新型礦漿液位檢測裝置設計與試驗模擬

李錠，閆杰，李東明，冒守靖

(長沙礦山研究有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

在有色金屬行業，有90%的礦物都是通過浮選工藝處理，浮選工藝對于整個礦業生產的重要程度不言而喻[1?6]。礦漿液位是影響浮選效果的主要因素之一，現在國內浮選機基本上都依賴工人定時巡查并手動調節礦漿液位，是比較低效的。想要對礦漿液位進行自動控制，就必須做到對礦漿液位的實時監測，這對于整個浮選自動化十分關鍵[7?8]。目前，國內的一些礦漿液位檢測裝置并不能很好地解決檢測過程中遇到的各種問題。一是礦漿的腐蝕和附著，會影響裝置的活動和測量精度。為了應對礦漿附著導致裝置卡死，還需增設沖洗裝置，造成不便；二是浮選選礦時，礦漿的攪拌和氣泡上浮會引起波動，從而導致測量值波動大[9?10]。為了解決這些問題，更好地檢測礦漿液位，提高選礦的效益，特對礦漿液位檢測裝置進行研究與設計。

1 裝置總體設計

1.1 材料選擇

浮選槽內環境惡劣，礦漿具有腐蝕性，要求裝置耐腐蝕。本文設計的裝置架構采用PVC管。PVC管的主要成份為聚氯乙烯，PVC材料在實際使用中可根據不同的用途加入不同的添加劑，使其呈現不同的物理性能和力學性能[11]，比如增強其耐熱性、韌性、延展性等。聚氯乙烯造價低，有較好的抗拉、抗彎、抗壓、抗沖擊能力，且耐腐蝕性、耐藥品性優良，不受潮濕水分的影響。其重量輕，使得裝置安裝簡單方便，可以利用彈簧夾板將整個測量裝置固定，每隔一段時間打開彈簧夾板，對測量裝置進行清洗，這樣也較好地解決礦漿附著給測量精度帶來的影響。

1.2 傳感器選型

本試驗選擇磁致伸縮液位傳感器。其檢測機理是基于傳感器核心檢測元件磁致伸縮波導絲與游標磁環間的魏德曼效應。該傳感器環境適應能力強，耐壓、防塵、抗污；該傳感器采用非接觸式測量方式，傳感器基本不會磨損，這樣能夠保證測量精度；傳感器的輸出信號是絕對位移值，即使電源突然中斷，數據也不會丟失；量程大、重復精度高。這些特點使得磁致伸縮液位傳感器可在惡劣的工作環境下，提供連續可靠且精確靈敏的液位信號[12]。

1.3 檢測原理與部件設計

把磁致伸縮液位傳感器夾裝卡于透明圓柱形筒內，如圖1所示，筒的上部開2個氣孔，下部接口接PVC管，PVC管與油腔相連，油腔底部用隔膜片密封，隔膜片如圖2所示，隔膜片采用氟橡膠材質。在筒和隔膜片形成的空間內加入變壓器油。隨著礦漿液位的變化，隔膜片所處位置由液體礦漿形成的壓強發生相應的變化，從而使隔膜片產生形變，變壓器油的油位發生變化，使傳感器測得位移信號。選擇變壓器油的一個好處是其密度小，可以放大礦漿液位的變化。

礦漿液位的檢測環境惡劣，會有礦漿攪拌和氣泡上浮產生波動[13?15]，為了消減波動給測量帶來困難，使測量更加精確，設計了穩流器。穩流器主要由大小遞加的圓臺環形板和1個空心圓柱擋板構成，如圖3所示。將該穩流器置于傳感器檢測部分的隔膜片之下。空心圓柱擋板可過濾礦漿攪拌所產生的波動，底部的環形板則可以消減礦漿攪拌沖擊給測量帶來的負面影響，環形板越多越密集時，濾波效果就會越好。

圖1 傳感器安裝

圖2 隔膜片

圖3 濾波部件

2 試驗與計算

2.1 初始狀態計算

測量時需將裝置放入1m深的礦漿處，此位置為初始位置。因為裝置放入礦漿中，受到礦漿壓力，隔膜片會產生相應的形變，給裝置加入檢測用的變壓器油時，需要平衡隔膜片所受壓力。隔膜片處壓強平衡方程為：

變壓器油的密度為895 kg/m3，礦漿的密度約為1300 kg/m3。將這兩個數值代入式（1），計算得出h油=1.453m。

所以，往裝置管內加入變壓器油，使油的高度為1.453m，這樣管內變壓器油對隔膜片的壓力與1米深礦漿對隔膜片的壓力相等，隔膜片在初始位置就不會產生形變。隔膜片處于初始自然狀態下對壓力變化最靈敏，使得裝置在初始位置對礦漿液位變化的測量更加精準。

當礦漿液位上升下降時，為了方便觀測傳感器浮球的變化，將浮球的初始位置定于透明圓柱形筒的中間位置。筒的高度為350mm，隔膜片上方的油腔高度為100mm，那么透明筒與油腔中間的PVC管的長度為1.178m。

2.2 試驗記錄

當礦漿液位上升，隔膜片所在位置的礦漿壓力增大，會頂起隔膜片，使變壓器油位上升。同理，當礦漿液位下降，隔膜片所在位置的礦漿壓力減小，隔膜片下壓，變壓器油位下降，浮球會隨著油位上升或者下降，這樣傳感器就可以檢測出礦漿液位變化。所選的隔膜片越大，裝置所需要設計的油腔就越大，隔膜片形變引起的油位變化也越大，測量會越靈敏。這樣設計的好處是放大了礦漿液位的變化，可以更加直觀地觀察浮球上升下降的變化。

本試驗制作了一個水槽模擬浮選槽，向其中注入約與礦漿密度相等的泥漿水。將檢測裝置放入泥漿水1m深處，此時測得油位為12.1 cm。利用提前設置好的溢流口來精準調節礦漿液位變化，得到一組數據，見表1。

表1 油位-液位增量試驗數據

分析表1可知，礦漿液位增量在?3 cm到+3 cm范圍內波動時，油位與礦漿液位增量的變化呈線性相關。但是超出范圍，則不成立。這是因為在測量過程中引入了一個變量，就是隔膜片的彈性系數。當氟橡膠隔膜片發生形變，本身也會產生彈力。產生形變越大，彈力越大，油位的變化會越來越小，這樣對測量結果影響也越大。測量時，隔膜片處的平衡方程為：

因此，在礦漿液位增量在?3 cm到+3 cm范圍內增加一組試驗：其他條件不變，在水槽6個間距相等的位置，增設空壓機出氣口，用以模擬礦漿液位波動和氣泡上浮。初始油位仍為12.1 cm。調節礦漿液位變化，得到一組數據，見表2。整理表中數據，得知在模擬浮選槽擾動的環境中，所測數據波動不超過2mm，測量結果穩定，液位檢測裝置的濾波效果良好。由試驗數據繪制曲線圖，如圖4所示。

表2 擾動下油位-液位增量試驗數據

圖4 擾動下油位-液位增量函數曲線

3 結論

通過試驗得知，礦漿液位增量在?30mm到+30mm范圍內變動，該礦漿液位檢測裝置測得的油位與礦漿液位變化量的關系呈現為線性函數，在實際生產中，將選礦的理想礦漿液位標定為初始液位，可以很好地檢測礦漿液位的變動。本裝置測量所得的數據穩定，表明本文研究設計的濾波部件能夠很好地過濾礦漿攪拌和氣泡上浮所帶來的波動，保證了礦漿液位檢測的穩定和精度。本裝置利用隔膜片處的壓力平衡，使變壓器油的油位變化反映礦漿液位變化，通過對油位的測量來檢測礦漿液位，避免了浮球受到礦漿的腐蝕與附著，保證測量精度以及裝置的耐久度。本裝置還放大了礦漿液位的變化，測量靈敏，安裝和后期維護也十分簡單方便。

礦漿液位檢測為后續礦漿液位的自動控制打好了基礎。對礦漿液位進行實時監測，并作為反饋信號輸送給液位控制器來調節電動閥門，實現礦漿液位的自動控制，不再需要工人定時巡查和手動調節閥門。為優化浮選工藝、提升選礦效益創造了良好的條件，是實現選礦智能化的關鍵一步。