洗煤厂重介质悬浮液密度的自动检测与自动控制及RYC-3000压差式密度计的应用
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洗煤厂重介质悬浮液密度 自动检测与自动控制及 RYC-3000 压差式密度计的应用
在重介质选煤过程中， 重介质悬浮液密度的测控和调节是控制产品质量的关 键， 重介质悬浮液分为低密度 （密度小于 1500kg/m³） 悬浮液、 高密度悬浮液 （密 度大于 1600kg/m³） 和稀悬浮液 （密度小于 1100kg/m³） 。 所谓重介质悬浮液密度， 即单位体积重介质悬浮液的重量，密度单位：kg/m³=g/L。在生产中，最简单的 测量方法是称量一定体积的悬浮液重量，使用密度壶（容量一般为 1L）盛满悬 浮液放到电子称上称重。这种测量方法最简单，用途最广泛，可用来定期检查悬 浮液的变化，也可用来标定调试密度计。但是，这种方法不能及时的测量密度的 实时变化，且费时费力，不易实现自动化控制，采用仪表进行密度的自动测量和 显示，是必须的。常用的密度自动测量装置—密度计有：双管差压密度计、水柱 平衡式密度计、浮子式密度计、同位素密度计、在线式差压密度计等，误差一般 要求在±10kg/m³。 一、双管差压密度计 双管差压式密度计是根据液体静力学原理， 即阿基米德原理而构成的测量仪 表。图 9-1 为吹气式双管差压密度计示意图。 双管插入密度为 ρ 的悬浮液中，两管的插入深度分别为 h1 和 h2，管差为 H。气 源经过定值器减压稳压后为 P，分别通过两个节流孔向两个测压管吹气。由于气 源压力 P 大于双管管端压力 P1 和 P2，所以管内液体被排出，并连续向悬浮液中 吹气泡。
强相等。 即： 式中
h1 h2 水
h1---------悬浮液面至 A 处高度； h2---------清水面至 A 处高度； ρ---------悬浮液密度； ρ 水---------清水密度，为常数；
（9-5）
所以
h2 水 h1
（9-6）
公式（9-6）中 h1 和 ρ 水是常数，悬浮液密度 ρ 与清水面至 A 处的高度有关。 悬浮液密度的变化可引起 h2 高度的变化，将差压变送器接在清水管的适当位置， 调整仪表的零点迁移，使其代替悬浮液的下限，再调整仪表的量程，使其代表悬 浮液的上限，这样就构成了水柱平衡式密度计。 三、浮子式密度计 浮子式密度计是根据浮子的浮力等于排开同体积液体的重量这一原理而制 成的密度计，图 9-4 是浮子式密度计示意图。当浮子悬浮在悬浮中时，浮子的浮 力F为
(9-10)
当放射源、测量管径和被测悬浮液确定后，I0、um、d 均为常数，据此，测 出射线强度 I 就可测出悬浮液密度 ρ。
图 9-5
γ 射线密度计工作原理图
图 9-5 为 γ 射线密度计工作原理图。实际测量时，将装有铯 137（137Cs）放 射源的铅室和探测器置于管道的相对两侧， 由铅室准直的 γ 射线束经管道悬浮液 吸收衰减，入射到探测器中的碘化钠晶体，碘化钠晶体具有很大的光能输出。它 是无色透明体，它和 γ 射线作产生电子、康普敦电子或电子对，然后由这些带电 粒子激发晶体中的原子。 由晶体中发射的光子投到光电倍增管的阴极上，根据光 电效应而打出光电子，光电子再逐渐放大，输出电荷。光电倍增管的阴、阳两极 应加 800～2000V 的稳定高压，输出电荷在负载电阻上产生脉冲电压，其脉冲幅 值很小，一般为零点几伏到几伏，需加前置放大电路，才能通过长电缆输出。 探测器所探测的 γ 射线强度与管道中悬浮液密度 ρ 成指数关系。
N N 0e u m Leabharlann d式中（9-11）
N0——悬浮液密度 ρ=0 时，仪器探测到的脉冲率，脉冲/s； N——介质密度为 ρ 时，仪器探测到的脉冲率，脉冲/s； d——管道内径，cm； ρ——悬浮液密度，g/cm3； um——质量吸收系数，cm2/g。 对于中等能量的 γ 射线和原子序数的不大的物质， um 仅与射线能量有关。 当 γ 源固定后，um 为常数。 由公式（9-11）可得：
F Vg
式中 V——浮子的体积； ρ——悬浮液密度； g——重力加速度。
（9-7）
所以
F Vg
（9-8）
使用压力传感器测得浮子的浮力变化即可得到悬浮液密度的变化。 这种密度 计曾在选矿厂使用，而选煤厂很少见。
图 9-4 浮子式密度计示意图 四、γ 射线密度计 γ 射线密度计是采用 γ 射线吸收法则测定管道中悬浮液密度的仪表，放射性 同位素铯 137（137Cs）产生的 γ 射线具有穿透物质的能力，对于一束准直的 γ 射 线通过被测悬浮液后，射线被悬浮液吸收，使其强度减弱，射线强度的衰减与悬 浮液密度之间存在下列关系：
I I 0e u m d
式中 I0——无被测悬浮液时的射线强度； I——通过被测悬浮液后的射线强度； um——质量吸收系数（与被测悬浮液、射源种类有关的常数） ； ρ——被测悬浮液密度； d——被测悬浮液厚度（一般为管道的内径） 。 由公式（9-9）可得：
（9-9）
I 1 ln( 0 ) um d I
信号送到调节器的输入端，与给定值进行比较，形成偏差信号，调节器对偏差进 行比例、积分、微分（即 P、I、D）运算，根据运算结果发出的信号去调节被控 分流箱的分流量， 改变悬浮液的密度值，使密度值与给定值的偏差稳定在容许的 范围内。
图 9-7 重介质悬浮液密度自动调节系统示意图
图 9-6 差压式密度计示意图 总结以上介绍的几种密度计，在安装和使用方面都存在一些问题，双管压 差密度计需要一个稳定的气源、 水平柱式密度计需要稳定的清水，双管压差密度 计、水平柱式密度计、浮子式密度计都需要一个测量筒，由于被测物为悬浮液， 并且它的成分也在变化，如果测量筒的下部底流口流量太小，极易产生沉淀，造 成测量筒的下部的物料密度大， 如果底流口流量大，测量筒如果没有溢流也可能 使测量不准确，因此控制测量筒中溢流是非常关键的。如果不能很好的控制，密 度的测量将会带来很大的误差。同位素密度计，具有皮实耐用、测量可靠、隔离 测量不接触被测物等优点， 成为重介质选煤过程中密度测量的主流，但由于需要 铯 137 放射性同位素作为射线源， 国家加强了对放射性同位素使用和审批上的管 理，这就给使用方带来的诸多的不便，增加了使用和管理成本。在线式压差密度 计由于直接安装在管路上，客服了需要气源或清水、需要测量筒等问题。也由于 微电子技术的飞速发展使传感器测量的准确性、可靠性得到很大的提升，测量的 精度和耐用性已经接近同位素密度计，且价格比同位素密度计便宜许多、维护管 理简单、环保。正逐步取代同位素密度计，被许多选煤厂采用。 六、悬浮液密度自动调节系统 重介质选煤的主要原理是靠控制悬浮液的密度，使精煤与中煤（矸石）达到 分离的。 如果悬浮液的密度不能按规定要求控制调整， 就失去重介质选煤的意义， 煤也不能选好。因此，悬浮液密度的测量和调节是很关键的一环。它的方法应视 工艺条件而定，一般是当悬浮液密度过高，要及时加水，使其密度降低。当悬浮 液密度过低时， 要及时将精煤弧形筛下合格悬浮液分流一部分进入精煤稀介质处 理系统，由磁选机回收磁铁矿加重质，回到合格介质桶使悬浮液密度提高。有的 工艺流程使用补加高密度悬浮液的方法提高密度。或者直接补加干磁铁矿粉。这 要决定于每个工艺流程的设计。 图 9-7 为悬浮液密度自动调节系统示意图，该系统为分流合格悬浮液到稀 介质桶，回收磁铁矿的方法调节悬浮液的密度。由 γ 射线密度计测得密度信号，
图 9-2 双膜盒差压密度计 二、水柱平衡式密度计 水柱平衡式密度是基于 U 形管液柱压强平衡原理构成的密度测量仪表。其 结构如图 9-3 所示。被测悬浮液流入测量桶，其流量以保持有溢流为准，由于测 量桶的直径远大于底流口直径， 所以测量桶内悬浮液的流速很小，可以近似看作 静止状态来分析。在清水管中缓慢地流入稳定的清水，在平衡状态下，悬浮液与 清水在 A 处形成一个分界面，根据 U 形管液柱平衡原理，分界面 A 处两侧的压
N 1 ln( 0 ) um d N
（9-12）
由公式（9-12）可知，只要测出脉冲率（脉冲/s）就能得到密度值。由脉冲 信号送到信号处理机后， 经微处理机计算， 将计算结果直接显示在发光数码管上， 周期性地自动显示悬浮液的密度值。 五、RYC-3000 在线式压差式密度计
RYC-3000 在线式压差密度计是在双管压差密度计的基础上， 由双膜盒压差 密度计进一步发展而来。见图 9-6。它的测量原理与双膜盒压差密度计相同。
图 9-1 双管压差式密度计示意图
P 1 P0 h1
（9-1） （9-2） （9-3） （9-4）
P2 P0 h2
P P 1 P 2 (h1 h2 ) H
所以
P H
式中 P0=大气压； P1——长管内气体压强； P2——短管内气体压强； ρ——悬浮液密度； H——双管管差，常数。 由公式（9-4）可知，悬浮液密度与双管压差Δ P 成正比，只要在两个测压 管上接入差压变送器， 即可得到差压信号，将此信号变换成密度值即可得到悬浮 液的密度。 如果将双膜盒差压变送器的两个膜盒分别固定在双管管端的位置就构成了 双膜盒式压差密度计，图 9-2 是双膜盒式压差密度计的示意图，其工作原理与吹 气式双管差压式密度计相同。
在重介质选煤过程中， 重介质悬浮液密度的测控和调节是控制产品质量的关 键， 重介质悬浮液分为低密度 （密度小于 1500kg/m³） 悬浮液、 高密度悬浮液 （密 度大于 1600kg/m³） 和稀悬浮液 （密度小于 1100kg/m³） 。 所谓重介质悬浮液密度， 即单位体积重介质悬浮液的重量，密度单位：kg/m³=g/L。在生产中，最简单的 测量方法是称量一定体积的悬浮液重量，使用密度壶（容量一般为 1L）盛满悬 浮液放到电子称上称重。这种测量方法最简单，用途最广泛，可用来定期检查悬 浮液的变化，也可用来标定调试密度计。但是，这种方法不能及时的测量密度的 实时变化，且费时费力，不易实现自动化控制，采用仪表进行密度的自动测量和 显示，是必须的。常用的密度自动测量装置—密度计有：双管差压密度计、水柱 平衡式密度计、浮子式密度计、同位素密度计、在线式差压密度计等，误差一般 要求在±10kg/m³。 一、双管差压密度计 双管差压式密度计是根据液体静力学原理， 即阿基米德原理而构成的测量仪 表。图 9-1 为吹气式双管差压密度计示意图。 双管插入密度为 ρ 的悬浮液中，两管的插入深度分别为 h1 和 h2，管差为 H。气 源经过定值器减压稳压后为 P，分别通过两个节流孔向两个测压管吹气。由于气 源压力 P 大于双管管端压力 P1 和 P2，所以管内液体被排出，并连续向悬浮液中 吹气泡。
强相等。 即： 式中
h1 h2 水
h1---------悬浮液面至 A 处高度； h2---------清水面至 A 处高度； ρ---------悬浮液密度； ρ 水---------清水密度，为常数；
（9-5）
所以
h2 水 h1
（9-6）
公式（9-6）中 h1 和 ρ 水是常数，悬浮液密度 ρ 与清水面至 A 处的高度有关。 悬浮液密度的变化可引起 h2 高度的变化，将差压变送器接在清水管的适当位置， 调整仪表的零点迁移，使其代替悬浮液的下限，再调整仪表的量程，使其代表悬 浮液的上限，这样就构成了水柱平衡式密度计。 三、浮子式密度计 浮子式密度计是根据浮子的浮力等于排开同体积液体的重量这一原理而制 成的密度计，图 9-4 是浮子式密度计示意图。当浮子悬浮在悬浮中时，浮子的浮 力F为
(9-10)
当放射源、测量管径和被测悬浮液确定后，I0、um、d 均为常数，据此，测 出射线强度 I 就可测出悬浮液密度 ρ。
图 9-5
γ 射线密度计工作原理图
图 9-5 为 γ 射线密度计工作原理图。实际测量时，将装有铯 137（137Cs）放 射源的铅室和探测器置于管道的相对两侧， 由铅室准直的 γ 射线束经管道悬浮液 吸收衰减，入射到探测器中的碘化钠晶体，碘化钠晶体具有很大的光能输出。它 是无色透明体，它和 γ 射线作产生电子、康普敦电子或电子对，然后由这些带电 粒子激发晶体中的原子。 由晶体中发射的光子投到光电倍增管的阴极上，根据光 电效应而打出光电子，光电子再逐渐放大，输出电荷。光电倍增管的阴、阳两极 应加 800～2000V 的稳定高压，输出电荷在负载电阻上产生脉冲电压，其脉冲幅 值很小，一般为零点几伏到几伏，需加前置放大电路，才能通过长电缆输出。 探测器所探测的 γ 射线强度与管道中悬浮液密度 ρ 成指数关系。
N N 0e u m Leabharlann d式中（9-11）
N0——悬浮液密度 ρ=0 时，仪器探测到的脉冲率，脉冲/s； N——介质密度为 ρ 时，仪器探测到的脉冲率，脉冲/s； d——管道内径，cm； ρ——悬浮液密度，g/cm3； um——质量吸收系数，cm2/g。 对于中等能量的 γ 射线和原子序数的不大的物质， um 仅与射线能量有关。 当 γ 源固定后，um 为常数。 由公式（9-11）可得：
F Vg
式中 V——浮子的体积； ρ——悬浮液密度； g——重力加速度。
（9-7）
所以
F Vg
（9-8）
使用压力传感器测得浮子的浮力变化即可得到悬浮液密度的变化。 这种密度 计曾在选矿厂使用，而选煤厂很少见。
图 9-4 浮子式密度计示意图 四、γ 射线密度计 γ 射线密度计是采用 γ 射线吸收法则测定管道中悬浮液密度的仪表，放射性 同位素铯 137（137Cs）产生的 γ 射线具有穿透物质的能力，对于一束准直的 γ 射 线通过被测悬浮液后，射线被悬浮液吸收，使其强度减弱，射线强度的衰减与悬 浮液密度之间存在下列关系：
I I 0e u m d
式中 I0——无被测悬浮液时的射线强度； I——通过被测悬浮液后的射线强度； um——质量吸收系数（与被测悬浮液、射源种类有关的常数） ； ρ——被测悬浮液密度； d——被测悬浮液厚度（一般为管道的内径） 。 由公式（9-9）可得：
（9-9）
I 1 ln( 0 ) um d I
信号送到调节器的输入端，与给定值进行比较，形成偏差信号，调节器对偏差进 行比例、积分、微分（即 P、I、D）运算，根据运算结果发出的信号去调节被控 分流箱的分流量， 改变悬浮液的密度值，使密度值与给定值的偏差稳定在容许的 范围内。
图 9-7 重介质悬浮液密度自动调节系统示意图
图 9-6 差压式密度计示意图 总结以上介绍的几种密度计，在安装和使用方面都存在一些问题，双管压 差密度计需要一个稳定的气源、 水平柱式密度计需要稳定的清水，双管压差密度 计、水平柱式密度计、浮子式密度计都需要一个测量筒，由于被测物为悬浮液， 并且它的成分也在变化，如果测量筒的下部底流口流量太小，极易产生沉淀，造 成测量筒的下部的物料密度大， 如果底流口流量大，测量筒如果没有溢流也可能 使测量不准确，因此控制测量筒中溢流是非常关键的。如果不能很好的控制，密 度的测量将会带来很大的误差。同位素密度计，具有皮实耐用、测量可靠、隔离 测量不接触被测物等优点， 成为重介质选煤过程中密度测量的主流，但由于需要 铯 137 放射性同位素作为射线源， 国家加强了对放射性同位素使用和审批上的管 理，这就给使用方带来的诸多的不便，增加了使用和管理成本。在线式压差密度 计由于直接安装在管路上，客服了需要气源或清水、需要测量筒等问题。也由于 微电子技术的飞速发展使传感器测量的准确性、可靠性得到很大的提升，测量的 精度和耐用性已经接近同位素密度计，且价格比同位素密度计便宜许多、维护管 理简单、环保。正逐步取代同位素密度计，被许多选煤厂采用。 六、悬浮液密度自动调节系统 重介质选煤的主要原理是靠控制悬浮液的密度，使精煤与中煤（矸石）达到 分离的。 如果悬浮液的密度不能按规定要求控制调整， 就失去重介质选煤的意义， 煤也不能选好。因此，悬浮液密度的测量和调节是很关键的一环。它的方法应视 工艺条件而定，一般是当悬浮液密度过高，要及时加水，使其密度降低。当悬浮 液密度过低时， 要及时将精煤弧形筛下合格悬浮液分流一部分进入精煤稀介质处 理系统，由磁选机回收磁铁矿加重质，回到合格介质桶使悬浮液密度提高。有的 工艺流程使用补加高密度悬浮液的方法提高密度。或者直接补加干磁铁矿粉。这 要决定于每个工艺流程的设计。 图 9-7 为悬浮液密度自动调节系统示意图，该系统为分流合格悬浮液到稀 介质桶，回收磁铁矿的方法调节悬浮液的密度。由 γ 射线密度计测得密度信号，
图 9-2 双膜盒差压密度计 二、水柱平衡式密度计 水柱平衡式密度是基于 U 形管液柱压强平衡原理构成的密度测量仪表。其 结构如图 9-3 所示。被测悬浮液流入测量桶，其流量以保持有溢流为准，由于测 量桶的直径远大于底流口直径， 所以测量桶内悬浮液的流速很小，可以近似看作 静止状态来分析。在清水管中缓慢地流入稳定的清水，在平衡状态下，悬浮液与 清水在 A 处形成一个分界面，根据 U 形管液柱平衡原理，分界面 A 处两侧的压
N 1 ln( 0 ) um d N
（9-12）
由公式（9-12）可知，只要测出脉冲率（脉冲/s）就能得到密度值。由脉冲 信号送到信号处理机后， 经微处理机计算， 将计算结果直接显示在发光数码管上， 周期性地自动显示悬浮液的密度值。 五、RYC-3000 在线式压差式密度计
RYC-3000 在线式压差密度计是在双管压差密度计的基础上， 由双膜盒压差 密度计进一步发展而来。见图 9-6。它的测量原理与双膜盒压差密度计相同。
图 9-1 双管压差式密度计示意图
P 1 P0 h1
（9-1） （9-2） （9-3） （9-4）
P2 P0 h2
P P 1 P 2 (h1 h2 ) H
所以
P H
式中 P0=大气压； P1——长管内气体压强； P2——短管内气体压强； ρ——悬浮液密度； H——双管管差，常数。 由公式（9-4）可知，悬浮液密度与双管压差Δ P 成正比，只要在两个测压 管上接入差压变送器， 即可得到差压信号，将此信号变换成密度值即可得到悬浮 液的密度。 如果将双膜盒差压变送器的两个膜盒分别固定在双管管端的位置就构成了 双膜盒式压差密度计，图 9-2 是双膜盒式压差密度计的示意图，其工作原理与吹 气式双管差压式密度计相同。