矿浆浓度检测技术及其应用研究

汪 洋，黄宋魏，唐 敏，朱佳钦，尉佳怡

(昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

0 引言

矿浆是矿物颗粒与水组成的非均相固液悬浮液。矿浆浓度是矿浆中固体矿粒的含量占比。为了稳定和提高选矿生产的质量和效率，选矿作业的工艺流程中需要经常测定矿浆浓度。在磨矿过程中，矿浆浓度影响磨机效率和浮选试验指标[1]。浮选作业时，矿浆浓度过低会造成生产效率低、精矿产量少、药剂用量过大。矿浆浓度过高会造成精矿质量差、回收率低[2]。重选作业中，矿浆浓度决定了分级溢流的细度[3]。矿浆浓度的高低还影响过滤速度和滤饼水分。因此，实时检测并控制矿浆浓度保持在规定的范围内，对指导生产工艺的稳定运行、实现选矿厂智能化、提高精矿产品质量和工厂的经济效益等都有着极为重要的意义。

目前，矿浆浓度检测方法主要有超声波法、射线法、光电法、谐振法、差压法、称重法等。基于这些检测方法开发的矿浆浓度检测仪表被广泛应用于选矿厂。得益于智能化仪表的发展，选矿厂的效益和智能化程度得到提高。实际应用过程中，不同种类矿石在浮选作业时的矿浆浓度、透明度相差较大，且常常伴有气泡、沉淀、腐蚀和结垢等现象。若仪表选用不当会导致矿浆浓度检测仪安装与维护困难，其长期运行时稳定性和可靠性会变差，影响仪表的检测精度。

因此，本文分析了基于不同检测方法开发的矿浆浓度仪工作原理，总结了仪表自身设计和实际应用中存在的优缺点，并结合现场矿浆的性质和工艺流程给出了仪表选型建议。

1 矿浆浓度检测原理及应用优缺点

1.1 超声波检测法

1.1.1 工作原理

超声波信号在矿浆中传播时，其声速和声强等物理量都会发生衰减。通过检测超声波的衰减量，建立超声波衰减机理的理论模型，即可根据衰减量计算出矿浆浓度[4-5]。直射式超声波矿浆浓度检测原理如图1所示。

图1 直射式超声波矿浆浓度检测原理图

由图1可知，矿浆一侧的超声波发射换能器发射出超声波信号，另一侧的接收换能器接收超声波信号。信号处理装置负责超声波信号处理并计算出矿浆浓度。

1.1.2 超声波检测法应用的优缺点

超声波检测法的优缺点如下。

①优点。超声波检测法采用超声波作为测量介质，安全可靠，检测量程较宽，工作稳定且能连续在线检测矿浆浓度。仪表可采用夹抱或浸入式安装，体积小、安装简单。仪表夹抱式安装时不直接和矿浆接触，所以耐腐蚀性强，使用寿命更长。

②缺点。超声波检测法要求超声波传感器具有全密封、高透声等性能。超声波探头装置需要根据被测矿浆矿物类别给定，并且装置需要经常标定，后期维护很繁琐。矿浆中存在过多气泡会导致检测结果不准确。

1.2 射线检测法

1.2.1 工作原理

射线式矿浆浓度检测原理如图2所示。采用射线检测法的矿浆浓度仪主要由放射源、探测器、检测仪表三部分组成。

图2 射线式矿浆浓度检测原理图

由图2可知：矿浆一侧的放射源发出射线，当射线穿透矿浆时部分射线被矿浆吸收；另一侧的探测装置检测到的射线强度为I。由式(1)可计算出矿浆的密度。根据特定条件下矿浆密度和射线强度变化的关系即可得到矿浆的浓度[6]。

(1)

式中：I0为入射射线强度；I为穿过矿浆后的射线强度；μ为矿浆吸收系数，m2/kg；ρ为矿浆密度，kg/m3。

1.2.2 射线检测法应用的优缺点

射线检测法的优缺点如下。

①优点。射线检测法使用半衰期为几十年的放射性同位素作为放射源，后期很少需要维护。仪器测量精度高，使用寿命长且性能相对稳定，适合大部分矿浆浓度的测量。仪表可安装在直径达几米的容器上，安装过程中不需要中断矿浆的流动。

②缺点。矿浆成分变化、气泡较多和矿浆不均匀时对检测精度影响较大。射线检测法采用放射性同位素，使用前需要向环保部门申请，批准后才能购买使用，使用过程中还需要经常接受有关部门的检查。射线检测法还存在核辐射防护和环保等方面的问题。

1.3 光电式检测法

1.3.1 工作原理

光电式检测通常是在Mie散射和弗琅禾费衍射公式的理论基础上对矿浆浓度进行测量。光穿过含有颗粒的介质后，透射光的强度会因为颗粒存在对光的吸收而衰减。它的衰减情况与矿浆颗粒的大小和浓度有关[7-8]。因此，根据激光衰减的比率建立矿浆的浓度模型，通过浓度模型计算即可得到矿浆的浓度。光电式矿浆浓度检测原理如图3所示。采用光电式检测法的浓度仪主要组成部分包括激光光源、扩束准直系统、傅里叶透镜和光电探测器。

图3 光电式矿浆浓度检测原理图

1.3.2 光电式检测法应用的优缺点

光电式检测法的优缺点如下。

①优点。光电式检测法属于非接触式连续在线测量，测量速度快，不受矿浆种类的影响；对低浓度矿浆的检测精度较高且无任何污染，符合矿山绿色发展的主题。仪表不直接与矿浆接触，便于安装维护，仪器使用寿命长。

②缺点。光电式检测法测量量程较小，准确度易受被测矿浆的透明情况和固体颗粒的形状、大小、折射率、气泡等影响；在光源发射的透明窗口易残留矿浆颗粒，会对矿浆浓度的测量造成极大的误差；受矿浆浓度影响较大，对高度稀释的矿浆检测性能更好。

1.4 谐振式检测法

1.4.1 工作原理

谐振式浓度仪是根据元器件震动衰减原理而设计的。激励线圈激励促使谐振体产生已知频率的振动。当液体流经振子时，因流体质量的改变引起谐振频率的变化。仪器采集系统采集这些频率变化后，通过振动频率与密度间的函数关系式计算出流经流体的密度值，再根据密度与浓度的关系计算出流经流体的浓度值[8]。

音叉体谐振式矿浆浓度检测原理如图4所示。

图4 音叉体谐振式矿浆浓度检测原理图

1.4.2 谐振式检测法应用的优缺点

谐振式检测法的优缺点如下。

①优点。谐振式检测法可实现矿浆的在线连续测量，结构简单，测量速度快。仪表体积小巧，安装简单，即插即用，适用于大部分矿浆浓度的测量；不需要现场标定，测量精度高。

②缺点。谐振式检测法由于音叉传感器长时间和矿浆接触，对音叉材料要求很高且音叉的形状尺寸对结果的影响很大，不容易确定。由于音叉长期使用会出现磨损严重或粘结矿浆，会严重影响测量的结果，需要频繁维护。由于矿浆浓度不均匀，谐振式检测法在气泡较多时测量不准确。

1.5 差压式检测法

1.5.1 工作原理

差压浓度计[9]采用基于差压原理的差压式检测法。常见的差压式矿浆浓度检测原理如图5所示。

图5 差压式矿浆浓度检测原理图

在需要测量矿浆浓度的容器内相隔h的地方安装两个压力传感器，分别测得两点之间的压力数据并传入变送器。由于矿浆的密度和高度差成反比、与矿浆的压强差成正比，根据式(2)即可算得矿浆的密度。由矿浆密度和浓度的转换式可知此时矿浆的浓度。

(2)

式中：ρ为矿浆的密度，kg/m3;p为传感器测得的压力，N/m2;h为传感器的距离，m;g为重力加速度，m/s2。

1.5.2 差压式检测法应用的优缺点

差压式检测法的优缺点如下。

①优点。差压式检测法可实现矿浆浓度的连续在线测量且对人体无危害。仪表结构简单，在保证测量准确的同时经济实惠；安装简单快捷且无需标定，后期维护工作量小；测量量程宽，不受矿浆种类限制。

②缺点。差压式检测法由于压力传感器直接与矿浆接触，压力测量也容易受流动等冲击的影响，对传感器的磨损和腐蚀比较严重，后期维护相对麻烦；需要安装在有高度差的竖直或倾斜管道上，管道的管径摩擦系数、矿浆的流速都会对管道有影响；只有在介质和水的密度差较大且矿浆比较均匀时才适用。

1.6 称重式浓度检测法

1.6.1 工作原理

称重式矿浆浓度检测仪表种类繁多，但都是基于浓度壶法的测量原理。称重式矿浆浓度检测原理如图6所示。

图6 称重式矿浆浓度检测原理图

由图6可知，称重式矿浆浓度检测仪由自动取样装置、称重装置、测控主机、搅拌装置和冲洗装置组成[10-11]。安装在管道上的自动取样装置采集一定体积的矿浆并输送到称重装置上。称重传感器测得重量数据后由测控主机计算出矿浆的密度，根据矿浆密度和浓度的关系式(3)即可得到矿浆的浓度。其中，搅拌装置和冲洗装置避免了矿浆在称重容器内壁粘连导致的测量误差。

(3)

式中：ρ矿为矿浆的密度,kg/m3；ρ水为水的密度,kg/m3；δ为矿石的密度,kg/m3；C为矿浆的百分比浓度。

1.6.2 称重式浓度检测法应用的优缺点

称重式浓度检测法的优缺点如下。

①优点。称重式浓度检测法是较为直接的浓度检测法，不会受到矿浆成分变化、矿浆不均匀等因素影响；由于具备消除气泡和沉淀措施，也不受气泡和沉淀的影响；可动态连续检测矿浆浓度，检测精度高，系统运行稳定，测量范围宽；相比较其他的检测方法，影响检测矿浆浓度的因素较少，安全环保。

②缺点。由于称重式浓度检测仪涉及器件较多，体积略大，安装时会占用较大场地。取样装置、搅拌装置和冲洗装置等机械式执行机构长期和矿浆接触，后期需要维护。矿浆取样的代表性也会影响到总体检测精度。

2 矿浆浓度检测仪表的应用建议

第一节介绍了几种主要的矿浆浓度检测方法，为矿浆浓度检测仪表的应用提供了一定的依据。但应用现场各种各样，应用条件千差万别。这给检测仪表的正确选择造成了困难。结合应用经验，本文提出以下几点应用建议。

①首先推荐使用基于称重式矿浆浓度检测法的仪表。该检测法模仿工业常用的浓度壶进行测量，不受矿浆成分变化的影响。此外，采用取样搅动方式可以避免矿浆夹带气泡和容易沉淀等问题，也不易受矿浆成分变化和分布不均匀造成的测量误差影响。就检测原理而言，称重式浓度检测法更为直接、精确。该检测法的不足之处是采样的代表性影响检测精度，不适用于压力较大和腐蚀性较强的场合，且安装不方便。

②其次推荐使用基于核子射线检测法的仪表。该检测法是一种非接触式测量方式，具有安装简单、使用方便、维护工作量小等特点，适用于大部分矿浆的浓度检测，特别是压力较大、腐蚀性较强的场合。不足之处是对于矿浆成分变化较大、夹带气泡、容易沉淀的场合则不适用，同时存在放射性辐射的安全环保问题。另外，该仪表价格比较昂贵，使用前和使用过程中的工作比较繁琐，存在核辐射防护、环保监管、上岗培训等要求。

③对于矿浆比较均匀、浓度不高、无夹带气泡的场合，可以选用基于谐振式检测法的仪表。该仪表安装简单，即插即用，不需要现场标定，测量精度较高。

④对于矿浆比较均匀、浓度较高、成分变化较大、无夹带气泡、有腐蚀性、压力较大的场合，可以选择基于超声波检测法的仪表。该仪表不直接和矿浆接触，耐腐蚀性强，使用寿命长。

⑤对于矿浆浓度低且比较均匀的场合，可以选用基于差压式检测法的仪表。若矿浆透明度较好，如选矿厂浓缩池溢流等，还可以选用基于光电式检测法的仪表。这样可以获得比其他方法更高的检测精度。

3 矿浆浓度检测技术的发展方向

3.1 向基于智能嵌入式系统的仪表方向发展

传统的简易型矿浆浓度检测仪表通过传感器获取信号，通过一系列的线性变换或计算最终得到矿浆浓度，得到的数据误差较大。现代复杂的智能型浓度计在数据处理时采用专用算法，配合嵌入式微处理器的数据处理功能以及完善的通信端口，既可提高矿浆检测的精度，又便于实现整个选矿厂智能仪器仪表设备的互联互通，有利于选矿厂智能化。

3.2 向仪表的智能化自维护方向发展

大多数选矿厂生产现场严重缺乏智能仪器仪表维护和调整的相关专业技术人员，一旦仪器仪表出现较大偏差或者故障时会导致整个系统无法正常运行。现代智能仪表能将正常运行时的数据保存到数据库中。当检测到数据偏差时，仪表启动自诊断功能，自动整定参数使其恢复到稳定状态[12]。如果通过自动诊断功能不能修复好仪表出现的问题，此时智能仪表会导出仪表故障可能出现的问题，以协助人工处理。

3.3 向基于“互联网+”的方向发展

目前，伴随着“互联网+”浪潮的兴起，各行各业都在倡导万物互联。工业互联网的提出为未来选矿工厂的智能化提供了新的思路，改变了传统选矿生产中各种设备和仪器仪表相互交换信息和数据的方式。通过物与物互联实现了仪表与仪表之间、仪表与控制系统之间的智能化、多方位、高精度互联。各种选矿设备和仪器仪表在没有控制系统干预的情况下，自主建立“对话”机制，产生决策行为[13]。

4 结论

各种矿浆浓度检测仪表都有其应用条件。由于选矿厂应用环境恶劣，所处理的矿石以及流程千差万别，需要根据实际情况和实际精度需要等方面进行合理选择。每种仪表都有其优缺点和适用范围。选择矿浆浓度检测仪表时，还需要从准确性、可靠性、安全性、实用性、可维护性以及仪表的扩展用途(如自动控制等)等多方面综合考虑。另外，为了满足所选用仪表的使用条件要求，适当增加必要的辅助措施也是检测仪表工业应用的常用方法。需要注意的是，在选择检测仪表之前，对相关矿浆浓度检测仪表实际应用单位的实地考察是很有必要的。