MFA-01型光电式浮选尾矿在线测灰仪

摘要　阐述了用光电法测量浮选尾矿灰分的基本原理、技术途径，介绍了探头的结构设计、二次仪表设计及其主要技术指标。该仪表的研制成功，填补了国内空白，主要技术指标优于国外同类仪表，已达到国际领先水平。
关键词　尾矿　灰分　在线　光电法　测灰仪　单片机

1　概　述
　　浮选作为煤炭洗选加工的主要工艺之一，是分选和回收＜0.5mm粒级煤泥的最有效方法。从目前国有大中型选煤厂来看，这部分至少占入选总量的10％～20％左右，加上次生煤泥，其比例还要大。浮选工艺中洗选效果的好坏，直接影响着全厂的经济技术指标。
　　影响浮选工艺分选效果的因素较多，如原矿灰分、矿浆浓度、入料量、药剂量、矿浆与药剂的接触时间、浮选机的吸气量等等，若这些参数保持最佳配合状态，则浮选过程的产率和产品合格率可达最高，但仅凭人工操作，很难达到和保持其最佳状态。
　　解决这些问题的根本方法是实现浮选工艺参数自动化控制。自“六五”期间开始，我国在这一领域开展了较为系统的研究工作，并取得了可喜的成绩。目前，在浮选工艺自动控制领域，国内在药剂添加测控技术方面是处于国际领先地位的，在多年的实践中，矿浆浓度测量技术基本过关。但国内总体水平与先进国家相比还有较大差距，主要表现在自动化的基础—-自动检测技术落后，特别是灰分在线检测技术，其中包括尾矿灰分在线检测。随着市场经济的发展，国内选煤厂越来越重视产品质量和经济效益，对浮选工艺自动化提出了更高的要求—-产品质量在线控制。
　　澳大利亚矿物研究实验室的煤浆分析系统为实现浮选工艺的产品质量在线控制提供了比较完善的检测手段，但其价格昂贵，国内绝大部分选煤厂难于接受，是目前条件下推广使用的主要障碍。
　　波兰的MPOF光学浮选尾矿测灰仪测量比较简洁实用。但目前MPOF测量的灰分范围是50％～100％，国内大约有一半以上的选煤厂尾矿灰分低于50％（该数据不包括非国有选煤厂）。因此，立足于我国的国情，研制开发有关浮选工艺产品质量检测仪表势在必行。

2　基本测量原理
　　对于某一种煤炭，煤和矸石对可见光的反射系数均有它的特定值，而在浮选尾矿中，除含有煤和矸石外，还含有较多的泥沙，呈黄色。实践证明，尾矿灰分越高，泥沙的含量比例越大，其对可见光的反射率就越高。在选煤厂中，有经验的工人根据尾矿的颜色即可判断尾矿灰分范围。由此说明，由多种成分组成的浮选尾矿的灰分与其反射率间有着特定的关系。
　　使用一个具有连续光谱的白色光对浮选尾矿煤样进行照射，照射光强为I（λ），λ为波长，用光电二极管作为检测器件，对光源进行测量。检测器件的光谱特性为S（λ），其输出为：

　　（1）

　　同时，使用具有相同光谱特性的检测器件测量煤样反射光强，设煤样的反射率ρ（λ），检测输出为：

　　（2）

　　则该煤样的平均反射率为：
　　早在1972年，苏联专家就曾对浮选尾矿进行过光谱测试，其结论为；在可见光谱范围内煤和矸石的反射系数ρ（λ）不随光的波长λ而变化，即：ρ（λ）=C(C为常数），反射系数ρ仅取决于煤和矸石本身的特性，即：

　　（3）

　　式（3）表明，反射率的测量结果与使用的光源和接收器件特性无关。仅取决于煤样中的煤或矸石。
　　我们将浮选尾矿灰分A_d和它的反射系数ρ之间的关系表述为一个ρ的泰勒级数：

A_d=f(ρ)=a+bρ+cρ²+…　　（4）

　　取其二级近似值为：

A_d=a+bρ+cρ²

　　式（3）和式（4）构成了光电式浮选尾矿在线测灰仪设计方案的理论基础。

3　二次仪表硬件设计
　　MFA-01型光电式浮选尾矿在线测灰仪原理框图见图1。仪表在硬件设计中注重了高性能、高可靠性的各种新型元器件的选用。
3.1　CPU。选用Intel 16位单片机80C196KB做为仪表的中央处理器。80C196KB在片内集成了8路10位A/D转换器、脉宽调制输出口、全双工串行口、16位监视定时器（Watchdog Timer)可寻址64kB内存空间，非常适用于信号实时处理和智能仪表。
3.2　存贮器。存贮器选用美国Dallas公司的掉电保护RAM，保证仪表在失电情况下的参数保存。
3.3　人机界面设计。人机界面设计遵循简洁实用、操作方便、显示直观的原则，在显示窗口居中设置4位12.7mm　LED数码管，作为主显示，用于灰分值的显示；位于主显示的下方设置4位6.7mm LED数码管，作为辅助显示，用于显示反射率或者在设置参数时显示提示符。主显示器上方设置一排LED，用于仪表运行状态显示。
3.4　上位通讯电路设计。80C196KB支持串行通讯功能。在仪表设计中采用了光隔技术，线路驱动选用MAXIM公司最新接口芯片，具有标准RS-422电平，三态控制，使仪表可组网与上位机联接。
3.5　4-20mA　DC模拟输出电路。利用80C196KB的PWM电路,经过光隔、滤波后产生直流电压，由电压/电流转换专用芯片实现电流信号远传驱动。输出电路采用24V供电，驱动能力可达1kΩ以上。
3.6　数字信号输出电路。采用专用的硬件编解码电路,将灰分数据变为串行信号，通过光隔和驱动，可实现数据异地远程显示，便于指导生产，传送距离可达1200m。

4　探头设计
　　探头即一次仪表，包括光源和光强检测元件以及信号前置放大器等。
　　探头为一全密封结构，下半部浸没在浮选尾矿中，底面为透明玻璃，由安装在内部的光源提供照明。各个检测元件输出的微弱信号，经放大后传送到二次仪表信号转换处理器的输入电路,由单片机进行数字处理。

图1　光电式浮选尾矿测灰仪原理框图

5　软件设计
　　MFA-01型光电式浮选尾矿在线测灰仪程序采用模块化设计，固化在EPROM中，预置参数存放在电池保护的RAM中。主要程序模块如下：
5.1　模拟量输入处理程序模块。主要完成入射光强，反射光强，灯丝电压，灯丝电流四个模拟量的A/D转换和标度变换。由于在工业环境中存在着各种噪声源，这些噪声通过电场耦合，磁场耦合，电磁场辐射等方式作用于连接探头和二次仪表的信号线上，在这些噪声中，主要成分为工频50Hz以及大量的频率较高的随机噪声，为了通过软件来抑制这些噪声，设计中采用50Hz两倍的采样频率，每秒取平均值的方法。对每秒钟100次采样结果取平均值，对于有用信号，其结果是100次的算术平均值；对于50Hz工频噪声，相邻的两次采样值相位差π，幅值之和为0；对于随机干扰，干扰之间是相互独立的，其累计按功率相加，则有：

　　其中N为随机噪声均方根值。
　　显然，以100Hz频率采样多次迭加平均，有效地抑制了工频及随机噪声。大大提高了信号的信噪比。
5.2　人机界面处理程序模块。人机界面处理程序主要完成面板键盘/显示器管理。作为人机接口程序，其容错性、坚固性是极为重要的，在程序模块的设计中，除完成基本功能外，在处理各种可能发生的非法操作上占用了较大篇幅，每一个参数均定义了其合法范围，参数之间定义了合法的限定关系；在操作处理上，首先判断是否处于合法状态，检查参数范围，然后执行键处理程序；通过使用各种编程技巧，创造了一个良好的人机对话环境，使仪表不会因各种非法操作而发生运算溢出、死机等现象，这一点已在实际应用中得到验证。
5.3　数据处理程序模块。主要完成由输入数据计算灰分值的全部过程。
5.4　输出程序模块。包括模拟输出、数字输出、报警输出、上位通讯以及仪表状态显示等处理程序。

6　主要技术特征
　　MFA-01型光电式浮选尾矿在线测灰仪具有以下主要功能与特点：①实时连续在线检测浮选尾矿灰分；②测量准确，灰分下限低；③具有模拟、数字、报警、通讯等多种输出信号，满足现代化选煤厂各种先进信息传输方式的要求；④现场标定简单，只需输入原始采样化验数据。其主要技术指标如下：
　　灰分测量准确度（％）：±3.0；
　　灰分测量范围（％）：30～100；
　　矿浆粒度（mm）：≤0.7；
　　矿浆浓度（kg/m³）：≥15；
　　模拟输出信号：4～20mA DC；负载阻抗0～600Ω；
　　数字输出信号：二线制串行编码，传输最大距离1200m，终端显示配接专用MDG-100数码显示器；
　　上位数据传送：（可选）RS-422标准电平，传输距离最大1200m，传送速率2400、4800、9600BPS可选；
　　报警输出： 继电器接点输出；
　　电源：220V±10%AC，最大功耗60W；
　　隔离：全部输出与二次仪表间均有隔离；
　　使用环境温度（℃）：0～40；
　　使用环境湿度（％）：20～85RH。

7　结　论
　　MFA-01型光电式浮选尾矿在线测灰仪采用光电原理，以单片微机为控制核心，探头采用全密封结构和温度补偿措施，二次仪表选用高性能、高可靠性的新型元器件，配置合理；数字输出电路可实现灰分数据异地远程显示，具有新颖性和很高的实用价值；软件模拟量输入处理程序模块通过倍频采样、累计接收等方法有效地抑制了噪声，为保证计算精度创造了条件；人机界面处理程序模块有效地提高了仪表的容错性和坚固性，提供了良好的人机对话环境；数据处理程序模块和输出程序模块大大方便了仪表的标定和直观显示检测结果。
　　工业性试验结果表明：该仪表对于下峪口煤矿浮选尾矿灰分的测量下限低于20％，测量准确度达到1.8%（均方根误差），对尾矿的检测条件为；浓度≥15kg/m³，粒度≤0.7mm。
　　MFA-01型光电式浮选尾矿在线测灰仪的研制成功，填补了国内空白，缩小了与先进国家的差距，其主要技术指标已超过国外同类产品，并于1999年2月通过国家煤炭工业局主持的技术鉴定，鉴定认为：技术水平达国际领先。
　　通过浮选尾矿灰分的在线检测可以实时监视浮选工艺的生产状况，同时，可将浮选尾矿灰分信号传送到自动控制系统，调整加药量或加药比例，以提高浮选精煤的产率，稳定产品质量，为实现产品质量在线控制创造了条件。

* 国家“九五”攻关项目，编号：（95-215-01-05-03）

作者单位：煤炭科学研究总院唐山分院　河北省063012