楊小權(quán)，李 博，喬少利

(國能榆林能源有限責(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于煤炭行業(yè)綠色發(fā)展具有重要意義。

準(zhǔn)確檢測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對于實(shí)現(xiàn)選煤生產(chǎn)自動化控制具有重要意義[7-8]。

1 超聲技術(shù)檢測煤泥水濃度發(fā)展現(xiàn)狀

目前，選煤廠煤泥水濃度檢測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種方法因其檢測結(jié)構(gòu)精密、應(yīng)用環(huán)境要求較高，不適合現(xiàn)場在線檢測，在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用優(yōu)勢較為明顯。通過對以上6種煤泥水濃度測量方法進(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，不能在線測量且測量時(shí)間冗長；放射性同位素法對輻射防護(hù)要求嚴(yán)格，操作過程如有不當(dāng)極易對人身造成傷害，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法對光源要求嚴(yán)格，測試裝置的設(shè)計(jì)復(fù)雜，測試結(jié)果受環(huán)境影響較大；壓差法需要在靜止的礦漿中對不同深度的礦漿壓力進(jìn)行測量。

而利用超聲技術(shù)檢測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]；三是利用超聲波測量方法還可以幫助分析煤泥水濃度參數(shù)在檢測過程中的各種影響因素，不斷提高測量結(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量方法在工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

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

2 超聲技術(shù)檢測煤泥水濃度的應(yīng)用原理

由于超聲技術(shù)在檢測過程中不與檢測溶液直接接觸，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)，會發(fā)生聲速的變化和超聲波的衰減。通過測量超聲波的傳播時(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，測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，超聲波檢測煤泥水濃度的數(shù)學(xué)模型見式(2)：

(2)

式中：C——超聲波檢測煤泥水濃度，g/L；

T——測量時(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，即可從測量電壓得到濃度值。

3 超聲波濃度檢測裝置方案設(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)的煤泥水濃度檢測裝置。檢測裝置的總體框架中包含主機(jī)、信號模塊、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難題，本檢測系統(tǒng)基于超聲波衰減、聲速檢測的雙原理，通過更換高、低頻率來檢測不同粒度的煤泥水，搭配差分放大器和包絡(luò)檢波模式來拾取回波信號，進(jìn)一步提升測量分辨率和精度。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、對外信號接口輸入輸出、整機(jī)供電外的功能。主機(jī)不僅僅只是簡單地接收數(shù)據(jù)，還需要對數(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。

信號模塊則負(fù)責(zé)傳感器信號驅(qū)動和檢測以及數(shù)據(jù)預(yù)處理。在每個(gè)測量循環(huán)中，信號模塊會將預(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)是信號模塊所提供的基本數(shù)據(jù)，主機(jī)需要對這些數(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。

信號模塊單板包括2個(gè)主要板塊，分別是24 V 電源板和信號板。24 V電源板為信號模塊提供電源支持，信號板則負(fù)責(zé)信號收發(fā)和溫度采集。信號板作為信號模塊的核心部分，負(fù)責(zé)傳感器信號的驅(qū)動和檢測，對數(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

本方案所用的檢測系統(tǒng)采用uC/OSIII嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件基礎(chǔ)平臺，該操作系統(tǒng)可以高效地驅(qū)動2個(gè)STM32F104系列硬件平臺的外設(shè)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的測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，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，為整個(gè)檢測系統(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，才能夠確保測量的準(zhǔn)確性和可靠性。具體的濃度測量流程如圖4所示。

圖4 濃度測量流程

3.2 技術(shù)指標(biāo)與應(yīng)用場景

本方案所述的檢測技術(shù)具有以下指標(biāo)：檢測介質(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)。檢測范圍為0～3 g/mL，可以滿足絕大部分工藝及場景的需求。檢測精度達(dá)0.02 g/mL，可以滿足高精度檢測的要求。數(shù)據(jù)接口電流信號采用4～20 mA，具有穩(wěn)定可靠、抗干擾等特點(diǎn)，適用于工業(yè)場景中長距離傳輸數(shù)據(jù)的需求。該方案具有廣泛的應(yīng)用場景，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，檢測后的煤泥水樣品經(jīng)濃度儀回礦管道返回濃縮池內(nèi)。同時(shí)，使用安裝濃度檢測儀之前的人工取樣方式進(jìn)行同步取樣并采用烘干法測量濃度(取樣濃度)，以對超聲波檢測儀得到的數(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，通過分級篩分和稱重來獲得不同粒度顆粒的濃度；對于粒度較小的樣本，烘干稱重法能夠更為精確地測定濃度，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，以評估標(biāo)定公式的擬合程度和誤差情況。在測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)性測試和穩(wěn)定性測試，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 測試效果對比

對濃度計(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)行人工取樣檢測與檢測儀濃度計(jì)算的數(shù)據(jù)提取，對濃縮機(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號濃度計(jì)驗(yàn)證對比見表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號濃度計(jì)驗(yàn)證對比

圖5 濃縮機(jī)入料處取樣濃度

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

濃縮機(jī)底流處2號濃度驗(yàn)證對比見表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號濃度驗(yàn)證對比

圖6 濃縮機(jī)底流處取樣濃度

在濃縮機(jī)底流處人工取樣測得的煤泥水濃度與在線濃度檢測儀所測濃度在各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的平均絕對誤差為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)方案中對超聲波檢測的原理、流程以及檢測參數(shù)等方面進(jìn)行了探討，并對該檢測裝置進(jìn)行了硬件與軟件的設(shè)計(jì)與檢測。

(2)基于上述方案設(shè)計(jì)的超聲波濃度檢測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中存在的問題，能夠覆蓋選煤廠所有煤泥水濃度檢測需求的工藝點(diǎn)。同時(shí)，該方案所設(shè)計(jì)的在線濃度檢測儀在工業(yè)測試中取得了較好效果，檢測誤差率在7.183 g/L以內(nèi)，具有較高的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，對選煤廠的智能化改造具有積極的指導(dǎo)意義。