基于红外光学透射法的煤泥浮选入料浓度检测

高 鹏

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

基于红外光学透射法的煤泥浮选入料浓度检测

高 鹏1,2

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

煤泥浮选入料的浓度是浮选操作中的重要因素。针对传统射线浓度计使用限制，差压式浓度计检测精度不高以及选煤厂浮选过程中入料浓度检测存在的问题，提出了一种新型的光学透射检测方法。文章介绍了红外光学透射法检测装置结构、检测原理、电路设计以及标定方法，通过研究红外光线在穿透入料煤泥水介质后的剩余量与煤泥水浓度的对应关系，结合光吸收定律，计算出待测量的入料浓度。试验结果表明：经过现场标定后，该方法在检测浓度的客观性、真实性方面相比以往有了显著提高，检测精度能够满足选煤厂煤泥浮选浓度要求，且安全环保。

入料浓度；红外光；光学透射；光吸收定律

入浮煤浆浓度是影响浮选效果的重要因素之一[1]。在我国，浓缩浮选入料浓度一般为100～200 g/L，直接浮选入料浓度应控制在60～100 g/L，最佳分选浓度为90 g/L左右[2]。选煤厂常用的浓度测量仪表一般为射线浓度计、超声波浓度计、光电式浓度计、差压法浓度计等，其中：射线浓度计量程大，维护量小，但放射源存在环境和安全隐患，同时测量浮选煤浆浓度时，误差较大，如被测浓度为60 g/L时，相对误差达10%[3]；超声波浓度计易受气泡的影响，当气泡过多时，影响测量结果的准确性；差压法浓度计容易受到流动冲击的影响，仅在介质和溶剂密度差较大时才适用。基于红外光学透射法的浓度计利用了光穿过被测物时被吸收衰减的现象，根据检测光衰减程度和被测物浓度相关的原理而研制的。通过测量光通过浮选入料的吸收量，再根据透射率与被测煤泥水的浓度相关的原理，可以得到所需测量数据。利用光学透射检测煤泥浮选入料浓度时，确定合理的光源是关键环节，需要光线既能在高浓度时穿透待测的入料，又能在低浓度时保持线性比例输出。

1 光学透射法检测浓度的原理

检测装置测量的基本原理是利用了光吸收定律，又称朗伯-比尔定律。它是光吸收的基本定律，适用于所有的电磁辐射和所有的吸光物质，包括气体、固体、液体、分子、原子和离子。朗伯-比尔定律是吸光度法、比色分析法和光电比色法的定量基础，其中光被吸收的量正比于光程中产生光吸收的分子数目[4]。

朗伯-比尔定律计算公式为：

A=lg(I0/I)=lg(1/T)=Kbc，

(1)

式中：A为吸光度；I0、I为入射光及透射光强度；T为投射比；K为光被吸收的比例系数；b为吸收层厚度，cm；c为吸光物质的浓度，g/L。

当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比，说明红外光在经过煤泥水后的衰减程度与液体中的悬浮物浓度有关。光学取样探头上发射器发送的红外光在传输过程中经过被测物的吸收、反射和散射后，仅有一小部分光线能照射到检测器上，由于透射光的透射率与被测煤泥水的浓度成一定比例，因此通过测量透射光的透射率就可以计算出煤泥水的浓度。

2 装置的构成

光学透射检测装置的检测流程图如图1所示。该装置主要由光学取样探头、采样电路、放大电路、显示输出四部分组成。在光学取样探头部分，探头发射红外强光束，部分光束穿过待测介质后被探测器接收；在采样电路部分，经过滤波剔除干扰后对采样信息进行AD转换，将光强信息转换为电流信号；放大电路将电流信号值与内部设定的算法进行比对，最后放大转换为标准电压信号输出给显示端。输出零点和量程设置的调整，均位于输出显示电路板上，并标有“0”和“Out Zero”。

图1 检测装置流程图

3 光学取样探头

一束预聚焦的红外强光束通过待测煤泥水时，流体中的颗粒吸收量与其浓度成一定比例，红外强光的波长为950 nm，选择这一波长可消除可见颜色微粒和工艺流体产生的影响。光透过流体到达硅探测器后，其产生的电流信号强度也与被检测颗粒浓度成一定比例，将微弱的电流信号通过电子信号转换器放大，可得到一个线性的读数。光学取样探头主要组成件如图2所示，取样探头外观的设计符合流体动力学原理，可消除堵塞，粘粘等问题。取样探头外观设计时采用透射窗口达到遮光效果，减少了杂散光对结果的影响，在最佳光程长度时，线性响应在浮选入料浓度最佳的动态范围内。

图2 光学采样探头组成图

4 电路设计

光源发射电路图如图3所示，U6A振荡器信号经过U7分频，形成占空比50%的方波，经过Q3驱动发光二极管形成调制光源。信号接收电路图如图4所示，D4是光电二极管，接收到的调制光信号，经过U4B跨阻放大器及U4A线性放大，由模拟开关U9实现同步解调，由U3直流差分放大器输出，输出数据代表接收光信号的强度。如果光信号太强，输出电压太高，可以调整电阻R2，减小光电转换比例。

在测量光吸收参数时，首先调节光信号强度，使得接收部分输出电压为U1=1.00 V，之后放入煤泥水介质，再次记录其输出电压U2，这两次输出电压的比值，反映了煤泥水浓度特性的参数。光吸收衰减系数A=U2/U1。

图3 光源发射电路图

图4 信号接收电路图

采用调制光源和同步解调，主要目的是便于在有环境光条件下进行数据测量。即使环境光中包含交流信号，但是由于信号并不同步，对输出电压的影响也不大，并且光电信号放大器可以采用交流放大的方式，使得测量电路的动态范围增大，提高了测量电路的适用性。

5 标定方法

红外光学透射法属于一种间接测量方法，首先应先对装置进行标定才可以使用。一般而言，在实验室进行标定时，首先将精确称重的煤泥干粉颗粒均匀分散在已知体积的水中，经过充分搅拌，配成一定浓度的煤泥水，然后用不同浓度的煤泥水对测量仪进行标定。制作标准浓度的煤泥水时，必须保证煤泥干粉分布均匀、煤泥干粉粒度上限在0.5 mm以下。在标定过程中，还应保证样品与传感器探头间是明亮的自然光线，同时避免内部的反射光线。经过工业现场标定后的装置已在陕西黄陵一号矿选煤厂投入使用。

6 结语

文章介绍了一种基于红外光学透射法的煤泥水浓度在线检测方案。该方法适用于选煤厂煤泥浮选入料浓度的监测过程，解决了选煤厂浮选入料浓度测量方面的问题，克服了现有人工采样、化验误差大、实时性差的缺陷，有效提高了检测工作的准确性和可靠性，并且操作简单。随着选煤厂自动化程度的不断提高，基于红外光学透射法研制的在线检测设备将有着良好的研究和应用前景。

[1] 吴大为.浮游选煤技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2004.

[2] 黄 波.煤泥浮选技术[M].北京：冶金工业出版社，2012.

[3] 赵能富.用同位素密度计测定浮选煤浆浓度时的精度[J].选煤技术，1992(5)：20-24.

[4] 章诒学，何华焜，陈江韩.原子吸收光谱仪[M].北京：化学工业出版社,2007.

Determination of density of flotation feed pulp using infrared optical transmission method

GAO Peng1,2

(1. Tangshan Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology & Engineering Group, Tangshan 063012, Hebei, China; 2. Hebei Province Coal Washing & Engineering Technology Research Center, Tangshan 063012, Hebei, China)

Density of feed pulp is an important factor in flotation process. The traditional ray analytical methods fail to find widespread application for density measurement due to restriction of usage while the densimeters of the differential version generally suffer from the drawbacks of being low in measuring accuracy. For tackling the problem currently encountered in determination of flotation feed pulp density in coal preparation plant, a noval optical transmission method is proposed. The paper presents an introduction to the structure, working principle, electronics desigh of the desimeter proposed and the method for its calibration. The density of the pulp can be calculated based on the remanence of the infrared light after passing through pulp and ist relationship to corresponding slurry water density, and in line with the law of photosorption. As evidenced by test on site after calibration, the measured result is much higher in objectivity truthfulness and accuracy than before, well meeting the requirements of coal preparation plant.

feed pulp density; infrared light; optical transmission;; photoabsorption law

1001-3571(2016)04-0071-03

TD948.9

A

2016-03-11

10.16447/j.cnki.cpt.2016.04.019

天地科技“公司研发项目”(KJ-2014-TSKY-02)

高 鹏(1980—)，男，河北省唐山市人，工程师，从事选煤领域的自动化与信息化工作。

E-mail：penggao.chn@gmail.com Tel：13931498636

高 鹏. 基于红外光学透射法的煤泥浮选入料浓度检测[J]. 选煤技术,2016(4)：71-73.