СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПУЛЬПЫ
PULP DENSITY MEASUREMENT METHOD

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для определения плотности пульпы в потоке с широко измеряющимся диапазоном расхода, в частности, для контроля плотности пульпы (водно-грунтовой смеси) в процессе дноуглубительных или добычных работ на земснарядах.
Известно устройство для измерения плотности или вязкости жидкостей (авторское свидетельство СССР №312181 «Вибродатчик вязкости»), конструктивно представляющее собой двухстержневую колебательную систему, разделенную в узловой плоскости защитным корпусом, внутри которого смонтирована дифференциальная электромагнитная система измерения-привода.
Известны устройства, взвешивающие часть трубы известного объема, и таким образом измеряющие плотность пульпы, заполняющей трубу. Достоинством данного метода является прямое измерение плотности. Недостатки - сложность установки, необходимость дорогостоящего обслуживания и замены изнашивающихся абразивной пульпой элементов трубы, зависимость от вибраций корпуса земснаряда, на котором проводятся измерения.
Известны изотопные плотномеры, измеряющие плотность пульпы по степени поглощения пульпой рентгеновских лучей. Достоинством метода является прямое измерение массы вещества, поглощающего лучи по ходу их распространения. Недостатком метода является необходимость использования излучающего радиацию источника рентгеновского излучения,
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является «Способ и устройство для получения информации о распределении макроскопических частиц в жидкости по размеру» (патент России №2376581). Изобретение относится к способу и устройству, с помощью которых, используя отражение ультразвуковых импульсов от макроскопических частиц, таких как капли масла или песчинок в воде, получают информацию о распределении частиц в жидкости по размеру. Параметры распределения частиц по размеру оцениваются с помощью способа максимального правдоподобия, используя выражение для вероятности измерения амплитуд сигналов отражений в виде двух множителей. Первый множитель выражает вероятность измерения сигнала отражения, для которого сигнал отражения со значением А формирует часть, независимо от того, маскировано ли это значение сигналом отражения с более высоким значением. Первый множитель по существу соответствует выражению для вероятности, используемому в уровне техники.
Второй множитель, используемый в выражении согласно настоящему изобретению, содержит вероятность того, что отсутствует сигнал отражения с доминирующим значением характеристики, который будет маскировать измеряемую величину, формируя часть измерения сигнала отражения. Таким образом, эффект маскирования учитывается при оценке параметров. При этом оценка способом наибольшего правдоподобия учитывает как эффект искажения, так и эффект маскирования.
Преимуществом прототипа перед аналогами является возможность определения концентрации макроскопических частиц и распределение частиц по размерам (отражательной способности).
Недостатком же является то, что прототип не может работать в условиях механических и акустических шумов, при высокой скорости движения частиц и неравномерном распределении плотности частиц по слоям.
Техническим результатом изобретения является обеспечение измерения плотности пульпы конструктивно через стенку пульпопровода на прямом участке, повышение точности измерения, измерение плотности пульпы по слоям и увеличение частоты измерений, что необходимо для более точного измерения расхода в переходных процессах, а также позволяет различать различные типы добываемого материала по размеру и типу частиц.
Технический результат достигается использованием в способе измерения вычисление коэффициента обратного рассеяния и поглощения высокочастотных акустических сигналов в водно-грунтовой взвеси. Связь между коэффициентом обратного рассеяния и плотностью пульпы определяется однозначной эмпирической зависимостью.
Известно, что амплитуда отраженного от неоднородностей среды сигнала имеет вид:
где
p(t) - давление на приемнике,
0
p(t-сτ/2) - давление на излучателе,
v
m - удельный коэффициент обратного отражения, зависящий от отражающего объема, размера частиц и частоты излучения,
A
R - характеристика направленности приемо-излучателя,
С - скорость звука в воде,
τ - задержка по времени относительно посылки,
β - коэффициент поглощения среды.
Именно коэффициент поглощения среды наиболее сильно зависит от плотности взвеси, поэтому измерив этот коэффициент можно вычислить плотность по эмпирической формуле.
Выражаем коэффициент поглощения среды через амплитуду отраженного от неоднородностей сигнала:
Считая, что меняется только принимаемое давление, можно записать выражение следующим образом:
1
2
где k, k - эмпирические коэффициенты.
Таким образом, оказывается возможным измерить плотность водно-грунтовой смеси через измерение амплитуды отраженного от неоднородностей сигнала используя акустические сигналы.
Для осуществления предлагаемого способа измерения плотности пульпы
на фиг. 1 схематично представлено устройство плотномера, работающего с использованием акустических сигналов.
Плотномер состоит из генератора зондирующих импульсов (1), электроакустического преобразователя (2), установленного на внешней стенке трубы (3) с пульпой (4), усилителя-ограничителя (5), аналогово-цифрового преобразователя (6) и блока цифровой обработки сигналов(7) (фиг. 1). Плата цифровой обработки сигнала обеспечивает полосовую фильтрацию, преобразование Гильберта, расчет амплитуды принятого сигнала, логарифмирование амплитуды, аппроксимация части графика логарифма амплитуды прямой, вычисление угла наклона, по углу наклона вычисляется плотность пульпы.
Реализация способа с использованием плотномера осуществляется следующим образом.
Генератор 1 сигнала формирует серию импульсов определенной длины на электроакустический преобразователь 2, затем преобразователь преобразует эти электрические импульсы в акустические и отправляет их через стенку трубы 3 в водно-грунтовую смесь 4. Отраженный от неоднородностей смеси сигнал поступает на преобразователь 2, который преобразует его в электрический сигнал, который затем поступает последовательно на блоки усиления 5, фильтрации аналогово-цифрового преобразователя 6 и цифровой обработки сигнала 7. На выходе блока цифровой обработки осуществляют формирование по приведенной выше эмпирической формуле значение величины плотности.
Посланный электроакустическим преобразователем сигнал попадает в неоднородную среду, состоящую из твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в водной среде. Скорость звука при этом практически не изменяется, характеристика направленности тоже, но от концентрации частиц сильно зависит коэффициент поглощения среды. Поэтому амплитуда принятого электроакустическим преобразователем после посылки сигнала будет определяться как удельным коэффициентом отражения, который слабо зависит от концентрации, зато сильно зависит от размера частиц и рабочей частоты сигнала, так и коэффициентом поглощения, который зависит только от концентрации.
Принятый сигнал оцифровывается, фильтруется для защиты от помех, у него измеряется амплитуда, переводится в логарифмический масштаб, и по скорости изменения амплитуды вычисляется мгновенная плотность в том месте внутри, трубы, которое определяется задержкой от начала посылки до момента измерения амплитуды сигнала. Это позволяет измерять плотность водно-грунтовой смеси по слоям.
Таким образом, предлагаемое устройство реализует проведение измерения плотности водно-грунтовой смеси через стенку трубы обеспечивая высокую чувствительность, а следовательно и точность измерения, а также широкий диапазон измеряемых плотностей.
Использование данного изобретения повышает эффективность дноуглубительных и добычных работ на земснарядах благодаря определению эффективности его работы, упрощает установку оборудования на земснаряд, позволяет обойтись без использования изотопных радиоактивных источников, увеличивает срок эксплуатации, что обеспечивает снижение стоимости оборудования для проведения данных измерений..
Источники информации
1. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. [Djv-5.8М] Учебник для техникумов (Ленинград: Издательство «Судостроение», 1980).
2. Малышкин Г.С. Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов. Том 1. Оптимальные методы - СПб.: Электроприбор, 2009. - 400 с.
3. Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов. М., «Сов. Радио», 1974, 360 с.