CN106918539B - 在线粒度密度动态分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线粒度密度动态分析装置，其包括：能够自动对待测样品进行取样采集的取样系统；与所述取样系统密闭连接，使该取样系统以真空负压方式自动采集一定深度下的待测样品的负压系统；能够对待测样品中的颗粒图像进行连续采集的高速动态分析系统，其具有高速动态摄像机；以及用于支撑及固定该装置中各零部件的支撑系统。本发明新型通过将取样系统与负压系统的有机结合，实现了自动采集复杂取样环境下的代表性样品，具有较强的取样环境适应性，采集样品所需的负压强度可进行手动调节；通过设置高速动态摄像机进行图像的高速动态采集分析，实现了待测样品即矿浆中固体颗粒粒度、粒型、含量、密度的高精度在线动态采集分析检测。

Description

在线粒度密度动态分析装置

技术领域

本发明涉及一种用于检测固液混合物中固体颗粒粒度和密度特性分布的装置，具体的说其涉及一种能够自动、准确采集复杂取样环境下的试样，并同步在线对样品进行检测与分析的在线粒度密度动态分析装置，其特别适用于检测分析矿浆中矿物颗粒尺寸、分布、含量和密度。

背景技术

在矿物加工生产过程中，产品的粒度、密度等分布特性是影响选矿技术经济指标的重要参数。通过对中间产品和最终产品进行取样和化验，来反映出选矿厂达到的技术水平和存在的问题，从而为操作和管理提供准确依据。因此，取样、检测工作是选矿厂技术质量管理的一项基础工作。

目前，国内外选矿厂常用的矿浆取样器械有两类，即手工操作的人工取样器和机械取样器。其中，人工取样方法存在劳动强度大、效率低等弊端；而机械取样方法由于选矿厂取样点四周的潮湿和粉尘环境，致使国内外选矿厂现有的机械取样器的设计寿命大大缩短，使用情况也不尽人意，严重影响了选矿厂有效的技术检测，迫使多数选矿厂在使用了一段时间的机械取样机后，又不得不改用人工取样。

具体的：人工采样、制备样品然后再分别借助筛析和密度测量工具进行样品分析后计算矿物颗粒粒度和密度分布的方法精度虽然较高，但是由于其属于劳动密集型工作，不适宜频繁操作，在许多情况下都需要尽量减少分析的次数，以减小工人的劳动强度，该方法存在取样与检测间断作业、粒度和密度不能同时检测的弊端。而在现代化的控制过程中，需要密集的测量，比如在磨矿回路中，反应时间通常是5～10min，采用人工采样分析粒度、密度的做法显然是不能满足控制要求的。

机械化的在线粒度分析仪也是矿物加工连续生产过程中关键参数的自动检测装置。目前具有代表性的仪器是美国丹佛(DENVER)自动化公司的PSM-400超声波粒度分析仪、芬兰奥托昆普公司PSI系列粒度分析仪、俄罗斯ПИК-074П(PIK-074P)筒式在线粒度分析仪、北京矿冶研究总院研制BPSM系列在线粒度分析仪、马鞍山矿山研究院研制的CLY型在线粒度分析仪等，其中PSM-400与CLY-2000是基于超声波原理的产品，其存在着分辨率相对较低、固体颗粒密度无法检测的缺点；而PSI-200、PSI-300、PIK-074P与BPSM系列都是基于线性传感器原理直接测量粒度分布的仪器，芬兰奥托昆普公司近年推出PSI-500型在线粒度仪是一种基于激光衍射测量机理的粒度分析仪。以上相关装置在复杂环境下自动取样与同步检测一般难以实现，同时该类仪器不能同步检测固体颗粒密度，且检测结果受分布模型影响较大，分辨力相对较低，仪器造价相对较高，因而目前现场应用相对较少。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种新型的在线粒度密度动态分析装置，该装置能够满足矿物加工生产现场或矿物加工实验室对矿浆中矿物颗粒粒度和密度分布特性同步检测的需求。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

在线粒度密度动态分析装置，其特征在于，该装置包括：

能够自动对待测样品进行取样采集的取样系统，其具有环式取样器、检测样品箱、连通所述环式取样器及检测样品箱的取样导管及能够将检测样品箱内的废液进行及时排放的排液导管；

与所述取样系统密闭连接，使该取样系统以真空负压方式自动采集一定深度下的待测样品的负压系统，其具有隔膜真空泵，通过真空导管、所述隔膜真空泵分别与所述检测样品箱密闭连接的负压调节装置，被置于所述检测样品箱上的第一真空负压表以及被置于所述负压调节装置上的第二真空负压表；

能够对待测样品中的颗粒图像进行连续采集并分析的高速动态分析系统，其具有高速动态摄像机；

以及用于支撑及固定该装置中各零部件的支撑系统。

进一步的，作为本发明的优选

所述环式取样器具有由上端盖与下端盖构成的上下端盖式结构：且所述上端盖与下端盖之间通过弹性件进行连接。

优选的，所述弹性件具有连接所述上端盖与下端盖的螺栓；

以及套装于所述螺栓上的弹簧。

优选的，所述检测样品箱底部形成有自底部两侧向中心线相对聚拢的锥角结构。

优选的，所述取样系统通过被置于待测样品的进出口处的若干单向电磁阀自动控制待测样品采集的通断过程及废液的排放过程。

进一步的，作为本发明的优选

所述隔膜真空泵具有能够自由进行串联、并联连通的双抽气口和双排气口，以实现串联、并联两种抽真空工作模式，满足不同取样环境下不同负压强度的需求。

进一步的，作为本发明的优选

所述高速动态分析系统还具有能够固定所述高速动态摄像机并对其进行三维坐标调节的坐标调节器上。

进一步的，作为本发明的优选

所述支撑系统具有：

内部安装有所述负压系统的箱体；

被置于所述箱体上部，能够固定、支撑检测样品箱的检测样品箱支架；

能够固定坐标调节器的坐标调节器底座；

以及若干被置于所述箱体底部，使得本装置能够进行移动的万向脚轮。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明通过将取样系统与负压系统的有机结合，实现了自动采集复杂取样环境下的代表性样品，具有较强的取样环境适应性，采集样品所需的负压强度可进行手动调节；通过设置高速动态摄像机进行图像的高速动态采集分析，实现了待测样品即矿浆中固体颗粒粒度、粒型、含量、密度的高精度在线动态采集分析检测，代替了以往手动取样、手动筛析、实验室测量的颗粒分析方式，大大缩短了检测周期，同时避免了现有相关检测装置检测结果受分布模型影响较大、分辨力相对较低、仪器造价相对较高的缺点；综上所述，本发明作为结构简单且易操作的在线粒度密度动态分析装置可以普遍应用到相关科研机构、高校实验室、矿物加工生产现场等。

附图说明

图1为本发明的主体结构示意图；

图2为图1侧视结构示意图；

图3为所述环式取样器的结构示意例图；

图4为所述检测样品箱的结构示意例图。

图中，1、高速动态摄像机，2、坐标调节器，3、坐标调节器底座，4、箱体，5、第二真空负压表，6、负压调节装置，7、真空导管，8、隔膜真空泵，9、万向脚轮，10、第一真空负压表，11、检测样品箱支架，12、检测样品箱，13、第一单向电磁阀，14、取样导管，15、排液导管，16、废液储存罐，17、环式取样器，18、第二单向电磁阀，19、第三单向电磁阀，20、导管，21、螺栓，22、弹簧，23、上端盖，24、下端盖，25、第一真空负压表安装孔，26、辅助注水口，27、抽真空口，28、第四单向电磁阀，29、试样入口，30、排液口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明设计背景：目前，对于不同原理的粒度、密度分析仪器，其所依据的测量原理不同，其颗粒特性也不相同，因此只能进行等效对比，不能进行横向直接对比。迄今为止，图像法表征颗粒是唯一一种可以同时对样品进行粒度、粒型分析的技术。图像法颗粒分析方法是基于可见光对颗粒尺寸和外形进行单个测量或者统计分析的方法，同时颗粒图像法表征也成为了一种光电测量技术，其实质是由电子感光芯片(CCD/CMOS)接受光学镜头采集到的光信号，再转变为电子信号，然后通过图像处理分析计算机程序进行计算，以得到颗粒的粒度、粒型、运动速度、密度等信息。

基于上述技术背景，则本发明的设计原理为：由于动态图像法在线检测分析颗粒粒度、密度是基于流动态(自由落体，液态或者鞘流)的样品颗粒，因此需要使用取样器控制待测样品的速度和分散度，同时当待测样品进入视频采集区时，在LED高频脉冲光源提供同步照明条件下，由高速动态摄像机采集样品信息，最后可通过计算机软件分析图像获得相应的信息，如校正背景分割颗粒与非颗粒，识别颗粒边缘和二值图像技术法计算颗粒直径，并统计出颗粒粒度分布和颗粒粒型结果。

下面对其中涉及到的原理进行简要说明，以便于进一步了解本发明所述方案：若取样器通过控制样品流速和分散度，控制样品在自由沉降状态进行高速动态拍摄，对采集图像进行分析，则能够根据颗粒自由沉降末速斯托克斯公式自动计算出颗粒密度。

计算过程矿物颗粒在介质中所受到的自身重力与所受浮力之差称之为颗粒在介质中的有效重力，常用G₀表示，对于密度为ρ₁的球形颗粒有：

G₀＝πd³g(ρ₁-ρ)/σ (1)

式(1)中，G₀—矿粒在介质中所受的有效重力；d—颗粒直径；ρ₁—颗粒密度；g—重力加速度；ρ—介质密度。若令：G₀＝mg₀＝πd³ρ₁g₀/σ，代入上式(1)得：

g₀＝(ρ₁-ρ)g/ρ₁ (2)

式中，g₀—颗粒在介质中因受到有效重力作用而产生的加速度，可称之为初加速度。鉴于一般矿物颗粒密度大于介质水的密度，所以g₀>0，即颗粒在介质中向下沉降；颗粒在介质中开始沉降时，在初加速度的作用下，其速度越来越大，与此同时，介质对运动颗粒产生的阻力也相应不断增加，因介质阻力的作用方向与颗粒运动方向相反，使得颗粒沉降的加速度逐渐减小，最后阻力增加到与颗粒的有效重力相等；沉降速度也达到了最大值，称之为颗粒的自由沉降末速，记为v₀。因此，自由沉降末速可按G₀＝R的条件下求得。

则对于密度为ρ₁的球形颗粒即为：

式中，ψ—阻力系数，是绕流雷诺数R_e的函数。

在黏性阻力范围内，沉降达到平衡时，根据斯托克斯公式有：

解之得：

式中，ρ₁—颗粒密度；μ—流体黏度；v_os—斯托克斯自由沉降末速，因此可知其值可由通过高速动态摄像系统对图像采集并分析计算得到。

基于上述内容，则本发明设计了一种新型的在线粒度密度动态分析装置，如图1-2，其包括：取样系统、负压系统、高速动态分析系统以及支撑系统；

其中，取样系统用于自动对待测样品进行取样采集，其具有环式取样器17、检测样品箱12、连通所述环式取样器17及检测样品箱12的取样导管14及能够将检测样品箱内的废液进行及时排放的排液导管15；

进一步的，作为本发明新型的优选

如图3，所述环式取样器17具有由上端盖23与下端盖24构成的上下端盖式结构：上下端盖式结构可在复杂取样环境下采集一定深度的代表性样品，有效避免了取样过程中非固定深度矿浆的采集，且所述上端盖与下端盖之间通过弹性件进行连接。优选的，所述弹性件具有连接所述上端盖与下端盖的螺栓23以及套装于所述螺栓上的弹簧24。这样的结构可进行上端盖与下端盖间距的手动调节，以适应不同矿浆浓度、不同矿物颗粒粒级、不同取样精度的多种取样环境；优选的，所述检测样品箱采用高耐磨强度、高透光率的有机玻璃材质；同时需要在检测样品试样箱上方设置诸如第一真空负压表安装孔25、辅助注水口26、抽真空口27等部分，以便于其他部件的安装。

优选的，如图2、图4，所述检测样品箱底部形成有自底部两侧向中心线相对聚拢的锥角结构，如检测样品试样箱底部为120°锥角结构，该结构一方面有助于实现所采集试样的有效分散，为高速动态摄像系统的有效拍摄提供有利环境，另一方面有助于检测完毕后试样和清洗水的自动排放。

优选的，所述取样系统通过被置于待测样品的进出口处的若干单向电磁阀自动控制待测样品采集的通断过程及废液的排放过程。如所述环式取样器通过取样导管14与检测样品箱12密闭连接，并在检测样品箱底部的试样入口安装第一单向电磁阀13，自动控制试样采集的通断；通过检测样品箱12的第二单向电磁阀18流经排液导管15后自动排放到预先设置于箱体内的废液储存罐16，其中用于排液的第二单向电磁阀18安装在排液口30上。

其中，如图4，所述负压系统其与所述取样系统密闭连接，其为检测样品箱内部的负压源，并可对检测样品箱内部的负压强度进行可控调节，具体的用于使取样系统以真空负压方式自动采集一定深度下的待测样品，其具有导管20、隔膜真空泵8，通过真空导管7、所述隔膜真空泵分别与所述检测样品箱密闭连接的负压调节装置6，被置于所述检测样品箱上的第一真空负压表10以及被置于所述负压调节装置上的第二真空负压表5；第一真空负压表10安装在检测样品箱12上端的真空负压表安装孔25上，负压调节装置上自身配置第二真空负压表5，在对检测样品箱12进行抽真空操作时，可同时参考检测样品箱和负压调节装置上的两块真空负压表的示数进行负压强度的调节，对于抽真空过程中可能导致的矿浆倒流现象，该负压调节装置6还可兼具气水分离器功能，能够有效对流入真空导管的矿浆进行气水分离，防止矿浆倒流入隔膜真空泵并对其造成损坏，可见负压调节装置的安装一方面使检测样品箱内部负压强度可控调节，另一方面可有效保护负压系统的正常工作。

进一步的，作为本发明新型的优选

所述隔膜真空泵设置两个抽气口和两个排气口，可自身进行串联、并联实现两种抽真空工作模式，可满足不同取样环境下不同负压强度的需求；优选的，所述隔膜真空泵8采用24V直流微型隔膜真空泵，该隔膜真空泵根据容积式泵原理设计而成，具有体积小(158mm×64mm×75mm)、高流量(17L/min)、高负压(≤-0.092MPa)、免维护、寿命长、化学稳定性强等优点；优选的，所述负压系统还通过设置单向电磁阀进行管路通断控制。

其中，所述高速动态分析系统能够对待测样品中的颗粒图像进行连续采集并分析的高速动态分析系统，其具有能够连续采集检测样品箱内部待测样品中的颗粒的运动轨迹和颗粒粒型图像的高速动态摄像机1；以及能够固定所述高速动态摄像机并对其进行三维坐标调节的坐标调节器2上，所述坐标调节器2安装在坐标调节器底座3上，其能够进行距离、角度测量参数的调节。其中高速动态摄像机连续采集检测样品箱内部矿浆中的颗粒的运动轨迹和颗粒粒型图像，经过预存的图像处理分析计算机程序或称为系统进行分析获得相应的信息，如自图像中分析校正背景分割颗粒与非颗粒，识别颗粒边缘并采用二值图像技术法计算颗粒直径，并统计出颗粒尺寸分布和颗粒粒型结果，计算机软件系统即可根据斯托克斯自由沉降末速公式和所采集的数字信息自动对颗粒的密度进行分析计算。优选的高速摄像机作为在线粒度密度动态分析装置的主要信息采集装置，其全画幅分辨率高达1600×1600，全画幅下的拍摄速度可达600帧每秒，最高拍摄速度高达200000帧每秒，且1280×720尺寸下的拍摄速度不低于1600帧每秒，焦距100mm范围内任意可调，拍摄放大倍数达到100倍以上，因此其采集的图像和数字信息精度较高，进而使得在线粒度密度动态分析装置的检测精度较高。

其中，所述支撑系统用于支撑及固定该装置中各零部件。进一步的，作为本发明的优选所述支撑系统具有：内部安装有所述负压系统的箱体4；被置于所述箱体上部，能够固定、支撑检测样品箱的检测样品箱支架11；能够固定坐标调节器的坐标调节器底座3；以及若干被置于所述箱体底部，使得本装置能够进行移动的万向脚轮4。优选的所述万向脚轮数量为4，四个万向脚轮安装在箱体底部四角位置，以便于在线密度粒度动态分析装置的移动。

通过上述线粒度密度动态分析装置来实现检测固液混合流中固体颗粒特性的方法，步骤如下：

步骤1、关闭辅助注水口处的第四单向电磁阀28、排液口的第二单向电磁阀18、采样管道的第一单向电磁阀13，打开抽真空口的第三单向电磁阀19，启动隔膜真空泵8对检测样品箱12进行抽真空操作，调节环式取样器17上下端盖间距后将环式取样器17放入待检测矿浆指定深度；

步骤2、调节负压调节装置6，待第一真空负压表10示数达到所需采样的所需负压强度，开启采样管道的第一单向电磁阀13采集样品，待测样品通过试样入口29进入，同步启动高速动态分析系统，对检测样品箱12内流体进行动态检测，

获得相应的图像数据，以便于后期通过计算机软件系统对其进行分析处理，保存检测结果；

步骤3、检测结束后关闭所有系统。

综上所述，本发明所述的在线粒度密度动态分析装置其通过采用真空负压方式自动取样，且取样系统与负压系统通过真空导管和负压调节装置密闭连接，再配合上下端盖可调节结构的环式取样器实现自动采集复杂环境下定点深度的代表性样品，另，通过设置检测样品箱的底部锥角结构，使得其一方面有助于实现固液混合试样中固体颗粒的离散运动，为高速动态摄像系统的有效拍摄提供有利环境，另一方面有助于检测完毕后试样和清洗水的自动排放。因此可以说起突破现有相关检测仪器分辨率相对较低、固体颗粒密度无法同步检测、检测结果受分布模型影响较大等局限，基于高速动态分析系统进行颗粒图像采集处理技术，通过连续拍摄固液混合流运动状态及其中的颗粒的运动轨迹，再通过预装于高速动态分析系统内计算机软件即图像处理分析技术进行颗粒尺寸、粒型、密度、含量、速度等特性参数的测量和统计，并对测量结果进行浏览、保存、二次编辑。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种在线粒度密度动态分析装置，其特征在于，该装置包括：

能够自动对待测样品进行取样采集的取样系统，其具有环式取样器、检测样品箱、连通所述环式取样器及检测样品箱的取样导管及能够将检测样品箱内的废液进行及时排放的排液导管；所述环式取样器具有由上端盖与下端盖构成的上下端盖式结构，上下端盖式结构用于在复杂取样环境下采集一定深度的代表性样品，且所述上端盖与下端盖之间通过弹性件进行连接；所述弹性件具有连接所述上端盖与下端盖的螺栓，以及套装于所述螺栓上的弹簧；所述弹性件用于手动调节上端盖与下端盖间距，以适应不同矿浆浓度、不同矿物颗粒粒级、不同取样精度的多种取样环境；所述检测样品箱底部形成有自底部两侧向中心线相对聚拢的锥角结构；

与所述取样系统密闭连接，使该取样系统以真空负压方式自动采集一定深度下的待测样品的负压系统，其具有隔膜真空泵，通过真空导管、所述隔膜真空泵分别与所述检测样品箱密闭连接的负压调节装置，被置于所述检测样品箱上的第一真空负压表以及被置于所述负压调节装置上的第二真空负压表；在对检测样品箱进行抽真空操作时，同时参考检测样品箱和负压调节装置上的两块真空负压表的示数进行负压强度的调节，对于抽真空过程中导致的矿浆倒流现象，所述负压调节装置能够兼具气水分离器功能，有效对流入真空导管的矿浆进行气水分离，防止矿浆倒流入隔膜真空泵，负压调节装置的安装一方面使检测样品箱内部负压强度可控调节，另一方面有效保护负压系统的正常工作；

能够对待测样品中的颗粒图像进行连续采集并分析的高速动态分析系统，其具有高速动态摄像机；所述高速动态分析系统还具有能够固定所述高速动态摄像机并对其进行三维坐标调节的坐标调节器上；所述坐标调节器安装在坐标调节器底座上，其能够进行距离、角度测量参数的调节；其中高速动态摄像机连续采集检测样品箱内部矿浆中的颗粒的运动轨迹和颗粒粒型图像，经过预存的图像处理分析计算机程序或称为系统进行分析获得相应的信息，自图像中分析校正背景分割颗粒与非颗粒，识别颗粒边缘并采用二值图像技术法计算颗粒直径，并统计出颗粒尺寸分布和颗粒粒型结果，计算机软件系统即可根据斯托克斯自由沉降末速公式和所采集的数字信息自动对颗粒的密度进行分析计算；

以及用于支撑及固定该装置中各零部件的支撑系统。

2.根据权利要求1所述的在线粒度密度动态分析装置，其特征在于：

所述取样系统通过被置于待测样品的进出口处的若干单向电磁阀自动控制待测样品采集的通断过程及废液的排放过程。

3.根据权利要求1所述的在线粒度密度动态分析装置，其特征在于：

所述隔膜真空泵具有能够自由进行串联、并联连通的双抽气口和双排气口，以实现串联、并联两种抽真空工作模式。

4.根据权利要求1所述的在线粒度密度动态分析装置，其特征在于：

所述支撑系统具有：

内部安装有所述负压系统的箱体；

被置于所述箱体上部，能够固定、支撑检测样品箱的检测样品箱支架；

能够固定坐标调节器的坐标调节器底座；以及若干被置于所述箱体底部，使得本装置能够进行移动的万向脚轮。