7.3 Контроль свойств суспензий и состава жидких и твердых сред

Из многочисленных способов контроля плотности пульп и суспензий (ареометрический, пьезометрический, гидростатический, манометрический, весовой, радиоизотопный) рассмотрим наиболее применяемые в обогатительной отрасли.

Манометрический плотномер. Получил самое широкое применение при контроле плотности угольных пульп. Это связано с высокой точностью измерения, надежностью и простотой прибора. Основной недостаток плотномера – необходимость разрыва контролируемой среды и компоновочные сложности, связанные с высотой устройства.

Плотномер состоит (рис. 7.19) из вертикально установленной трубы (1), цилиндроконической емкости с кольцевой камерой отбора давления (2), переливной емкости (3) с приемной воронкой (4).

Цилиндроконическая емкость содержит насадку (5) с калиброванным отверстием истечения. Диаметр отверстия выбирается таким, чтобы предотвратить его зашламование с одной стороны, и чтобы обеспечить наличие перелива в верхней части трубы (1). Последнее стабилизирует уровень пульпы h_п.

Для компенсации статического давления столба чистой жидкости, находящейся в измерительной трубе (1), предусмотрен моностат (6) с воронкой (7), заполненный чистой водой. Высота свободой поверхности воды в моностате относительно диафрагмы дифманометра (h_в) равна высоте (h_п).

Работа устройства состоит в следующем. Отобранная для контроля часть пульпы поступает в приемную воронку (4), где происходит ее очистка от крупных инородных материалов, и заполняет систему плотномера до наличия перелива из трубы. Тогда дифманометр измеряет разность давлений:

ΔР = Р₁ – Р₂ = P_атм+ ρ_пgh_п - P_атм- ρ_вgh_в = gh(ρ_п -1)=с(ρ_п -1) (7.8)

где P_атм – атмосферное давление;

ρ_п – плотность пульпы;

ρ_в – плотность воды (ρ_в = 1);

h_п = h_в – высота столбов жидкостей;

с = gh – постоянный коэффициент.

Выражение (6.8) показывает, что при подаче в измерительную трубу чистой воды разность давлений ΔР = 0, т.е. стрелка регистрирующего прибора установится на "0", что соответствует нулевому содержанию твердого в пульпе. Данное обстоятельство резко повышает чувствительность плотномера, что особенно важно при контроле малых плотностей, характерных для угольных пульп.

Заметим, что при отсутствии моностата вторичный прибор в этом случае будет регистрировать давление ΔР=ρ_вgh_в, что резко сужает рабочий участок шкалы прибора при подаче в устройство пульпы.

Весовой плотномер. Для контроля более плотных суспензий, например, магнетитовых могут применяться надежные весовые плотномеры. Принципиальная схема плотномера ИПВФ (индикатор плотности весовой ферродинамический) показана на рис.7.20.

Принцип работы плотномера заключается в автоматическом измерении массы суспензии определенного объема, протекающей через весовой патрубок (2). В приборе использован компенсационный принцип измерения массы патрубка с суспензией.

При увеличении массы суспензии (увеличении ее плотности) весовой патрубок, благодаря наличию гибкого манжета (1), опускается.

Сердечник трансформаторного преобразователя (ТП), жестко закрепленный к патрубку, смещается относительно своего нейтрального положения. Это вызывает появление на входе усилителя (ФУ) напряжения.

Усиленный сигнал вызывает вращение ротора двигателя (РД), последний поворачивает лекало (4) в таком направлении, чтобы с помощью рычага (3) и пружины приподнять патрубок в исходное состояние, сердечник при этом занимает вновь нейтральное положение. Сигнал на входе усилителя исчезает, ротор РД останавливается, связанная с ним система регистрации фиксирует новое значение плотности суспензии.

Для передачи информации на вторичный прибор ВФСМ в плотномер встроен ферродинамический преобразователь (ПФ), рамка которого кинематически связана с ротором двигателя.

Плотномер выпускается Харьковским заводом КИПиА.

Радиоизотопный плотномер. Это наиболее технологичные плотномеры, определяющие плотность среды непосредственно в трубопроводе.

Основной недостаток – невысокая точность измерения, особенно для пульп с малой плотностью твердой фазы, например, угольных.

Работа основана за зависимости поглощения радиоактивных излучений от плотности пульпы (рис. 7.21).

Интенсивность излучения, пронизывающего поток пульпы от источника (2) до приемного устройства (3) определяется выражением:

,

гдеJ₀ – интенсивность излучения на выходе источника (при L=0);

µ_м- массовый коэффициент ослабления;

L – толщина слоя пульпы.

Для жесткого гамма-излучения массовый коэффициент ослабления практически не зависит от состава твердой фазы пульпы. Это позволяет получить однозначную зависимость вида:

(7.9)

На рудных обогатительных фабриках эксплуатируются плотномеры типа ПР-1027М и ПР-1028. Погрешность измерения этих плотномеров на медных и железорудных обогатительных фабриках составляет ± 2 %.

Контроль вязкости суспензий

Вязкость суспензии – один из основных технологических параметров, определяющих эффективность тяжелосредной сепарации. Устройство для контроля вязкости суспензии (рис. 7.22) разработано на основе манометрического плотномера (рис. 7.19). Основным отличием является наличие не постоянного в измерительной трубке, а переменного столба суспензии, высота которого (Н) зависит от скорости истечения суспензии через затопленную батарею патрубков.

Датчик вязкости состоит из приемного устройства (1), работающего с переливом, успокоителя потока (2) и втулки с калиброванным отверстием (3), обеспечивающим постоянный расход суспензии в измерительную трубу (4).

Суспензия из трубы протекает через батарею патрубков (5), помещенную в компенсационной воронке (6).

Высота столба суспензии (Н), характеризующая сопротивление движению суспензии через патрубки, а, следовательно, и ее вязкость, измеряется дифманометров через кольцевую камеру отбора давления (7).

Рассмотренный датчик вязкости характеризуется невысокой точностью измерения, но для целей автоматизации схемы регенерации суспензии при тяжелосредной сепарации его применение оправдано.

Контроль состава жидких сред

Концентрация веществ, растворенных в жидкой фазе пульпы, является одним из важных параметров процессов флотации. Актуальными вопросами на обогатительных фабриках являются контроль концентрации реагентов и ионов в жидкой фазе пульпы, остаточной концентрации коагулянтов в оборотной воде, концентрация вредных веществ в сточных водах и пр.

Измерительные устройства для анализа состава и свойств пульп получили название анализаторов жидкости. В обогатительном производстве наибольшее распространение получили автоматические иономерные и кондуктометрические анализаторы.

Иономерный анализатор жидкости. Работа анализаторов основана на измерении эдс электродной системы, селективно зависящей от активности определенного иона. Электродная система состоит из двух электродов - измерительного, потенциал которого относительно раствора определяется концентрацией контролируемого иона в растворе, и вспомогательного, который практически не изменяет свой потенциал относительно раствора при изменении в нем концентрации ионов.

На обогатительных фабриках данные анализаторы могут использоваться для измерения концентрации активных водородных и сульфидных ионов, ионов ксантогената и концентрации цианидов.

Для определения рН пульпы (концентрации водородных ионов [Н⁺]) в качестве электродов принимают стеклянный электрод (рис. 7.23, С) и вспомогательный (сравнительный) электрод (В).

Стеклянный электрод представляет собой толстостенную стеклянную трубку с тонкостенным полым шариком (1), заполненную буферным раствором (2). В этот раствор помещен контактный электрод (3), передающий потенциал через ртутный контакт (4) и проводник (5) на выход датчика.

Вспомогательный электрод (В) подает потенциал на выход (Е_вых) с помощью ртутно-каломелевой системы (6) со стеклянной ватой (7), помещенных в насыщенный раствор хлористого калия (8).

Выходной сигнал (Е_вых), пропорциональный рН пульпы, подается на вторичный прибор – мост постоянного тока.

На рудных обогатительных фабриках получили распространение рН-метры с датчиком типа ДПр-5254 и многоканальный анализатор концентраций реагентов и рН среды "Реагент 3Б" или АЖЭ-8.

Для измерения концентрации сульфидных ионов используется электродная система, состоящая из измерительного аргентитового электрода и вспомогательного – хлорсеребряного. В этом случае на поверхности измерительного электрода возникает потенциал, пропорциональный величине pS, который измеряется по отношению к потенциалу вспомогательного электрода.

Если в пульпе отсутствуют сульфидные и цианидные ионы, аргетитовый электрод может быть применен для оценки концентрации ионов ксантогената.

Кондуктометрические анализаторы жидкости основаны на измерении электропроводности жидкости, зависящей от содержания в ней растворенных веществ и их природы. Данный анализатор применяется редко, так как он характеризуется слабой селективностью и может использоваться при наличии в растворе только одного вещества с большой концентрацией.

Контроль состава твердых продуктов

Автоматический контроль состава продуктов обогащения является важнейшей задачей автоматизации технологических процессов. Это сложная задача, которая решается по двум направлениям - разработка дискретного контроля с использованием стационарных анализаторов и создание средств автоматического контроля вещественного состава продуктов обогащения непосредственно в потоке.

Для систем автоматического управления процессами необходим оперативный, желательно непрерывный контроль в потоке, поэтому стационарные анализаторы здесь рассматривать не будем.

Наиболее перспективными анализаторами вещественного состава в потоке являются рентгеновские флуоресцентные спектрометры и радиоизотопные анализаторы.

Рентгеновские флуоресцентные спектрометры. Сущность работы данных спектрометров состоит в следующем. Под воздействием рентгеновского излучения атомы контролируемого вещества переходят в возбужденное состояние, при котором электроны, поглощая извне порции энергии, занимают более высокие энергетические уровни. Обратный переход сопровождается излучением энергии — вторичным ионизирующим излучением. При этом каждый элемент имеет свое излучение с дискретным индивидуальным энергетическим спектром. Это позволяет по спектру вторичного излучения определять наличие анализируемого элемента (качественный анализ), а по плотности потока энергии характеристического излучения — количество элемента (количественный анализ).

Реализация рентгеновского флуоресцентного спектрометра, контролирующего в потоке пульпы отношение содержания двух элементов, подлежащих разделению, показан на рис. 7.24. Здесь контролируемая пульпа поступает в измерительную камеру (1), снабженную отверстием, закрытым тонкой пленкой (2).

Источником облучения пульпы является рентгеновская трубка (3). Вторичное излучение попадает на многопластинчатый коллиматор (4) и далее на кристалл кварца (5), разлагающий излучение в спектр. Характеристические излучения контролируемых элементов поочередно поступают в измерительную систему (6). Последняя, содержащая блоки детектирования, коммутации и вычисления, формирует сигнал для промежуточного преобразователя (Пр). На выходе преобразователя появляются сигналы, пропорциональные содержаниям контролируемых элементов, которые поступают на измерительный прибор (ИП), содержащий блок деления и регистрирующий отношение содержаний контролируемых элементов.

Следует отметить, что благодаря дифференциальному принципу измерения показания спектрометра не зависят от плотности пульпы.

Рассмотренный метод заложен и в основе работы рентгеновского анализатора РАМ-1М, разработанного институтом УкрНИИуглеобогащение, и служащем для измерения зольности и влажности угля крупностью до 13 мм в потоке.

Радиоизотопные анализаторы. Принцип работы основан на зависимости поглощения или рассеяния гамма-излучения от состава контролируемого вещества. Из формулы (6.9) можно получить выражение:

,

где µ_м – массовый коэффициент ослабления поглотителя;

ρ – плотность поглотителя толщиной d.

Для мягкого гамма-излучения существует достаточно сильная зависимость массового коэффициента ослабления от вещественного состава поглотителя. На этом принципе работает анализатор, показанный на рис. 7.25,а.

Анализатор содержит источник мягкого гамма-излучения (1), расположенный в контейнере (2), блок детектирования (4), преобразователь (Пр) и измерительный прибор (ИП). Одним из недостатков данной схемы является зависимость показания прибора от толщины слоя (d) контролируемого материала. Для ликвидации этой зависимости некоторые анализаторы содержат корректирующую схему, включающую дополнительный источник жесткого гамма-излучения, и компенсирующую влияние толщины слоя материала.

При вещественном анализе материала в жидких средах разработана схема, приведенная на рис. 7.25, б. Здесь использован принцип зависимости плотности потока энергии ионизирующего излучения, рассеянного контролируемой средой, от вещественного состава среды. Схема содержит те же элементы, что и вышерассмотренная, добавлен коллиматор (5) и свинцовый экран, покрывающий блок излучения и коллиматор (на схеме не показан). В зависимости от содержания в контролируемой среде элементов с высокими атомными номерами изменяется плотность потока энергии излучения, рассеянного под определенным углом.

На рассмотренном принципе работают некоторые автоматические золомеры углей в потоке, например, золомеры РКПТ-2, ВСКЗ-2, разработанный в ДонУГИ. В данных золомерах используют источники гамма-излучения [2].

Контроль влажности продуктов обогащения

Оперативный контроль влажности продуктов обогащения – необходимое условие автоматического управления процессами обезвоживания и термической сушки. Из большого количества существующих косвенных методов контроля влажности материалов наиболее перспективными являются: емкостный, нейтронный, инфракрасный и рентгенометрический.

Емкостные высокочастотные влагомеры. Принцип действия влагомеров данной группы основан на зависимости диэлектрической проницаемости контролируемого материала, находящегося в высокочастотном электрическом поле, от его влажности. В качестве первичного датчика здесь могут использоваться различные конструкции устройств типа электрических конденсаторов, где между его обкладками располагается контролируемый материал, диэлектрическая проницаемость которого в большой зависимости находится от его влажности.

На углеобогатительных фабриках получил распространение емкостный влагомер ВАК-4 (рис.7.26). , разработанный институтом УкрНИИуглеобогащение. Датчик имеет форму "лыжи", опирающейся с постоянным усилием на транспортируемый материал. Чувствительный элемент датчика (рис. а), закрепленный на дне "лыжи", представляет собой плоскую ячейку с кольцевыми (2) или прямоугольными электродами, укрепленными на диэлектрическом основании (1) и имеющими односторонний контакт с контролируемым материалом. Измерительная система влагомера содержит корректирующую схему, ликвидирующую чувствительность выходного сигнала преобразователя (Пр) к изменению активного сопротивления контролируемого материала.

В качестве измерительного прибора (ИП) использован вторичный прибор – автоматическийпотенциометр.

Нейтронные влагомеры. Нейтронный метод измерения влажности основан на потере энергии быстрых нейтронов при их столкновении с атомами водорода, содержащимися в молекуле воды.

При столкновении нейтронов с ядрами других элементов потеря энергии значительно меньше. В данном влагомере (рис. 7.27) источник нейтронного излучения (1) и блок детектирования медленных нейтронов (2) помещены в защитном кожухе (3), около которого непрерывно проходит контролируемый материал. Сигнал от блока детектирования поступает на промежуточный преобразователь (Пр) и далее на измерительный прибор (ИП).

Масса материала в контролируемом объеме должна быть постоянной, данное требование – основной недостаток влагомера.

Инфракрасные влагомеры. Относятся к группе оптических анализаторов. Принцип работы основан на способности поглощения содержащейся в контролируемом материале водой энергии излучения с длиной волны в инфракрасной области (от 0.75 до 2.5 мкм).

Получили промышленное применение инфракрасные влагомеры типа ВКИ-1, ВСМИ-1, АНАКОН, измеряющие влажность материала в потоке на конвейере. Измерительная головка приборов устанавливается над лентой. Компенсация влияния других физико-химических свойств материала используется дополнительный источник инфракрасного излучения.

Достоинство данных влагомеров – отсутствие непосредственного контакта первичного датчика с измеряемым материалом. Основной недостаток заключается в том, что они являются измерителями только поверхностной влаги.

Контроль гранулометрического состава материала

Способы автоматического контроля гранулометрического состава могут основываться на непосредственных измерениях крупности частиц и косвенных методах.

На рис. 7.28 а приведена схема гранулометра "Микрон", работающего на принципе прямого измерения зернистых частиц твердой фазы в потоке пульпы. Гранулометр может использоваться в рудном обогатительном производстве.

Чувствительным элементов здесь является микроскопический щуп (1), шарнирно соединенный штоком (2) с рычагом (3), кинематически связанным с трансформаторным преобразователем (Пр). При работе двигателя (Дв) кулачковый механизм (4) периодически поднимает щуп над пятой (5), в следующий период измерения пружина (6) прижимает его к пяте. Зазор между этими элементами характеризует размер единичного зерна, попавшего в рабочую зону. Величина этого зазора с помощью трансформаторного преобразователя перемещения (ТП) подается в измерительную систему (ИС), где происходит интегрирование текущих значений размера зерна и среднее его значение фиксируется вторичным прибором.

Принципы косвенного метода оценки крупности материала в потоке иллюстрируется схемами, показанными на рис. 7.28 б и в.

По первой схеме средний размер куска руды оценивается давлением сыпучего потока на чувствительны элемент – пробное тело (1), перемещение которого, уравновешенное пружиной (2), с помощью трансформаторного преобразователя передается на регистрирующий прибор.

Во второй схеме (в) оценка крупности материала (руды) осуществляется по частотной характеристике колебаний упругой пластины датчика (1), возникающих под воздействием падающего материала, с последующей передачи выходного сигнала (U_вых) в измерительную схему.

За последние годы разработаны более современные гранулометры, например, установка автоматического измерения крупности частиц в потоке пульпы "ПИК-074" ("Союзцвет-метавтоматика")

В заключение следует отметить, что практическое применение автоматических гранулометров в обогатительной отрасли все же ограничено из-за низкой их точности измерения и невысокой надежности.

Контрольные вопросы.

1. Раскройте понятия датчика и преобразователя.

2. Объясните работу мостовых измерительных схем.

3. Приведите схемы и объясните принцип работы трансформаторного и ферродинамического преобразователей перемещения.

4. Дайте характеристику датчиков температуры и давления.

5. Приведите возможные схемы контроля производительности конвейера с помощью датчиков усилий.

6. Раскройте принципы работы электродного и манометрического уровнемеров.

7. Дайте характеристику емкостных уровнемеров и принцип их работы.

8. Перечислите способы контроля расходов жидких сред.

9. Перечислите виды сужающих устройств расходомеров РППД.

10. Раскройте суть работы расходомеров РППД.

11. Приведите схему расходомера переменного уровня с пропорциональной шкалой.

12. Объясните принцип работы ротаметров. Область применения.

13. Приведите схему и объясните работу электромагнитного расходомера.

14. Дайте классификацию способов контроля плотности пульп.

15. Приведите схему и объясните принцип работы манометрического плотномера.

16. Область применения радиоизотопных плотномеров, физические основы работы.

17. Объясните принципы контроля состава жидких сред.

18. Раскройте физические основы работы спектрометров.

19. Дайте характеристику методов автоматического контроля влажности продуктов обогащения.

Литература к разделу: [2], [3], [4]