CN109821619A - 一种基于压电传感器和无线传输的球磨机负荷测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电传感器和无线传输的球磨机负荷测量装置，包括有压电陶瓷声音传感器，所述压电陶瓷声音传感器与电子信号放大模块连接，所述电子信号放大模块与无线传输发射模块连接，所述无线传输发射模块发射的信号由无线信号接收器接收。所述无线信号接收器接收的的数字信号上传至计算机分析系统对接收到的数字信号进行快速傅立叶变换，获取信号的频谱特征，根据离散傅里叶变换公式得到表达式，利用小波变换数字处理技术提取主频率特征值，从而建立频率与填充水平的函数关系。本发明所提取的信息与球磨机物料填充水平关联性强，不受环境干扰，信号处理过程不存在丢失和失真，准确度和稳定性高。

Description

一种基于压电传感器和无线传输的球磨机负荷测量装置

技术领域

本发明涉及水泥工业及其他行业矿物粉磨工艺生产技术领域，尤其涉及一种基于压电传感器和无线传输的球磨机负荷测量装置。

背景技术

尽管近年来各种新型粉磨技术迅猛发展，尤其是基于料床粉磨原理的立式辊磨和辊压机等节能粉磨技术和装备快速发展，由于其具有显著的节能增产效果, 因此在世界各国特别是在水泥行业得到广泛应用。因涉及水泥成品性能等影响因素，目前球磨机对于水泥的性能有不可替代的作用，除此之外，球磨机具有简单成熟、寿命长、运行可靠、操作简单、投资低等优点，因此球磨机任然在水泥行业占有重要地位，在其它矿业领域矿物的粉磨也还是占主导地位。但球磨机由于能量利用率低导致其能耗高，因此，如何进一步降低球磨机的粉磨能耗始终是研究的重点之一。

影响球磨机的粉磨效率因素较多，包括研磨体的装载量（填充率）和级配、磨内结构（衬板结构、隔仓板结构、出磨篦板结构、仓位）、磨机转速、通风、料球比（物料填充水平）等。对于一台已安装使用的球磨机，用户往往都会根据经验结合物料情况和成品要求进行了结构和工艺参数的优化。在一段时间内，磨机的负荷水平(包括球料比、矿物充填率)往往是影响磨机效率和产能的关键因素，在工业生产过程中，及时调整磨机的装球量及给料量，使磨机稳定运行在最佳负荷点，避免饱磨、空磨及堵磨现象，对球磨机的工作效率和设备安全有决定性作用。

球磨机粉磨水泥及其它矿物过程相当复杂，影响因素多，非线性，滞后时间长，磨内关键工艺参数难于在线测量。因此，科学、准确地预测磨机负荷参数并开发粉磨优化控制技术是矿物粉磨系统实现节能降耗、提质提产和安全生产的关键技术之一，也是实现球磨机系统智能控制技术之一。

早期国内大部分球磨机自动化生产水平比较落后，主要依靠人工检测和经验判断相结合的生产状态来进行生产控制。这种检测方法无疑影响生产的连续性，不利于生产效率的提高，同时增加了工人的劳动强度且存在很多不安全的因素。

后来开发了各种球磨机负荷预测方法，主要有磨音特征的球磨机负荷检测方法、软测量技术、功率法等，但这些方法都有其应用的局限性：

1、磨音特征的球磨机负荷检测方法（磨音是指球磨机在运行中内部钢球、物料、筒壁之间的碰撞和研磨发出的声音）

基于单拾音器（也称电耳）的磨音信号检测方法在接收球磨机粉磨过程直接发出的声音(简称磨音)时，还接收了球磨机的反射声音，同时也接收了周边的球磨机、电机、风机等发出的噪声，这些噪声严重影响了对目标球磨机声音信号的准确接收。来自于球磨机内部产生的声源要穿过球磨机筒体，在空气中传输，这个过程大量真正能反映球磨机内部状态的原始信息丢失了。

拾音器对安放位置以及对中角度十分敏感。

置于粉磨车间的拾音器易于沾染环境粉尘，受附着粉尘的影响其灵敏度将下降，也影响其校准。

在水泥行业，由于采用了辊压机或立式辊磨作为预粉磨工艺，入磨物料粒度大幅下降，球磨机的金属研磨体平均直径大幅减小或可采用轻质非金属研磨体，因此磨音显著降低，采用磨音特征测量磨机负荷的方法更加难以适应。

上述影响因素导致磨音特征的球磨机负荷检测法误差大。

2、软测量技术

所谓软测量技术是指通过建立易测过程变量与难测过程变量之间的数学关系，实现对工业过程中难以在线测量的参数进行有效估计。

基于软测量技术的球磨机负荷预测方法多样，尽管相对于磨音负荷测量法准确度有所提高，但还有其应用的局限性：

采用单一信号很难实现对球磨机负荷的准确判断，而且球磨机负荷的预测模型并不是一成不变的，任意参数的变化都会使测量模型参数发生飘移。

采用对球磨机轴承振动、磨音和主电机电流等多源信号融合预测方法，也还是没有彻底摆脱采集信息不准确、干扰多的问题。

3、功率法

功率法是通过测量球磨机运行时电动机所消耗的功率来判断球磨机内的负荷。在实际应用中，是测量球磨机的工作电流。

此种方法的不足之处在于工作电流在整个工作过程中变化不是很大，因为球磨机内被粉磨物料载荷所占整个球磨机的比重不大，所以导致测量灵敏度低。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于压电传感器和无线传输的球磨机负荷测量装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于压电传感器和无线传输的球磨机负荷测量装置，包括有压电陶瓷声音传感器，所述的压电陶瓷声音传感器固定在球磨机外部筒体上，在所述的球磨机外部筒体还安装有信号处理模块，所述的压电陶瓷声音传感器与信号处理模块的信号输入端连接，还包括有无线信号接收器，所述的压电陶瓷声音传感器探测球磨机的结构负荷声音信号，经过信号处理模块后的信号被无线信号接收器接收。

所述的信号处理模块包括有电子信号放大模块和无线传输发射模块，所述的压电陶瓷声音传感器与电子信号放大模块的输入端连接，压电陶瓷声音传感器探测的结构负荷声音信号经过电子信号放大模块放大后，通过无线传输发射模块发送给无线信号接收器。

所述的电子信号放大模块和无线传输发射模块集成在一个信号处理柜内部，信号处理柜固定在球磨机外部筒体上。

所述的压电陶瓷声音传感器包括有连接接口、压电元件、保护底板和外壳，所述的保护底板固定在球磨机外部筒体上，所述的压电元件固定在保护底板上，所述的外壳罩在压电元件的外面且外壳的下端固定在球磨机外部筒体上，所述的连接接口设在外壳上，压电元件通过信号线与连接接口连接。

所述的压电陶瓷声音传感器是通过连接接口和铺设在球磨机外部筒体上的固定信号电缆与电子信号放大模块连接的。

所述的电子信号放大模块和无线传输发射模块的供电是由电力测功机提供的；所述的电力测功机集成在所述的信号处理柜内部。

所述的无线信号接收器放置于距离球磨机外部筒体外2~5米的固定位置。

所述的无线信号接收器采集的数字信号上传至计算机分析系统。

所述的计算机分析系统对接收到的数字信号进行快速傅立叶变换，获取信号的频谱特征，根据离散傅里叶变换公式得到的表达式，利用小波变换数字处理技术提取主频率特征值，从而建立频率与填充水平的函数关系。

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应。压电陶瓷除具有压电性外, 还具有介电性、弹性等，已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。压电陶瓷以其特有的传感功能而成为近年来在电子信息领域中广泛研究和应用的智能材料，具有响应快、灵敏度高、频响范围宽、价格低廉、易剪裁加工等特点。

由于采用固定在球磨机外部筒体上的压电陶瓷传声音感器能直接测量来自球磨机的结构负荷声音，与传统的磨音特征提取方法和软测量技术相比，本发明具有有以下优点：

1、本发明结构负荷声音承载的所有信息不会因为在空气中传输而部分丢失，所以测量结果准确；

2、本发明压电陶瓷声音传感器不能检测到通过空气传输的其它声源，所以不受环境干扰；

3、本发明压电陶瓷声音传感器固定在球磨机筒体上，避免了类似磨音测量法拾音器的接收信息对中的误差，也不受环境粉尘的影响，所以不必进行常规的清洁工作；

4、本发明不受球磨机采用小直径的金属研磨体或轻质非金属研磨体带来的声强降低的影响；

5、本发明直接提取单一的、最具特征性的频谱，测量的灵敏度和精确度高，且算法简单，无需建立类似软测量法的复杂的模型。

附图说明

图1为本发明的工作原理框图。

图2为本发明布置示意图。

图3为压电传感器的安装示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种基于压电传感器和无线传输的球磨机负荷测量装置，包括有压电陶瓷声音传感器1，所述的压电陶瓷声音传感器1固定在球磨机外部筒体2上，在所述的球磨机外部筒体2还安装有信号处理模块3，所述的压电陶瓷声音传感器1与信号处理模块3的信号输入端连接，还包括有无线信号接收器4，所述的压电陶瓷声音传感器1探测球磨机的结构负荷声音信号，经过信号处理模块处理后的信号被无线信号接收器4接收。

所述的信号处理模块3包括有电子信号放大模块5和无线传输发射模块6，所述的压电陶瓷声音传感器1与电子信号放大模块5的输入端连接，压电陶瓷声音传感器1探测的结构负荷声音信号经过电子信号放大模块5放大后，通过无线传输发射模块6发送给无线信号接收器4。

所述的电子信号放大模块5和无线传输发射模块6集成在一个信号处理柜7内部，信号处理柜7固定在球磨机外部筒体2上。

如图3所示，所述的压电陶瓷声音传感器1包括有连接接口8、压电元件9、保护底板10和外壳11，所述的保护底板10固定在球磨机外部筒体2上，所述的压电元件9固定在保护底板10上，所述的外壳11罩在压电元件9的外面且外壳11的下端固定在球磨机外部筒体2上，所述的连接接口8设在外壳11上，压电元件9通过信号线与连接接口8连接。

所述的压电陶瓷声音传感器1是通过连接接口8和铺设在球磨机外部筒体2上的固定信号电缆与电子信号放大模块5连接的。

所述的电子信号放大模块5和无线传输发射模块6的供电是由电力测功机12提供的；所述的电力测功机12集成在所述的信号处理柜7内部。磨机转动带动电力测功机平行转动，驱动一台小型发电机，只要磨机转动，电力测功机就可以提供所需电源。

所述的无线信号接收器4放置于距离球磨机外部筒体2外2~5米的固定位置。

所述的无线信号接收器4采集的数字信号上传至计算机分析系统13。

所述的计算机分析系统13对接收到的数字信号进行快速傅立叶变换，获取信号的频谱特征，根据离散傅里叶变换公式得到的表达式，利用小波变换数字处理技术提取主频率特征值，从而建立频率与填充水平的函数关系。

本发明所提取的球磨机结构负荷声音信息与球磨机物料填充水平关联性强，不受环境干扰，信号处理过程不存在丢失和失真，准确度和稳定性高，可以测量出球磨机的物料通过量1%~2%的波动。

由于球磨机转动时发出的负荷声音是径向传播，而不是轴向传播，因此可以在球磨机筒体上安装2个压电陶瓷声音传感器1来分别测量一仓和二仓的填充水平，用以及时分析判定两仓的平衡情况以及隔仓板堵塞或损坏状况。

采用本发明可以通过快速、精准、均衡控制磨机负荷，实现球磨机产量的提高，维护费用低廉。还可以通过对长期运行所采集和积累的附加信息分析，对球磨机的工况进行更广泛的诊断，提升设备的维护水平。特别是对球磨机系统的智能控制起到了重要的支持作用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于上述说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明精神和构思的前提下做出部分等同替代、修改和改进，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种基于压电传感器和无线传输的球磨机负荷测量装置，其特征在于：包括有压电陶瓷声音传感器，所述的压电陶瓷声音传感器固定在球磨机外部筒体上，在所述的球磨机外部筒体还安装有信号处理模块，所述的压电陶瓷声音传感器与信号处理模块的信号输入端连接，还包括有无线信号接收器，所述的压电陶瓷声音传感器探测球磨机的结构负荷声音信号，经过信号处理模块处理后的信号被无线信号接收器接收。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电传感器和无线传输的球磨机负荷测量装置，其特征在于：所述的信号处理模块包括有电子信号放大模块和无线传输发射模块，所述的压电陶瓷声音传感器与电子信号放大模块的输入端连接，压电陶瓷声音传感器探测的结构负荷声音信号经过电子信号放大模块放大后，通过无线传输发射模块发送给无线信号接收器。

3.根据权利要求2所述的一种基于压电传感器和无线传输的球磨机负荷测量装置，其特征在于：所述的电子信号放大模块和无线传输发射模块集成在一个信号处理柜内部，信号处理柜固定在球磨机外部筒体上。

4.根据权利要求3所述的一种基于压电传感器和无线传输的球磨机负荷测量装置，其特征在于：所述的压电陶瓷声音传感器包括有连接接口、压电元件、保护底板和外壳，所述的保护底板固定在球磨机外部筒体上，所述的压电元件固定在保护底板上，所述的外壳罩在压电元件的外面且外壳的下端固定在球磨机外部筒体上，所述的连接接口设在外壳上，压电元件通过信号线与连接接口连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于压电传感器和无线传输的球磨机负荷测量装置，其特征在于：所述的压电陶瓷声音传感器是通过连接接口和铺设在球磨机外部筒体上的固定信号电缆与电子信号放大模块连接的。

6.根据权利要求5所述的一种基于压电传感器和无线传输的球磨机负荷测量装置，其特征在于：所述的电子信号放大模块和无线传输发射模块的供电是由电力测功机提供的；所述的电力测功机集成在所述的信号处理柜内部。

7.根据权利要求2所述的一种基于压电传感器和无线传输的球磨机负荷测量装置，其特征在于：所述的无线信号接收器放置于距离球磨机外部筒体外2~5米的固定位置。

8.根据权利要求1所述的一种基于压电传感器和无线传输的球磨机负荷测量装置，其特征在于：所述的无线信号接收器采集的数字信号上传至计算机分析系统。

9.根据权利要求8所述的一种基于压电传感器和无线传输的球磨机负荷测量装置，其特征在于：所述的计算机分析系统对接收到的数字信号进行快速傅立叶变换，获取信号的频谱特征，根据离散傅里叶变换公式得到的表达式，利用小波变换数字处理技术提取主频率特征值，从而建立频率与填充水平的函数关系。