基于超声波衰减理论的矿浆浓度计的设计

探究超声波在KCl 溶液中衰减系数与KCl 溶液浓度的关系摘要：数值模拟和实验操作都发现测量声速时，示波器显示的接收端波形振幅会衰减。

这暗示了可利用该方法测量超声波的衰减系数。

当改变溶液浓度时，测量衰减系数的变化可大致的推断出衰减系数与溶液浓度的关系。

关键词： 超声波 衰减系数 KCL 溶液 浓度实验中利用压电陶瓷超声换能器组、示渡器、函数信号发生器等，采用共振干涉法。

在采用共振干涉法进行实验的过程中，共振干涉法测量是基于如下原理，由发射器(声源)发出的平面波，经空气传播，到相距一定距离的接收器，如果接收器与发射器平行，往返声波多次叠加。

当发射面和接收面之问的距离z 为2/λ的整数倍时，其声压的极大值随距离呈周期性变化。

若保持声源的频率，不变，改变接收器与发射源间的距离z ，则在一系列的距离上可测得接收器处声压振幅极大值位置，图中的4321l l l l 、、、所示，而相邻两声压极大值之间的距离1满足关系式21λ=-+ii l l 。

根据公式xe I I ∂-=20 推导出xII ln ln 0-=∂。

然后用数据进行计算。

用1221ln x x I I -=∂即可算出声波在溶液中的衰减系数来。

其中2121x x I I 、、、则根据具体的数据进行选择。

本文将从一般平面简谐波理论出发，分析考虑声波在发射端S1，和接收端S2之间经过无限次反射叠加的过程，在空气中传播过程中能量(振幅)发生损耗，在两个换能器界面反射时均存在反射能损及相位半波损失。

推导出接收端测量的声压和声波振动位移两者关系，从理论上导出了接收端声音压强信号随发射端、接收端间距变化关系的解析表达式。

该模型能合理地解释相关的实验现象，理论分析与实验吻合。

而对于某些声速测量仪，当换能器之间的距离小于1O毫米时，在移动换能器测量声速的过程中出现了假峰现象，它对实验测量结果造成了很大影响。

当使两换能器之间的距离大于10毫米开始测量，可以避免假象对测量结果的影响。

金属矿山充填矿浆浓度计的改进摘要：矿浆密度和质量浓度有唯一对应关系，实际生产过程中作为重要的数据为生产管理提供依据。

核子密度计、超声波密度计、差压密度计等密度检测仪表都在矿浆密度检测场合有所应用，同时，上述各类检测仪表各有特点，如核子密度计属于外夹非接触式测量，射源半衰期长，仪表寿命长及稳定性高，但环保及安全要求高，射源申请难度大，保管责任重，且有人身辐射危险；超声波密度计属于非接触式，无射源要求，但受颗粒、气泡影响较大，浓度较高时检测不准确；差压密度计属于接触式测量，容易受流体动压等干扰的影响，普通结构或者抗干扰方式很难满足充填现状；这些问题给矿山企业生产带来较多不便和安全风险。

结合矿浆浓度测量工况，重新设计差压式密度计的机械结构和程序算法，提升差压密度计测量准确性和稳定性。

关键词：金属矿山；充填矿浆浓度计；改进引言在有色金属工厂，由于环境保护和资源再利用的需要，其集中生产的山必须集中存放，存放地点通常很远，特别是在山区为数不多的山区和高地，那里的山被存放在越来越远的深井或更高的山区。

使用传统的多层低枢纽泵站进行运输显然变得越来越困难。

这种运输方式不仅给管理带来不便，而且浪费了大量的人力物力，造成严重的泄漏和泄漏，从而污染了环境。

因此，沈阳大学从20世纪90年代末开始承担国家任务，开始开发高效节能的隔水浆泵，通过了部长级评价。

目前广泛应用于有色金属矿山，是一种新型污泥泵，取代了低升压多级砂泵站。

1管道矿浆密度计在线测量原理的实现纸浆密度计主要由腔振动传感器和谐振电路组成。

腔振动传感器由分布在腔内壁周围的测量管和电感线圈组成，电感线圈的两个管末端连接电阻和电容；电感、电阻和电容构成RLC系列谐振电路；谐振电路由循环器、混合器、探测器、低通滤波器等电路组成。

浆料流量计的工作原理如下:不同频率的液体在通过测量管时摆动，当激发信号源产生的信号频率与测量管频率相匹配时产生共振。

混频器输出谐振频率与外部励磁信号源产生的信号频率之间的各种谐波，然后通过探测器、滤波器和识别器将频差信号转换为电信号，通过对电信号进行数字化获得流体密度。

1 绪论研究的背景和意义在工业生产进程中，浆体是一种常见的流体类型，其种类有矿浆、泥浆、纸浆和煤浆等，它是一种固、液两相混合流体。

浆体浓度是指必然量的浆体中固相成份占整个浆体的百分数，有质量百分数（质量浓度）和体积百分数（体积浓度）。

为了提高产品质量和知足生产进程自动化的要求，必需对浆体浓度进行准确、及时、持续的在线测量和操纵。

因此，一个知足要求的、性能优良的浆体浓度检测系统，能够给治理者提供准确、及时的现场信息，提高企业治理水平、产品质量，降低生产本钱，具有庞大的社会效益和经济效益。

浆体的特点从浆体本身所具有的特性来看，浆体及浆体浓度的测量有如下几个特殊性：一、浆体是固、液两相悬浊液，有些情形下可能还会有气相成份。

这就造成了其流体动力学特性极为复杂。

有些浆体由于固、液两相的比重差，静态时容易分层。

这种非均匀性、多相性增加了测量的难度。

二、浆体浓度的测量还受温度、压强等其他因素的阻碍。

因此，为了提高测量精度必需对这些阻碍进行补偿。

3、某些工业进程中（比如造纸工业）的不同工段，固相成份的尺寸、形状、颜色等都不同，这就造成了浆体浓度传感器的通用性差。

浆体浓度检测技术的国内外研究现状在工业生产进程中，传统的浆体浓度分析方式常采纳间隙采样、称量、电解、化学滴定等离线测量的方式。

由于持续进程监控和对浆体浓度分析的要求日趋提高，显然这种方式难以适应生产进程自动化的要求。

这就需要从头的或更好的在线浓度传感器取得有效的信息以提高进程操纵的质量和产品的性能。

由于浆体的特性极为复杂，在线持续检测浆体的浓度难度较大。

目前，常采纳的技术有以下几类：由密度推算浓度的方式这种方式先由密度传感器【1】测得浆体的平均密度，然后依照密度和浓度之间的对应关系就能够够推算出浆体的浓度。

依照密度传感器测得的浆体平均密度和密度和浓度之间的对应关系就能够够推算出浆体的固相百分含量，但实现这种方式的前提是固相和液相的密度有较大不同，而且二者密度能维持稳固。

打造世界顶级超声波矿浆浓度检测“专家”
浓度检测对于工业生产具有重要意义，在国内安全生产和放射源审批日益严苛的今天，采用超声波技术实现浓度检测的产品日益受到企业用户的青睐。

近期，东方测控超声波浓度计研发组传来消息，针对公司自主研发的DF-6420 超声波（矿浆）浓度计产品升级主体工作结束，仪表运行稳定性和精度得到进一步提升。

据产品研发负责人介绍，本次超声波（矿浆）浓度计升级，主要针对仪表的检测原理、软件算法优化和完善装置结构三个方面展开。

检测原理部分的升级，主要是产品将超声衰减原理与声速法相结合，同一时间根据不同的检测参数进行判断，进一步消除气泡对测量结果的影响，以便更准确的检测出实时的工艺浓度。

软件部分的升级，则着重在信号在接收过程中，解决信号带来的杂波问题，对接收来的信号进行充分的滤波处理，提高仪表抗干扰性和检测精度。

装置结构部分的升级，产品采用了具有“专利”的外观设计，通过固定探头间距，解决了过去因管径变化而影响检测效果的问题，同时使产品的标定更为便捷、简单（很多现场可以使用同一经验公式）。

此外，升级后的仪表采用非接触式测量设计，探头通过保护装置与被测矿浆隔离，充分延长了探头使用寿命，彻底解决了传统接触式检测导致仪表因探头频繁损坏、更换对现场生产造成的影响。

自2009年投入市场以来，DF-6420 超声波（矿浆）浓度计已在
中国黄金集团、山东黄金集团、大冶有色、武钢、马钢、本钢等30余家矿山生产企业应用130余台，并已实现出口。

此次升级后，从相关现场使用效果反馈来看，仪表在检测精度、性能、稳定性方面已达到世界顶级水平。

我们期待以更多世界领先检测产品，助力我国冶金矿山企业发展。

超声在线波浓度计工作原理DF—6420超声波（矿浆）浓度计的工作原理是基于超声波在矿浆这类均匀悬浮液中传播时，其振幅随被测矿浆中固体量的多少及粒子大小变更而变更的超声衰减测量。

只要测出超声波穿过被测矿浆时的衰减量就可知道被测矿浆的浓度。

在肯定条件下，当矿浆中粒子很小时，粘滞汲取衰减起重要作用；当颗粒很大时，散射衰减起重要作用。

技术参数物理性能尺寸传感器:一个发射和一个接收换能器，25mm×h30mm传感器材质 316不锈钢，内衬环氧树脂环境性能防护等级 IP65（变送器）IP68（管道传感器）IP68（浸没式传感器）温度掌控器:—20～60℃传感器:—50～100℃压力最大20Bar测量性能精度 2%（1σ）判别率 0.5%的满量程量程 0%～70%温度弥补通过内置温度传感器全量程自动弥补模拟输出 4—20mA，最大750Ω继电器输出高、低浓度报警节点通信接口 RS485供电 220Vac，小于200VA产品特点1、国内用于在线检测矿浆浓度的超声波浓度计目前市场上国内外全部超声波浓度计产品均不能成功应用于工业现场精准测量矿浆浓度。

本公司的超声波浓度计解决了应用在工业现场的相关难题，克服了气泡、粒度、温度等因素的影响，可以精准测量矿浆的浓度变更。

2、解决悬浊液中气泡对测量结果的影响超声波衰减原理的检测仪表大多采纳巨大的机械结构及电气装置来除去气泡影响，这样既加添了本钱又加添了维护量及故障点。

本公司研发人员通过各种调研及大量试验摸清了气泡对浓度测量影响的规律，采纳方法解决了这个问题。

3、解决粒度变更对测量结果的影响超声波在通过悬浊液的时候会发生散射衰减，媒质自身的晶粒结构、媒质中的悬浮粒子、杂质和气泡等都可以构成超声波的散射体而引起这种衰减。

在工业现场由于工艺要求，在肯定的环境范围内，矿浆的粒度分布存在肯定规律。

通过选择适当的频率，媒质的粒度对散射衰减的影响就可以降到很低的程度。

肯定粒度的超声波衰减与超声波频率成线性变更。

超声波(矿浆)浓度计及工业应用崔祜林;李云龙;杨九水;闫石【摘要】浓度的准确测量是实现实时工业控制的必要条件,但一般的射线式、红外式、称重式、压力式等浓度计检测效果参差不齐,且受检测点矿浆性质、固体颗粒粒径差异影响较大,存在着可靠性、稳定性、耐磨性不够等问题.对基于超声波衰减原理设计的超声波(矿浆)浓度计的测量原理进行了阐述,并以DF-6420型超声波(矿浆)浓度计为例,介绍了其技术参数、应用领域与效果,分析了其优缺点.现场应用实践结果表明,超声波(矿浆)浓度计投资费用低,检测结果可靠、准确,稳定性高,耐磨性好,维修方便,可创造可观的经济效益和社会效益,具有较大的推广应用价值.【期刊名称】《现代矿业》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】3页(P228-229,233)【关键词】超声波;衰减;矿浆浓度【作者】崔祜林;李云龙;杨九水;闫石【作者单位】丹东东方测控技术股份有限公司;丹东东方测控技术股份有限公司;丹东东方测控技术股份有限公司;丹东东方测控技术股份有限公司【正文语种】中文浓度是工业生产环节中必不可少的一个工艺参数。

准确测量工艺流程连续生产过程中的介质浓度可以省去实验室分析中所需的昂贵的取样设备，同时能节约时间，并且可以直接得到过程数据用于评估或控制，进而改进产品质量，取得最大的经济效益。

目前市场上不同种类的工业浓度计所采用的工作原理也不同，主要有静压力法、重力法、浮子法、γ射线法、振动法、光电法、超声波法等。

这些工业浓度计用于悬浊液浓度检测时检测效果好坏不一,特别是在矿山磨选工艺过程中不同工艺点进行浓度检测时，因检测点的矿浆性质、颗粒粒径存在较大差异，导致矿浆浓度检测仪表的长期可靠性、稳定性、耐磨性等不尽如人意。

经多年应用实践，按超声衰减原理设计生产的超声波(矿浆)浓度计在悬浊液浓度检测方面具有较强优势。

超声波(矿浆)浓度计是一种连续矿流在线检测仪器，是利用超声波穿透待测物质后，利用声速、声阻抗、声强等声学量的衰减与悬浊液中待测物质密度等相关关系，获得相应的浓度参数。

基于STM32的超声波矿浆浓度计设计
未普娇;王建民
【期刊名称】《工业控制计算机》
【年(卷),期】2017(030)011
【摘要】利用超声法测量在线测量矿浆浓度具有快速、无需稀释、在线等优势,研究设计了以STM32为核心的超声波矿浆浓度计,分析了矿浆浓度与超声衰减的关系,对超声波的发射与接收电路进行研究设计,通过理论分析和实验得出超声波衰减与浓度之间的关系.
【总页数】2页(P133-134)
【作者】未普娇;王建民
【作者单位】华北理工大学电气工程学院,河北唐山 063210;华北理工大学电气工程学院,河北唐山 063210
【正文语种】中文
【相关文献】
1.基于超声波衰减理论的矿浆浓度计的设计 [J], 韩晓敏;王建民;王聪聪;苏立虎;
2.基于超声波回波衰减理论的超声波浓度计设计 [J], 单淑娟;吕国丰
3.基于STM32驱动线阵CCD的矿浆粒度检测系统设计 [J], 刘玉娟;郝成;刘旭;吕晶
4.基于超声波衰减理论的矿浆浓度计的设计 [J], 韩晓敏;王建民;王聪聪;苏立虎
5.基于称重原理的矿浆浓度计的设计 [J], 邱军
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矿浆浓度计‎USD‎型矿浆浓度‎计采用超声‎波衰减的方‎式测量沉淀‎池内或管道‎内矿浆或污‎泥等介质的‎浓度。

它可‎以在线实时‎监视被测介‎质浓度的变‎化，还可以‎通过设定输‎出继电器的‎触发值来直‎接进行工艺‎控制。

‎本产品已‎经成功应用‎于给水厂、‎城市污水厂‎、工业浆料‎、钢铁厂矿‎浆等多个领‎域。

原理‎简介‎多年来对于‎矿浆浓度的‎监测研究证‎明，超声波‎在矿浆和悬‎浮物中的衰‎减与液体中‎的矿浆和悬‎浮物的浓度‎有关，根据‎这一原理U‎S D型超声‎波矿浆浓度‎计实现了污‎泥和悬浮物‎浓度的在线‎测量和监控‎。

可以实时‎连续监测矿‎浆和悬浮物‎浓度的变化‎并自动实现‎相关工艺过‎程控制。

‎应用领‎域◎‎给水厂及污‎水处理厂‎回流污‎泥、初沉池‎、二沉池、‎浓缩池、污‎泥脱水等。

‎◎洗‎煤厂、矿山‎、造纸、电‎力矿‎浆浓度、煤‎泥浓度、灰‎浆浓度、纸‎浆浓度等。

‎超声‎波浓度计在‎矿浆浓度测‎量中的应用‎简介‎常见的浓度‎计有：‎射线浓度‎计、超声波‎浓度计、光‎电式浓度计‎、差压法浓‎度计、称重‎法等。

‎类型原‎理缺点‎优点射‎线浓度计‎一定强度的‎射线在穿过‎待测物料时‎，其强度要‎减弱，减弱‎的程度取决‎于测量通道‎内以及待测‎物的浓度，‎如果测量通‎道已定，则‎通过测量射‎线被待测物‎衰减的程度‎，就可以得‎到待测物的‎浓度放射‎源存在环境‎和安全隐患‎。

测量精‎度高，量程‎大，维护量‎小超声‎波矿浆浓度‎计超声波‎穿过被测物‎后会被吸收‎衰减，其衰‎减程度和被‎测物浓度相‎关。

超声‎波会受气泡‎影响，过多‎的气泡会影‎响测量结果‎的准确性。

‎无辐射，‎是射线浓度‎计的最佳替‎代光电‎式浓度计‎光穿过被测‎物后会被吸‎收衰减，其‎衰减程度和‎被测物浓度‎相关测量‎量程小，受‎色度影响。

‎精度高，‎无污染‎差压法浓度‎计通过固‎定距离的压‎力差，得到‎混合液密度‎，通过已知‎的被测物密‎度来计算出‎浓度介质‎密度和水的‎密度必须有‎差值；在浓‎度小时测不‎准；压‎力测量容易‎受流动等冲‎击的影响；‎只有在介‎质和溶剂密‎度差较大时‎才适用‎称重法直‎接称重，通‎过已知的被‎测物密度折‎算出浓度‎同上；同‎上，不连续‎，维护量大‎矿浆浓‎度计应用情‎况阳‎泉八矿洗煤‎厂、南钢、‎本钢、鞍钢‎、日照钢铁‎集团、津西‎钢厂、俄罗‎斯金矿选矿‎、莱芜铁厂‎、福建钨矿‎、鞍山大孤‎山铁矿、黄‎科委等工矿‎现场有应用‎。