲衰減因數(shù)錄入標(biāo)定軟件中進(jìn)行線性回歸計(jì)算。通過線性回歸分析建立樣本測(cè)量值和超聲衰減因數(shù)之間的關(guān)系，從而得到標(biāo)定公式。為確保標(biāo)定公式的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)行了相關(guān)系數(shù)、殘差分析等統(tǒng)計(jì)分析，以評(píng)估標(biāo)定公式的擬合程度和誤差情況。在測(cè)定過程中通過添加或刪除樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)，不斷進(jìn)行標(biāo)定公式的優(yōu)化，進(jìn)而得出更準(zhǔn)確的濃度、粒度標(biāo)定公式，隨后進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試和穩(wěn)定性測(cè)試，驗(yàn)證標(biāo)定公式的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，記錄所有的實(shí)驗(yàn)操作步驟、數(shù)據(jù)采集和處理過程，以便日后審查。

通過以上詳細(xì)的標(biāo)定調(diào)試步驟，可以確保粒度儀的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，并使得標(biāo)定過程更為嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)。這樣的標(biāo)定方法能有效地提高濃度儀的測(cè)量準(zhǔn)確性和可靠性，從而確保在實(shí)際應(yīng)用中獲得準(zhǔn)確的濃度和粒度數(shù)據(jù)，為研究提供可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)支持。

4.3 測(cè)試效果對(duì)比

對(duì)濃度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定完成后，在實(shí)際工藝流程中根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔分別進(jìn)行人工取樣檢測(cè)與檢測(cè)儀濃度計(jì)算的數(shù)據(jù)提取，對(duì)濃縮機(jī)的入料和底流分別取15組樣品進(jìn)行精度檢驗(yàn)。濃縮機(jī)入料處1號(hào)濃度計(jì)驗(yàn)證對(duì)比見表1，濃縮機(jī)入料處取樣濃度如圖5所示。

表1 濃縮機(jī)入料處1號(hào)濃度計(jì)驗(yàn)證對(duì)比

圖5 濃縮機(jī)入料處取樣濃度

在濃縮機(jī)入料處人工取樣測(cè)得的煤泥水濃度與在線濃度檢測(cè)儀所測(cè)濃度在各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的平均絕對(duì)誤差為6.008 g/L。

濃縮機(jī)底流處2號(hào)濃度驗(yàn)證對(duì)比見表2，濃縮機(jī)底流處取樣濃度如圖6所示。

表2 濃縮機(jī)底流處2號(hào)濃度驗(yàn)證對(duì)比

圖6 濃縮機(jī)底流處取樣濃度

在濃縮機(jī)底流處人工取樣測(cè)得的煤泥水濃度與在線濃度檢測(cè)儀所測(cè)濃度在各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的平均絕對(duì)誤差為7.183 g/L。

5 結(jié)論

(1)基于超聲波在煤泥水中的傳播特性及衰減機(jī)理，確定了使用超聲波進(jìn)行煤泥水濃度檢測(cè)的可行性，并基于超聲波衰減規(guī)律確定了煤泥水濃度與超聲波衰減率的函數(shù)關(guān)系，從超聲波濃度計(jì)的設(shè)計(jì)方案中對(duì)超聲波檢測(cè)的原理、流程以及檢測(cè)參數(shù)等方面進(jìn)行了探討，并對(duì)該檢測(cè)裝置進(jìn)行了硬件與軟件的設(shè)計(jì)與檢測(cè)。

(2)基于上述方案設(shè)計(jì)的超聲波濃度檢測(cè)儀在郭家灣選煤廠進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明，該方案能夠有效解決現(xiàn)階段選煤廠煤泥水濃度檢測(cè)中存在的問題，能夠覆蓋選煤廠所有煤泥水濃度檢測(cè)需求的工藝點(diǎn)。同時(shí)，該方案所設(shè)計(jì)的在線濃度檢測(cè)儀在工業(yè)測(cè)試中取得了較好效果，檢測(cè)誤差率在7.183 g/L以內(nèi)，具有較高的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，對(duì)選煤廠的智能化改造具有積極的指導(dǎo)意義。