金屬礦山充填礦漿濃度計的改進

張玉達 蓋黎晶 鄒 爽

（1．蕪湖和成礦業發展有限公司；2．山東杰控電氣技術有限公司）

礦漿密度和質量濃度（以下簡稱濃度）有唯一對應關系，實際生產過程中作為重要的數據為生產管理提供依據。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，儀表壽命長及穩定性高，但環保及安全要求高，射源申請難度大，保管責任重，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，普通結構或者抗干擾方式很難滿足充填現狀；這些問題給礦山企業生產帶來較多不便和安全風險。結合礦漿濃度測量工況，重新設計差壓式密度計的機械結構和程序算法，提升差壓密度計測量準確性和穩定性。

1 礦漿密度計現狀

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關系。根據傳感器檢測到的輻射衰減量，可確定當前礦漿密度。

該密度計優點為非接觸式測量，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保壓力和安全風險。

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傳播的速度不同進行密度測量，發射器發出聲波后開始計時，接收器接收到信號計時結束，根據時間間隔計算聲波傳播速度，再根據計算速度推算出被測礦漿的密度。

該密度計優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，從而測量不穩定，當被測礦漿內部含有氣泡時測量偏差大，而且測量結果受礦漿流速、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系，根據壓差測量值可直接計算出被測礦漿密度。

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

該密度計缺點為傳統結構和算法測量結果受礦漿流動壓力變化影響較大。

在礦漿濃度測量場合應用中，為了改善現場環境、避免有害射線，同時又能保證測量結果準確穩定，差壓密度計成為最優選擇。針對差壓密度計傳統結構和算法測量結果受礦漿流動壓力變化影響較大的缺點做相應改造和提升，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 壓差密度計結構

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，左側為進料口，右側為出料口，下側為檢修排污口，傳感器由上側安裝口裝入。

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，供生產使用。

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。

導致儀表測量誤差的因素可分為儀表內部因素和儀表外部因素。

（1）內部因素。儀表內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、環境溫度變化導致電子元器件性能變化、現場電噪聲干擾等。在儀表設計過程中，內部因素可通過硬件電路設計（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。現場使用過程中，礦漿輸送管路內的情況是實時變化的，同時礦漿通過密度計時狀態也在實時變動。如果被測礦漿流動速度較快或流動不規律時，礦漿內部壓力會發生相應變化，傳感器測量結果也會受到影響，最終導致測量不準確。

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，已將密度值轉換為濃度值。當被測礦漿低速平穩流動時，儀表測量值和實際值對照如圖3所示（圖中數據按照實際濃度大小排序，與測量時間順序無關）。

當被測礦漿以不穩定流量低速流動時，儀表測量值和實際值對照如圖4所示。

當被測礦漿以穩定流量快速流動時，儀表測量值和實際值對照如圖5所示。

當被測礦漿以不穩定流量快速流動時，儀表測量值和實際值對照如圖6所示。

由以上結果可見，當被測礦漿以不穩定流量低速流動時，密度測量值與實際值相差較小；當被測礦漿流動不穩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，另一方面與被測礦漿流量穩定程度有關。

3 差壓密度計改進和實驗

企業實際生產過程中，管道內礦漿流動情況復雜，流體的流動穩定性和流動速度不可避免地發生變化，當被測礦漿流動不穩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改進。

3.1 電路器件改進

電路器件對檢測過程至關重要，合理的電路設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建差分輸入電路，當環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，數據測量更加穩定。

3.2 檢測裝置改進

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

首先，檢測裝置入口增設阻流板，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，流速更加穩定。

其次，檢測裝置內部增設多孔穩流套管，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算法，利用高級語言編程，將差壓密度計實際運行情況和數據進行實時記錄（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部形成運行曲線。

根據運行曲線和智能儀表內部的預設判定數據，智能儀表自動判別當前數值是否正常。如果判定結果為不正常變化，智能儀表根據曲線偏移程度自動將數據調整或舍棄。

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流動時，儀表測量值和實際值對照如圖8所示。

當被測礦漿以不穩定流量低速流動時，儀表測量值和實際值對照如圖9所示。

當被測礦漿以穩定流量快速流動時，儀表測量值和實際值對照如圖10所示。

當被測礦漿以不穩定流量快速流動時，儀表測量值和實際值對照如圖11所示。

對比改進前實驗數據，當被測礦漿以不穩定流量低速流動時，測量誤差都很??；當被測礦漿流動不穩定或被測礦漿快速流動時，改進后測量誤差極大減小。

4 結論

（1）傳統差壓密度計的工作誤差受被測礦漿流動速度和流量穩定性影響，當被測礦漿流動不穩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計，抵消工業現場共模干擾、濾除高頻波動；檢測裝置增設阻流板檢測裝置和多孔穩流套管，降低了測量過程的沖擊干擾；使用軟件濾波算法和自適應算法，再次進行干擾抑制。