超声波矿浆浓度在线检测仪和智能控制终端

技术领域

本公开涉及超声检测技术领域，尤其涉及一种超声波矿浆浓度在线检测仪和智能控制终端。

背景技术

目前，在尾矿干排流程中，矿浆会在沉淀池中进行固液分离，清水回收。为了提高矿沙沉淀速度，以提高生产效率，需要在沉淀池中添加絮凝剂。

通常的做法是，将事先备好的絮凝剂溶液以一定流量与从选厂送来的尾矿浆一起导入沉淀池进行沉淀。然而，从选厂来的尾矿浆浓度(即含沙量)是变化的，当来料浓度减小时，会造成絮凝剂的浪费；相反，又会造成絮凝剂不足，影响沉淀时间降低生产效率。为使絮凝剂得到充分利用，使絮凝剂溶液流量随矿浆浓度变化而改变，因此需要在线检测管道中尾矿浆浓度，以控制絮凝剂阀门的开口度。

本发明人就流固两相浓度的检测进行了深入调研，发现已有电容法、光电法、差压法和射线法等方法在应用，但各有优缺点。其中：电容法不宜腐蚀、负载能力差；光电法精度较低；差压法传感器体积大；射线法量程宽、有污染。此外，这些检测方法大部分为离线静态检测。

发明内容

有鉴于此，本公开提供一种超声波矿浆浓度在线检测仪和智能控制终端，能实现高精度高效率的在线检测得到矿浆浓度，至少部分解决现有技术中存在的问题。

为此，本公开披露一种超声波矿浆浓度在线检测仪，包括：检测仪本体、超声发射换能器、超声波接收换能器、温度传感器、信号处理器、控制器及电源；其中：所述检测仪本体配置有连接组件，所述连接组件用于将所述检测仪本体安装于待测管道上；所述超声发射换能器和所述超声波接收换能器对称地设置于所述检测仪本体上，所述超声发射换能器用于向所述待测管道发射固定频率的超声波信号；所述超声波接收换能器用于接收衰减的超声波信号；所述温度传感器用于测量所述待测管道内的矿浆温度；所述控制器与所述电源连接，用于控制所述超声发射换能器、所述超声波接收换能器、所述温度传感器及所述信号处理器；所述信号处理器用于对所述超声波信号和所述矿浆温度进行处理；以及，用于根据超声波的发射强度与接收到的超声波信号的强度，计算出超声波的衰减系数，并根据预设的温度与衰减系数的关系进行温度补偿，进而根据预设的衰减系数与矿浆浓度的关系，得到所述待测管道内矿浆的浓度测量值。

作为本公开的一种实施方式，上述超声波矿浆浓度在线检测仪还可包括：通信组件，设置于所述检测仪本体内部，与所述控制器连接，用于实现对检测的自动控制和/或输出所述浓度测量值；和/或，输入输出组件，设置于所述检测仪本体上，与所述控制器连接，用于输入操作指令和/或对所述输入输出组件输出的数据进行操作处理；以及用于显示所述浓度测量值和相关测量参数。

作为本公开的一种实施方式，所述通信组件进一步包括：串行通信电路，用于输出所述浓度浓度测量值的数字信号；电流输出电路，用于输出所述浓度测量值的模拟信号；和/或，继电器输出电路，用于实现所述控制器的自动控制。

作为本公开的一种实施方式，所述输入输出组件包括输入输出电路及操作读数面板；所述输入输出电路与所述控制器、所述操作读数面板连接；所述操作读数面板设置在所述检测仪本体的正面盖板上，用于显示数据和操作系统。

作为本公开的一种实施方式，所述操作读数面板进一步配置有显示屏，该显示屏为触摸式显示屏；所述显示屏与所述输入输出电路连接，用于密码设置、单位设置、量程设置、以及用于选择标定方式和超声波频率以及波形校准；或者，所述操作读数面板进一步配置有显示屏和操作按键，所述操作按键包括上、下、左、右四个方向键和确认、返回两个指令键，用于密码设置、单位设置、量程设置、以及用于选择标定方式和超声波频率以及波形校准。

作为本公开的一种实施方式，所述信号处理器进一步包括滤波电路、放大电路以及温度测量电路；所述控制器、所述滤波电路、所述放大电路、所述温度测量电路、所述串行通信电路、所述电流输出电路、所述继电器输出电路、以及所述输入输出电路集成设置于PCB板上；所述控制器分别与所述滤波电路、所述放大电路、所述温度测量电路、所述串行通信电路、所述电流输出电路、所述继电器输出电路连接、以及所述输入输出电路连接。

作为本公开的一种实施方式，所述PCB板容置于所述检测仪本体两侧开设的电路仓室内；所述电路仓室之间设置有过线通孔，所述电路仓室开口处设有可拆的侧面盖板；和/或，所述温度传感器设置于所述超声发射换能器或所述超声波接收换能器上的壳体上；和/或，所述放大电路采用双极信号放大。

作为本公开的一种实施方式，所述超声发射换能器和所述超声波接收换能器采用直射式安装，并固定连接于所述检测仪本体上；所述超声发射换能器、所述超声波接收换能器与所述检测仪本体之间设有密封圈；和/或，所述连接组件为连接法兰，所述检测仪本体工作时通过所述连接法兰水平安装于所述待测管道上；当所述待测管道内的矿浆流速过低时，所述检测仪本体采用竖直安装。

作为本公开的一种实施方式，所述超声发射换能器的发射面与所述超声波接收换能器的接收面之间的距离与待测管道直径相同，两个换能器的发射面间离与通流管道直径相同；所述超声发射换能器采用直接数字式频率合成器合成信号源来发射超声波。

作为本公开的一种实施方式，所述矿浆浓度β与所述衰减系数α的关系可表达为：β＝9.01(α―40.19)

相应地，本公开还披露一种智能控制终端，包括：通信装置，用于接收前述任一种实施方式披露的超声波矿浆浓度在线检测仪检测到的浓度测量值；和/ 或，用于向所述超声波矿浆浓度在线检测仪发送工作指令；控制系统，用于根据所述浓度测量值控制絮凝剂阀门的开合度，以基于矿浆浓度变化适应性调整絮凝剂溶液流量；显示装置，用于显示所述超声波矿浆浓度在线检测仪的输出数据以及实施絮凝剂溶液流量随矿浆浓度的变化。

与现有技术相比，本公开披露的技术方案具有明显的有益效果：

本公开的实施例中，利用超声波在矿浆中传播时遭遇到悬浮粒子会发生散射衰减的特性，标定出了超声波的衰减系数与矿浆浓度值的关系、温度与衰减系数的关系，进而得到对应的矿浆浓度值。

本公开的超声波矿浆浓度在线检测仪不仅结构简单、价格低廉、抗干扰性强、使用方便，而且可获得高精度的矿浆浓度测量值，非常适用于固液两相流中固相的浓度检测。此外，超声波不会带来噪声污染，对人体无害，十分适合测量矿浆浓度。

需要理解的是，本发明的教导并不需要实现上面所述的全部有益效果，而是特定的技术方案可以实现特定的技术效果，并且本发明的其他实施方式还能够实现上面未提到的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本公开实施例中超声波矿浆浓度在线检测仪的组成示意图；

图2为本公开实施例中检测仪各组成器件之间的数据关系示意图；

图3为本公开实施例中检测仪各组成器件之间的控制关系示意图；

图4为本公开实施例中超声波矿浆浓度在线检测仪的结构示意图一；

图5为本公开实施例中超声波矿浆浓度在线检测仪的结构示意图二；

图6为沿图5中A-A剖面线的剖视图；

图7为沿图5中B-B剖面线的剖视图；以及，

图8为本公开实施例中智能控制终端的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

参照图1所示，本公开实施例披露一种超声波矿浆浓度在线检测仪，该超声波矿浆浓度在线检测仪包括：检测仪本体、超声发射换能器、超声波接收换能器、温度传感器、信号处理器、控制器及电源；其中：

检测仪本体配置有连接组件，连接组件用于将检测仪本体安装于待测管道上；

超声发射换能器和超声波接收换能器对称地设置于检测仪本体上，超声发射换能器用于向待测管道发射固定频率的超声波信号；超声波接收换能器用于接收衰减的超声波信号；

温度传感器用于测量待测管道内的矿浆温度；控制器与所述电源连接，用于控制超声发射换能器、超声波接收换能器、温度传感器及信号处理器；

信号处理器用于对超声波信号和矿浆温度进行处理；以及，用于根据超声波的发射强度与接收到的超声波信号的强度，计算出超声波的衰减系数，并根据预设的温度与衰减系数的关系进行温度补偿，进而根据预设的衰减系数与矿浆浓度的关系，得到所述待测管道内矿浆的浓度测量值。

本实施例中，利用超声波在矿浆中传播时遭遇到悬浮粒子会发生散射衰减的特性，超声波衰减量的大小不仅与颗粒的物理性质有关，也与颗粒的浓度有关。经过发明人大量的研究，标定出了超声波的衰减系数与矿浆浓度值的关系。因此，利用超声波穿越矿浆前后的信号衰减，得到超声波在矿浆中的衰减系数，根据预设标定的温度与衰减系数的关系，通过测量温度可以进行温度补偿，进而利用不同浓度与衰减系数的关系(标定曲线)，进而得到对应的矿浆浓度值。

因此，本实施例的超声波矿浆浓度在线检测仪不仅结构简单、价格低廉、抗干扰性强、使用方便，而且可获得高精度的矿浆浓度测量值，非常适用于固液两相流中固相的浓度检测。本实施例的超声波矿浆浓度检测仪解决了矿浆浓度在线检测的实际问题，也为类似问题的解决提供了一种选择或参考。此外，超声波不会带来噪声污染，对人体无害，十分适合测量矿浆浓度。

作为一种可选的实现方式，衰减系数α与温度T的关系α＝α(T)可采用如下曲线关系式表达：

α＝44.05+0.00201T

作为一种可选的实现方式，衰减系数α与矿浆浓度β的关系α＝α(β)可采用如下曲线关系式表达：

α＝41.4+2.457×10

作为一种可选的实现方式，矿浆浓度的关系β与衰减系数α的关系可采用如下曲线关系式表达：β＝9.01(α―40.19)

这样，在测得衰减系数α后，可用上式计算得浓度β。

如图2所示，作为一种可选的实现方式，上述超声波矿浆浓度在线检测仪还可包括通信组件，该通信组件设置于检测仪本体内部，与控制器连接，用于实现对检测的自动控制和/或输出浓度测量值。

在一可选实施例中，通信组件可进一步包括：串行通信电路，用于输出浓度浓度测量值的数字信号。

在一可选实施例中，通信组件可进一步包括：电流输出电路，用于输出浓度测量值的模拟信号。

在一可选实施例中，通信组件可进一步包括：继电器输出电路，用于实现控制器的自动控制。

如图2所示，作为一种可选的实现方式，上述超声波矿浆浓度在线检测仪还可包括：输入输出组件，输入输出组件设置于检测仪本体上，与控制器连接，用于输入操作指令和/或对输入输出组件输出的数据进行操作处理；以及用于显示浓度测量值和相关测量参数。

作为一种可选的实现方式，上述实施例中，输入输出组件包括输入输出电路及操作读数面板；输入输出电路与控制器、操作读数面板连接。操作读数面板设置在检测仪本体的正面盖板上，用于显示数据和操作系统。

在一可选实施例中，操作读数面板可进一步配置有显示屏，该显示屏为触摸式显示屏；显示屏与输入输出电路连接，用于密码设置、单位设置、量程设置、以及用于选择标定方式和超声波频率以及波形校准。

在另一可选实施例中，操作读数面板可进一步配置有显示屏和操作按键，操作按键包括上、下、左、右四个方向键和确认、返回两个指令键，用于密码设置、单位设置、量程设置、以及用于选择标定方式和超声波频率以及波形校准。

作为一种可选的实现方式，上述实施例中，信号处理器可进一步包括滤波电路、放大电路以及温度测量电路。控制器、滤波电路、放大电路、温度测量电路、串行通信电路、电流输出电路、继电器输出电路、以及输入输出电路集成设置于PCB板上。参照图3所示，控制器分别与滤波电路、放大电路、温度测量电路、串行通信电路、电流输出电路、继电器输出电路连接、以及输入输出电路连接。

可选的是，PCB板可为双面板，尺寸为100*100*1.6mm，板材为FR-4板，铜厚1OZ，阻焊漆的颜色绿色，印刷白色文字与符号以标示出各零件在板子上的位置，过孔处理方式为过孔盖油，喷锡工艺为无铅喷锡，封装方式有插入式和黏贴式两种。

作为一种可选的实现方式，上述实施例中，PCB板容置于检测仪本体两侧开设的电路仓室内；电路仓室之间设置有过线通孔，电路仓室开口处设有可拆的侧面盖板。

作为一种可选的实现方式，上述实施例中，温度传感器设置于超声发射换能器或超声波接收换能器上的壳体上。超声波换能器上装着温度传感器，可以同时测量温度和浓度，大大提高了工作效率。

作为一种可选的实现方式，上述实施例中，放大电路采用双极信号放大。超声波矿浆浓度检测仪在进行信号放大时，采用双极信号进行放大。双极信号正负电平的幅度相等、极性相反，故当“1”和“0”等概率出现时无直流分量，有利于在信道中传输，并且在接收端恢复信号的判决电平为零值，因而不受信道特性变化的影响，抗干扰能力也较强。

作为一种可选的实现方式，上述实施例中，超声发射换能器采用直接数字式频率合成器合成信号源来发射超声波。本实施例采用直接数字式(DDS，Direct DigitalSynthesizer)频率合成器，与模拟直接合成法和锁相环频率合成法相比，，本实施例适用范围广、分辨率高、性能优良。特别是，采用DDS频率合成器合成信号源，会使信号源更稳定，并且避免出现频率漂移的情况，相对而言提高了测量精度。

作为一种可选的实现方式，上述实施例中，超声发射换能器和超声波接收换能器采用直射式安装，并固定连接于检测仪本体上。超声发射换能器、超声波接收换能器与检测仪本体之间设有密封圈。本实施例中，采用直射式的安装方法，发射信号和接收信号相互不会干扰，发射换能器和接收换能器还可以单独调试改进，功率需要较小，精度较高。

作为一种可选的实现方式，上述实施例中，超声发射换能器的发射面与超声波接收换能器的接收面之间的距离与待测管道直径相同，两个换能器的发射面间离与通流管道直径相同。

上述实施例中，超声波换能器直接镶嵌在检测仪本体上，可以保证对中性良好，防止超声波出现发散导致能量降低而影响实际测量的精确性。同时，浓度信号也可从检测仪中引出，供远端显示或控制使用。

作为一种可选的实现方式，上述实施例中，连接组件为连接法兰，检测仪本体工作时通过连接法兰水平安装于待测管道上；当待测管道内的矿浆流速过低时，检测仪本体采用竖直安装。

下面结合图4至图7所示的示例性实施例，对上述实施例披露的超声波矿浆浓度在线检测仪做进一步说明：

本实施例中，超声波矿浆浓度在线检测仪适用于密闭管道内固液两流固相浓度在线检测，结构组成主要包括：超声波发射换能器、超声波接收换能器、换能器驱动电路、滤波电路、放大电路、输入输出电路、温度测量电路、控制系统、继电器输出电路、电流输出电路等。

在超声波发射电路的控制下，超声波发射换能器发出声波，在矿浆中传播之后，由超声波接收换能器接收到，接收到的声波信号送入控制系统进行处理。控制系统还分别与温度测量电路、串行通讯电路、电流输出电路、输入输出电路、继电器控制电路连接。控制系统会通过比较发射换能器发射强度与接收换能器接收到信号的强度计算出超声波的衰减系数，然后根据温度测量电路测得的温度进行温度补偿，这样就可以根据浓度值与衰减系数的关系来得到矿浆的浓度值。

如图4至图7所示的超声波矿浆浓度在线检测仪的机械结构示意图，该超声波矿浆浓度在线检测仪的机械结构主要包括：连接法兰1、本体2、操作读数面板3、侧面盖板4、超声发射换能器5、密封圈6、正面盖板7、超声波接收换能器8、集成检测控制电路PCB板9等组成。正面盖板7的外面设有液晶屏和操作按键，用于显示数据和操作系统，如标定方式选择，超声波频率、波形的选择、校准等基本操作。按键主要由上下左右四个方向键和确认、返回两个指令键组成，主要是用来进行一些设置，如密码设置、单位设置、量程设置等。

如图6所示为图4的A-A视图。发射换能器5用螺钉固定在本体2上，之间设有密封圈6；在发射换能器5的对称位置设有接收换能器9，两个换能器发射面之间的距离与通流管道直径相同，换能器的发声和接收面直径亦与管道直径相同。在本体2两侧的电路仓室中安置控制器等电路元件9，两个仓室之间设有过线通孔。所述电路仓室开口处设有可拆的侧面盖板4。

本公开利用超声衰减法测量矿浆浓度，超声波矿浆浓度在线检测仪主要包括:单片机控制系统、超声波的发射电路、滤波电路、放大电路、输入输出电路、温度测量电路、控制系统、继电器输出电路和超声波换能器。其原理是：在控制系统的控制下，发射电路将控制超声波换能器发射固定频率的超声波，超声波在穿越矿浆时发生衰减，再由超声波接收换能器接收到信号。信号经历滤波、放大之后送入控制系统，经采样获得具体的信号幅值。同时，温度测量电路将测量出实际矿浆的温度，然后控制系统根据温度与衰减系数的关系进行温度补偿，最后根据衰减系数与矿浆浓度的关系，由输入输出电路通过显示屏显示出浓度测量值。串行通讯电路输出矿浆浓度的数字信号，电流信号输出电路输出矿浆浓度的模拟信号，继电器输出电路满足电路的自动控制需求。

相应地，参照图8所示，本公开还披露一种与上述任一实施例披露的超声波矿浆浓度在线检测仪进行交互的智能控制终端，该智能控制终端包括：通信装置、控制系统及显示装置；其中：

通信装置用于接收前述任一实施例披露的超声波矿浆浓度在线检测仪检测到的浓度测量值。可选的是，通信装置还可用于向超声波矿浆浓度在线检测仪发送工作指令。

控制系统用于根据浓度测量值控制絮凝剂阀门的开合度，以基于矿浆浓度变化适应性调整絮凝剂溶液流量。

显示装置用于显示超声波矿浆浓度在线检测仪的输出数据以及实施絮凝剂溶液流量随矿浆浓度的变化。

本实施例的智能控制终端通过超声波矿浆浓度在线检测仪获取当前的矿浆浓度值，从而根据矿浆浓度值确定当前所需的絮凝剂流量，据此，控制絮凝剂阀门的开合度，使得絮凝剂溶液流量能够根据矿浆浓度变化进行适应性调整。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。