本发明属于测量方法及装置领域，具体涉及一种矿浆浓度在线实时检测装置和方法。
背景技术：
在矿山、冶金、煤炭等生产企业中对生产矿浆的浓度有严格的工艺要求。一种常用的矿浆浓度检测方法是浓度壶人工测量，其劳动强度大，不仅需要人工称重，还需要人工查表，浓度测量严重滞后，随着工厂现代化水平的不断提升，可在线实时检测矿浆浓度成为生产的迫切需求。已有的矿浆浓度在线检测方法及装置主要有超声波浓度计和核子浓度计对矿浆浓度检测受影响因素较多，如成分、沉淀、气泡等，且核子浓度计具有放射性，存在环保政策限制，有些在线检测装置存在安装条件严苛、标定及维护程序复杂、实时性较差等缺点。很多生产企业只能离线检测矿浆浓度，甚至不得不依靠工人经验来观察和控制矿浆浓度，严重制约了相关生产流程的生产。因此，生产中急需一种准确稳定、安装维护成本低、可在线实时检测矿浆浓度的方法及装置。
技术实现要素：
本发明针对现有技术存在的问题提供一种矿浆浓度在线实时检测装置和方法。用于解决矿浆浓度在线实时检测问题。本发明测量准确，安装维护成本低，方法简单利于实施。
技术方案如下：
一种矿浆浓度在线实时检测装置，包括：进料管、出料管、采样泵、智能计算模块、参数检测模块、显示模块、数据通讯模块；
采样泵的输入端设有进料管，输出端设有出料管，采样泵与参数检测模块相连接，参数检测模块与智能计算模块相连接，智能计算模块与显示模块和数据通讯模块相连接。
所述采样泵由采样泵电机驱动，采样泵电机功率由参数检测模块在线实时检测出来，采样泵采用适用于运输矿浆的渣浆泵、容积泵，待测试矿浆由进料管流入采样泵，由出料管流出采样泵。
所述智能计算模块采用plc、单片机或计算机，采用一种矿浆浓度在线实时检测方法，用程序编写矿浆浓度与采样泵电机功率的计算方法，计算矿浆浓度实时值，并将计算结果传递给显示模块和数据通讯模块。
所述参数检测模块用于检测采样泵电机功率，并给采样泵电机提供电源。
所述显示模块，采用led屏或触摸屏，用于显示智能计算模块传递出的检测结果。
所述数据通讯模块，通过自动化网络，将智能计算模块提供的监测结果传递到中控室显示屏中，工作人员通过中控室显示屏看到检测结果；数据通讯模块采用plc通讯模块、单片机或pc的以太网接口或串行接口，自动化网络适配工业数据通讯协议：工业以太网通讯协议、modbus通讯协议、profibus通讯协议、rs485通讯协议。
所述进料管和出料管采用固定管道特性，可更换，适用于运输矿浆的管道。
所述一种矿浆浓度在线实时检测方法，采用一种矿浆浓度在线实时检测装置结合拟合的方法，具体步骤为：
步骤1，取离线检测矿浆浓度c1，c2…cn数据和建模用采样泵电机功率p1，p2，…pn数据，cn表示n个离线检测的矿浆浓度，pn表示n个建模用采样泵电机功率，n≧2，该建模用采样泵电机功率与离线检测的矿浆浓度为同一时间取得的数据；
步骤2，对离线检测矿浆浓度c1，c2…cn数据和建模用采样泵电机功率p1，p2，…pn数据，采用线性拟合方法，或者非线性拟合方法，或者分段拟合方法，拟合离线检测矿浆浓度c和建模用采样泵电机功率p的关系：c＝f(p)，其中，c为离线检测的矿浆浓度，p为建模用采样泵电机功率，f(p)表示离线检测的矿浆浓度c和建模用采样泵电机功率p的函数关系；
步骤3，在线检测时，根据在线实时检测到的采样泵电机功率p，以及离线检测的矿浆浓度c与建模用采样泵电机功率p的函数关系c＝f(p)，计算得到实时矿浆浓度c。
所述一种矿浆浓度在线实时检测方法，采用一种矿浆浓度在线实时检测方法的装置结合标定点查表法，具体步骤为：
步骤1：取离线检测矿浆浓度c’1，c’2…c’m数据和建模用采样泵电机功率p’1，p’2，…p’m数据，c’m表示m个离线检测的矿浆浓度，p’m表示m个建模用采样泵电机功率，m≧2，该建模用采样泵电机功率与离线检测的矿浆浓度为同一时间取得的数据；
步骤2：使用取离线检测的矿浆浓度c’1，c’2…c’m数据和建模用采样泵电机功率p’1，p’2，…p’m数据，得到m个标定点(c’i，p’i)，由这些标定点形成标定点表格，其中c’i表示离线检测的矿浆浓度，p’i表示建模用采样泵电机功率，该建模用采样泵电机功率与离线检测的矿浆浓度为同一时间取得的数据，i取1～m中任一数值；
步骤3：在线检测时，根据在线实时检测到的采样泵电机功率p’，查标定点表格得到对应的矿浆浓度c’，如果检测到的电机功率p’处于两个标定点之间时，可采用线性插值或者非线性插值方法确定对应的实时矿浆浓度c’。
数学关系推导过程：
矿浆在通过泵运输时，在满足一定条件下，矿浆浓度和采样泵电机功率相关，通过离线建立矿浆浓度和采样泵电机功率的关系，可用于在线检测矿浆浓度。理论推导过程如下：
泵在电机驱动下，在管道中输送矿浆时：
采样泵电机功率：
p＝ui＝pγ+pc(1)
u,i分别为采样泵电机电压和电流，pγ分别为采样泵电机传递至采样泵的功率，pc为其它因素损失的功率，如泵电机磨损、传动机构磨损等损失的功率。
采样泵功率：
n＝nγ+nc(2)
nγ分别为采样泵的有效功率，nc为其它因素损失的功率，如泵水力损失、水泵机械损耗、管道特性损耗等导致损失的功率。这里采样泵电机功率与采样泵功率是等同的pγ＝n。
采样泵电机的同步转速如下：
ns＝120f/p(3)
f为电源频率，p为电机极对数。
采样泵的有效功率：
nγ＝ρgqhγ(4)
ρ,g,q,hγ分别为矿浆密度，重力加速度，矿浆流量，泵有效扬程。
在工业应用中，当输送矿浆的性质稳定，泵稳定运行时，一般认为泵的流量q和转速ns具有线性相关关系：
q＝μns。(5)
其中μ可以认为是常数，ns采样泵电机的同步转速。综上可得：
当输送矿浆的性质稳定，采样泵稳定运行，采样泵电机电源频率固定，管道特性稳定等条件下，μ，hγ，nc，pc可以认为是常数。
矿浆浓度由下式计算：
其中，ρs为矿浆中固体的密度，ρl为矿浆中液体的密度，当待测对象确定为某种矿浆时，ρs和ρl均可视为常数。
公式(6)可以得到泵电机功率p与矿浆密度ρ之间的关系，由公式(7)可以得到矿浆浓度c与矿浆密度ρ之间的关系，当满足当输送矿浆的性质稳定，泵稳定运行，泵电机电源频率及电压稳定，管道特性稳定等条件下，显然，输送矿浆的泵电机功率p和矿浆浓度c存在一一对应关系，由于某些参数如hγ，nc，pc可以认为是常数，但是并不好直接通过测量来获取，故需要采用其他数学方法来获取到比较准确的采样泵电机功率p和矿浆浓度c之间的一一对应关系，本发明采用拟合的方法和标定点表格方法获取到采样泵电机功率p和矿浆浓度c之间的一一对应关系。
由于电机功率在工业应用中容易实时在线检测，检测精度高，检测间隔可达到秒级甚至更短间隔。可以通过检测采样泵电机功率来计算矿浆浓度c。可先采用离线建模建立矿浆浓度c和采样泵电机功率p的关系，在线应用时，通过实时检测泵电机功率p计算得到实时矿浆浓度c。
其有益效果是：
本发明利用了采样泵电机功率与矿浆浓度的数学关系，提出了一种矿浆浓度在线实时检测装置和方法。由于电机功率在工业应用中容易实时在线检测，检测精度高，检测间隔可达到秒级甚至更短间隔，满足矿浆浓度在线实时监测的需求。而且在工业生产中，泵装置本身是一个非常容易获取到的装置，当满足泵及管路容易满足泵稳定运行，泵电机电源频率及电压稳定，管道特性稳定等条件时，都可利用本发明所提方法检测矿浆浓度，并且本发明利用专门提供的采样泵对待检测浓度的矿浆进行采样，采样泵及管路容易满足泵稳定运行，泵电机电源频率及电压稳定，管道特性稳定等条件。整套装置和方法实施起来，简单易行，装置易于后期更换维护，维护成本低，通过矿浆浓度离线数据与在线数据测量值对比，可知其测量的精度满足生产要求。
附图说明
图1为在线实时检测矿浆浓度装置；
图2为采样泵采用槽式安装方式；
图3为采样泵采用管道式安装方式；
图4为在线监测与离线监测矿浆浓度结果对比图。
图中：1—采样泵；2—进料管；3—出料管；4—控制箱；5—参数检测模块；6—智能计算模块；7—显示模块；8—数据通讯模块；9—中控室显示屏；10—矿浆槽；11—矿浆液面；12—矿浆；13—矿浆管道；14—管道截断面；15—待测试矿浆所在容器。
具体实施方式
针对附图对一种矿浆浓度在线实时检测装置和方法进行详细描述：
在工业生产中，有大量的泵用于运输矿浆，泵的电机运行数据都可以采用上述矿浆浓度在线实时检测方法尝试去建立电机功率和运输矿浆浓度c和电机功率的关系p。但是由于工业生产中运行的泵难以稳定运行，这些泵往往需要进行调速控制，并且管道特性复杂，无法用电机功率实时计算矿浆浓度，因此本方法提供一种矿浆浓度在线实时检测装置。其基本原理是利用该装置专门提供的采样泵对待检测浓度的矿浆进行采样，采样泵及管路容易满足泵稳定运行，泵电机电源频率及电压稳定，管道特性稳定等条件，利用上述矿浆浓度在线实时检测方法计算运输矿浆浓度c和泵电机功率的关系p，然后用于实时在线检测矿浆浓度。其结构如图1所示。
该装置为图1中虚线框内所示结构。主要包括以下部分：
如图1所示，一种矿浆浓度在线实时检测装置，包括：进料管(2)、出料管(3)、采样泵(1)、智能计算模块(6)、参数检测模块(5)、显示模块(7)、数据通讯模块(8)；
采样泵的输入端设有进料管(2)，输出端设有出料管(3)，，采样泵(1)通过出料管(3)与待测试矿浆所在容器(15)相连接，采样泵(1)与参数检测模块(5)相连接，参数检测模块(5)与智能计算模块(6)相连接，智能计算模块(6)与显示模块(7)和数据通讯模块(8)相连接。
所述待测试矿浆所在容器(15)中装有待测试矿浆(12)，该装置在线实时检测待测试矿浆的浓度。
所述采样泵(1)由采样泵电机驱动，采样泵电机功率由参数检测模块(5)在线实时检测出来，采样泵(1)采用适用于运输矿浆的渣浆泵、容积泵。
所述显示模块(7)，采用led屏或触摸屏，用于显示智能计算模块(6)传递出的检测结果。
所述数据通讯模块(8)，通过自动化网络，将智能计算模块(6)提供的监测结果传递到中控室显示屏(9)中，工作人员通过中控室显示屏看到检测结果；数据通讯模块(8)采用plc通讯模块、单片机或pc的以太网接口或串行接口，自动化网络适配工业数据通讯协议：工业以太网通讯协议、modbus通讯协议、profibus通讯协议、rs485通讯协议。
所述进料管(2)和出料管(3)采用固定管道特性，可更换，适用于运输矿浆的管道。
所述智能计算模块(6)采用plc、单片机或计算机，采用一种矿浆浓度在线实时检测方法，用程序编写矿浆浓度与采样泵电机功率的计算方法，计算矿浆浓度实时值，并将计算结果传递给显示模块(7)和数据通讯模块(8)。
所述参数检测模块(5)用于检测采样泵电机功率，并给采样泵电机提供电源。
实施例1
一种矿浆浓度在线实时检测装置，包括进料管(2)、出料管(3)、采样泵(1)、智能计算模块(6)、参数检测模块(5)、显示模块(7)、数据通讯模块(8)，进料管(2)采用无缝钢管，出料管(3)采用无缝钢管，采样泵(1)选用sh1a-2s(r)型渣浆泵，智能计算模块(6)采用cpusr40型plc实现，参数检测模块(5)采用西门子v20变频器为采样泵(1)电机供电并检测采样泵电机功率，显示模块(7)采用西门子smart1000ie工业触控屏，数据通讯模块(8)采用西门子csm1277网络交换器。待测试矿浆所在容器(15)采用矿浆槽，该装置采用槽式安装，安装方式如图2所示。待测试矿浆通过进料管(2)流入采样泵及电机(1)，并通过出料管(3)流回待测试矿浆(12)，采用槽式安装时，应保证在采样泵(1)运行时，进料管(2)口始终在矿浆液面(11)之下，出料管(3)将采样泵抽出的矿浆重新返回至矿浆槽(10)中。
控制箱(4)包括：智能计算模块(6)cpusr40型plc、参数检测模块(5)西门子v20变频器、显示模块(7)西门子smart1000ie工业触控屏、数据通讯模块(8)西门子csm1277网络交换器。采样泵(1)与控制箱(4)中参数检测模块(5)西门子v20变频器相连接，参数检测模块(5)西门子v20变频器与智能计算模块(6)cpusr40型plc相连接，智能计算模块(6)cpusr40型plc与显示模块(7)西门子smart1000ie工业触控屏和数据通讯模块(8)西门子csm1277网络交换器相连接。
数检测模块(5)采用西门子v20变频器为采样泵电机供电，并将采样泵电机功率数据传输至西门子cpusr40型plc中，该plc作为智能计算模块(6)，采用分段拟合方法计算矿浆浓度值，计算得到结果后，将计算结果显示在西门子smart1000ie工业触控屏即显示模块(7)上，并通过西门子csm1277网络交换器作为通讯模块(8)，将运算结果通过fcs工业自动化网络传输至中控室显示屏(9)上。
一种矿浆浓度在线实时检测方法，采用实施例1所述的一种矿浆浓度在线实时检测装置，采用了分段拟合方法，拟合离线检测矿浆浓度c和建模用采样泵电机功率p的关系：c＝f(p)，其中，c为离线检测的矿浆浓度，p为建模用采样泵电机功率，f(p)表示离线检测的矿浆浓度c和建模用采样泵电机功率p的函数关系，该分段拟合方法被编程并在智能计算模块(6)中实现，智能计算模块(6)采用西门子cpusr40型plc可编程控制器，具体步骤为：
步骤1，在进料管(2)中开一个取样口，采用阀门控制其开关，矿浆从采样口取出，人工用浓度壶测得矿浆浓度，取这样检测的离线检测矿浆浓度c1，c2…c12数据和建模用采样泵电机功率p1，p2，…p12数据，c12表示12个离线检测的矿浆浓度，p12表示12个建模用采样泵电机功率，该建模用采样泵电机功率与离线检测的矿浆浓度为同一时间取得的数据，如表2所示；
表2离线检测浓度与建模用采样泵电机功率表
步骤2：对离线检测的矿浆浓度c1，c2…c12数据和建模用采样泵电机功率p1，p2，…p12数据，采用分段拟合方法，分段函数拟合后结果如下：
步骤3，在线检测时，当采样泵电机功率为47.8w，矿浆在线检测矿浆浓度为35.3％。
实施例2
一种矿浆浓度在线实时检测装置，包括进料管(2)、出料管(3)、采样泵(1)、智能计算模块(6)、参数检测模块(5)、显示模块(7)、数据通讯模块(8)，进料管(2)采用无缝钢管，出料管(3)采用无缝钢管，采样泵(1)选用sh1a-2s(r)型渣浆泵，智能计算模块(6)采用单片机实现，参数检测模块(5)采用380v交流电源为采样泵电机供电，ba05型电流互感器检测采样泵电机电流，显示模块(7)采用8位led显示屏，通讯模块(8)采用单片机的以太网网关。其中，待测试矿浆所在容器(15)采用矿浆管道，该装置采用管道式安装，该方法采用标定点表格方法。管道式安装方式如图3所示。待测试矿浆通过进料管(2)流入采样泵及电机(1)，并通过出料管(3)流回待测试矿浆，采用管道式安装时，采样泵可安装在横向或者纵向矿浆管道(13)上，采样泵进料管(2)入口和出料管(2)出口应确保在管道的同一管道横断面(14)上。
控制箱(4)包括：智能计算模块(6)单片机、参数检测模块(5)380v交流电源和ba05型电流互感器、显示模块(7)8位led显示屏、数据通讯模块(8)单片机的以太网网关。采样泵(1)与控制箱(4)中参数检测模块(5)相连接，参数检测模块(5)与智能计算模块(6)相连接，参数检测模块采用380v交流电源为采样泵电机供电，并得到供电电压u，通过ba05型电流互感器检测采样泵电机电流i，将电流检测数据传输至51单片机的模拟量输入接口中，该单片机作为智能计算模块(6)，在单片机中，通过公式p＝ui计算采样泵电机功率，其中u为采样泵供电电压，i为电流互感器检测采样泵电机电流，智能计算模块(6)单片机与显示模块(7)8位led显示屏和数据通讯模块(8)单片机的以太网网关相连接。采用标定点表格方法方计算在线实时矿浆浓度值，计算得到结果后，将计算结果显示在8位led显示屏即显示模块(7)上，并通过单片机的以太网网关作为通讯模块(8)将运算结果传输至中控室显示屏(9)中。
一种矿浆浓度在线实时检测方法，采用实施例2所述的一种矿浆浓度在线实时检测装置，采用检测方法为标定点表格方法,该标定点表格方法被编程并在智能计算模块(6)中实现，智能计算模块(6)采用单片机，具体步骤为：
步骤1：在进料管(2)中开一个取样口，采用阀门控制其开关，矿浆从采样口取出，人工用浓度壶测得矿浆浓度，取这样检测的离线检测矿浆浓度c’1，c’2…c’10数据和建模用采样泵电机功率p’1，p’2，…p’10数据，c’10表示10个离线检测的矿浆浓度，p’10表示10个建模用采样泵电机功率，该建模用采样泵电机功率与离线检测的矿浆浓度为同一时间取得的数据；
步骤2：使用取离线检测的矿浆浓度c’1，c’2…c’10数据和建模用采样泵电机功率p’1，p’2，…p’10数据，得到10个标定点(c’i，p’i)，由这些标定点形成标定点表格，如表3所示，其中c’i表示离线检测的矿浆浓度，p’i表示建模用采样泵电机功率，该建模用采样泵电机功率与离线检测的矿浆浓度为同一时间取得的数据，i取1～10中任一数值；
表3实际应用标定点表格
步骤3：当在线检测时，实时检测到的采样泵电机功率54w时，通过查表和线性插值，可得矿浆浓度在线检测值为40.83w，其中线性差值公
此时，x＝54w,x0＝53w,x1＝59w,y0＝40％,y1＝45％,计算出在线监测值为y＝40.83w,即在线监测矿浆浓度为40.83w。
应用效果分析：
上述方法在国内某选矿厂内进行了工业应用，应用效果如图4所示：
图4中采用具体实施例1中的装置和方法，离线化验浓度值为人工手动化验值。从图中可以看出使用本发明的方法在线监测矿浆浓度与离线人工手动化验值非常接近，该在线监测方法对比离线工人手动化验值的平均检测误差为2.45％，满足现场生产要求。