RU2694448C1

RU2694448C1 - Pulp density measurement method

Info

Publication number: RU2694448C1
Application number: RU2018144194A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Семенов; Михаил Николаевич Чемоданов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Нониус Инжиниринг" (ООО "Нониус Инжиниринг")
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2019-07-15

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used for determination of pulp density in flow with widely measured range of its flow, in particular for control of pulp density during dredging or mining operations on dredgers. Method of measuring pulp density includes operations of generating a signal by a generator, sending a signal with an electroacoustic transducer both directly to the measured medium, and through the wall of the channel with pulp, receiving the reflected echo signal pulses by a converter, further execution thereof through a signal pre-processing unit, analog-to-digital conversion, band-pass filtering, accumulation of the medium backscattering signal envelope, dependence of amplitude of reflected signal on time after sending signal to logarithmic scale, approximation of graph with segment of straight line is performed, angle of inclination of said section is recorded and pulp density is determined as function of angle of inclination through coefficient of backscattering of medium.

EFFECT: technical result is improved pulp density measurement accuracy.

3 cl, 1 dwg

Description

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.The invention relates to a measuring technique and can be used to determine the density of the pulp in the stream with a widely measured flow range, in particular, to control the density of the pulp (water-soil mixture) in the process of dredging or mining operations on dredgers.

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.A device is known for measuring the density or viscosity of liquids (USSR author's certificate No. 312181 "Viscosity vibration sensor"), which is structurally a two-rod oscillatory system divided in a nodal plane by a protective housing inside which a differential electromagnetic measurement-drive system is mounted.

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.Devices are known that weigh a portion of a pipe of known volume, and thus measure the density of the pulp that fills the pipe. The advantage of this method is direct density measurement. Disadvantages - the complexity of the installation, the need for costly maintenance and replacement of the elements of the pipe that wear out with an abrasive pulp, dependence on the vibrations of the dredger hull on which measurements are made.

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,Known isotope densitometers, measuring the density of the pulp according to the degree of absorption of X-rays by the pulp. The advantage of the method is a direct measurement of the mass of a substance that absorbs rays in the course of their propagation. The disadvantage of the method is the need to use a radiating source of x-ray radiation,

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.The closest technical solution adopted for the prototype is "Method and device for obtaining information about the distribution of macroscopic particles in a liquid by size" (Russian patent No. 2376581). The invention relates to a method and apparatus by which, using the reflection of ultrasonic pulses from macroscopic particles, such as drops of oil or grains of sand in water, receive information about the size distribution of particles in a liquid. The particle size distribution parameters are estimated using the maximum likelihood method using an expression for the probability of measuring the amplitudes of the reflection signals in the form of two factors. The first multiplier expresses the probability of measuring a reflection signal, for which a reflection signal with value A forms a part, regardless of whether this value is masked by a reflection signal with a higher value. The first factor essentially corresponds to the expression for probability used in the prior art.

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.The second factor used in the expression according to the present invention contains the probability that there is no reflection signal with a dominant characteristic value that will mask the measured value, forming part of the reflection signal measurement. Thus, the masking effect is taken into account when evaluating the parameters. At the same time, the assessment with the highest likelihood method takes into account both the distortion effect and the masking effect.

Преимуществом прототипа перед аналогами является возможность определения концентрации макроскопических частиц и распределение частиц по размерам (отражательной способности).The advantage of the prototype over analogues is the ability to determine the concentration of macroscopic particles and the distribution of particle size (reflectivity).

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.The disadvantage is that the prototype cannot work in conditions of mechanical and acoustic noise, with a high speed of movement of particles and an uneven distribution of the density of particles across the layers.

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.The technical result of the invention is to provide a measurement of the density of the pulp constructively through the wall of the pipeline in a straight section, improving the measurement accuracy, measuring the density of the pulp in layers and increasing the measurement frequency, which is necessary for more accurate flow measurement in transients, and also allows to distinguish different types of material produced by size and type of particles.

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.The technical result is achieved by using in the method of measuring the calculation of the coefficient of backscattering and absorption of high-frequency acoustic signals in a water-ground suspension. The relationship between the backscatter coefficient and the pulp density is determined by a unique empirical relationship.

Известно, что амплитуда отраженного от неоднородностей среды сигнала имеет вид:It is known that the amplitude of the signal reflected from the inhomogeneities of the medium is:

гдеWhere

p(t) - давление на приемнике,p (t) is the pressure at the receiver,

p₀(t-сτ/2) - давление на излучателе,p ₀ (t-сτ / 2) - pressure on the radiator,

m_v - удельный коэффициент обратного отражения, зависящий от отражающего объема, размера частиц и частоты излучения,m _v is the specific back reflection coefficient depending on the reflecting volume, particle size and radiation frequency,

R_A - характеристика направленности приемо-излучателя,R _A - the directivity characteristic of the transceiver,

С - скорость звука в воде,C is the speed of sound in water

τ - задержка по времени относительно посылки,τ is the time delay relative to the parcel,

β - коэффициент поглощения среды.β is the absorption coefficient of the medium.

Именно коэффициент поглощения среды наиболее сильно зависит от плотности взвеси, поэтому измерив этот коэффициент можно вычислить плотность по эмпирической формуле.It is the absorption coefficient of the medium that most strongly depends on the density of the suspension; therefore, by measuring this coefficient, one can calculate the density using an empirical formula.

Выражаем коэффициент поглощения среды через амплитуду отраженного от неоднородностей сигнала:Express the absorption coefficient of the medium through the amplitude of the signal reflected from the inhomogeneities:

Считая, что меняется только принимаемое давление, можно записать выражение следующим образом:Considering that only the accepted pressure changes, we can write the expression as follows:

где k₁, k₂ - эмпирические коэффициенты.where k ₁ , k ₂ - empirical coefficients.

Таким образом, оказывается возможным измерить плотность водно-грунтовой смеси через измерение амплитуды отраженного от неоднородностей сигнала используя акустические сигналы.Thus, it is possible to measure the density of a water-soil mixture through measuring the amplitude of a signal reflected from irregularities using acoustic signals.

Для осуществления предлагаемого способа измерения плотности пульпыFor the implementation of the proposed method of measuring the density of the pulp

на фиг. 1 схематично представлено устройство плотномера, работающего с использованием акустических сигналов.in fig. 1 is a schematic representation of a density meter device operating using acoustic signals.

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.The density meter consists of a probe pulse generator (1), an electro-acoustic transducer (2) installed on the outer wall of the pipe (3) with pulp (4), an amplifier-limiter (5), an analog-to-digital converter (6) and a digital signal processing unit ( 7) (Fig. 1). The digital signal processing board provides bandpass filtering, Hilbert transform, calculating the amplitude of a received signal, log amplifying, approximating a part of the graph of the amplitude logarithm of a straight line, calculating the slope, and calculating the density of the pulp.

Реализация способа с использованием плотномера осуществляется следующим образом.The implementation of the method using a density meter is as follows.

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.The signal generator 1 generates a series of pulses of a certain length to the electro-acoustic transducer 2, then the transducer converts these electric pulses into acoustic ones and sends them through the wall of pipe 3 to the water-soil mixture 4. The signal reflected from the heterogeneities of the mixture goes to the transducer 2, which converts it to electric the signal, which is then fed to the amplification blocks 5, filtering the analog-digital converter 6 and digital signal processing 7. At the output of the digital image quipment formation is performed by the empirical formula, the value of density values given above.

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.The signal sent by the electroacoustic transducer enters a non-uniform medium consisting of solid particles suspended in the aquatic environment. The speed of sound does not practically change, the directivity characteristic also, but the coefficient of absorption of the medium strongly depends on the concentration of particles. Therefore, the amplitude of the received electroacoustic converter after sending the signal will be determined both by the specific reflection coefficient, which weakly depends on the concentration, but it strongly depends on the particle size and operating frequency of the signal, and the absorption coefficient, which depends only on the concentration.

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.The received signal is digitized, filtered to protect against interference, its amplitude is measured, translated into a logarithmic scale, and the instantaneous density in that place inside the pipe, which is determined by the delay from the beginning of the signal to the moment of measuring the signal amplitude, is calculated from the amplitude change rate. This allows you to measure the density of the water-soil mixture in layers.

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.Thus, the proposed device implements the measurement of the density of water-soil mixture through the pipe wall, providing high sensitivity, and hence measurement accuracy, as well as a wide range of measured densities.

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..The use of this invention improves the efficiency of dredging and mining operations on dredgers by determining the effectiveness of its work, simplifies the installation of equipment on the dredge, eliminates the use of isotopic radioactive sources, increases the service life, which reduces the cost of equipment for carrying out these measurements.

Источники информацииInformation sources

1. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. [Djv-5.8М] Учебник для техникумов (Ленинград: Издательство «Судостроение», 1980).1. Sverdlin G.M. Hydroacoustic transducers and antennas. [Djv-5.8M] Textbook for technical schools (Leningrad: Shipbuilding Publishing House, 1980).

2. Малышкин Г.С. Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов. Том 1. Оптимальные методы - СПб.: Электроприбор, 2009. - 400 с.2. Malyshkin G.S. Optimal and adaptive methods for processing hydroacoustic signals. Volume 1. Optimal methods - SPb .: Electropribor, 2009. - 400 p.

3. Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов. М., «Сов. Радио», 1974, 360 с.3. Shirman Ya.D. Resolution and compression of signals. M., “Owls. Radio, 1974, 360 p.

Claims

1. A method of measuring pulp density, which includes generating a signal by a generator, sending a signal by an electro-acoustic transducer both directly into the measured medium and through the channel wall with pulp, receiving echo signal reflected by pulp echo particles, then conducting it through a preprocessing unit, analog-to-digital conversion, bandpass filtering, accumulation of the envelope of the backscattering signal of the medium, characterized in that it produces a conversion of the dependence a plitudy reflected signal time after sending a signal to a logarithmic scale, an approximation of the graph line segment, fixed angle of inclination of this segment, and determines the density of the pulp as a function of angle through the back scattering coefficient of the medium.

2. The method according to p. 1, characterized in that in the envelope of the backscatter signal of the medium, built on a logarithmic scale, allocate areas corresponding to the pulp layers, for each of which produce a density determination.

3. The method according to p. 1 and 2, characterized in that they install two transducers with different operating frequencies, which provide different backscattering of the medium from materials with the same density, then determine the density and type of material in the pulp.