超声波矿浆粒度检测的非线性建模研究

论文摘要

在测量颗粒粒径的多种技术中,超声波衰减法以其无可比拟的优势得到各国研究人员的重视。比如:粒径的测量范围宽;适合高浓度的测量;具有非接触性特点,适合在线测量等。目前,该方法正成为一门快速发展的颗粒测量技术,国内在这一领域内的技术研究少见报道,开展这方面的研究以填补国内空缺已显得十分必要和迫切,其社会意义和经济价值显而易见。在分析现有超声衰减理论模型的基础上,将粒度分布函数集成到现有的超声波粒度检测理论模型中,建立了混合粒度分布下超声波粒度检测理论模型。在矿浆体系中固体颗粒的不规则形状、表面粗糙度以及细颗粒的絮凝对超声波衰减的影响很大,基于超声波衰减技术预测颗粒粒径时,应考虑颗粒不规则形状、粗糙度以及细颗粒的絮凝。采用ωτv作为长波长区域的矿浆体系的分形标度;而在散射区域采用κR作为该区域的分形标度,建立了基于分形修正的超声波粒度检测非线性模型。实测数据和模拟计算结果表明,在具有不同粒径的矿浆体系中,超声波粒度检测分形修正模型的预测值与实测数据相当吻合,这表明了该非线性模型的有效性。对该非线性模型中的粒度分布参数和分形维间偏离指数的反演方法进行了研究。利用混沌优化的遍历性和遗传算法优化的反演性,提出了采用改进的混沌遗传算法来反演计算颗粒的粒度分布参数和分形维间偏离指数,并给出了算法的实现步骤。对粒度分布参数和分形维间偏离指数进行反演计算时所采用的目标函数,既包含有粒度分布参数的信息,也含有颗粒分形维间偏离指数的信息。为了减少二者间的相互影响,提出了对分形维间偏离指数和粒度分布参数分开反演、交替进行、逐级进化的反演策略。从数值模拟和实验研究的结果来看,该算法具有较高的精度和稳定性。在基于分形修正的超声波粒度检测非线性模型中,矿浆浓度是一个未知数,在反演计算过程中,采用在矿浆浓度已知条件下参数反演计算和双波长法反演计算矿浆体系中颗粒粒度分布参数和分形维间偏离指数,其中采用双波长法对在线测量矿浆颗粒粒度分布具有十分重要的实际意义。用不同矿山的矿石对所建立基于分形修正的超声波粒度检测非线性模型进行了验证,结果表明,模型反演计算的结果和实测值十分吻合,说明了所建立基于分形修正的超声波粒度检测非线性模型的有效性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 文献综述
• 1.1.1 粒度测试技术
• 1.1.2 超声测粒技术及其理论模型发展和现状
• 1.1.3 非线性反演方法及应用
• 1.1.4 分形及其在矿业工程中的应用
• 1.2 选题的背景
• 1.3 主要研究内容
• 1.3.1 实验内容
• 1.3.2 非线性建模与参数反演
• 1.4 本章小结
• 2 超声波粒度检测实验装置及其工作原理
• 2.1 超声波粒度检测实验装置
• 2.1.1 测量槽
• 2.1.2 超声的发射和接收
• 2.1.3 控制器以及数据处理装置
• 2.2 超声波粒度检测的工作原理
• 2.3 本章小结
• 3 超声波在矿浆中传播的声衰减及超声波粒度检测的理论模型
• 3.1 超声波的声衰减机理分析
• 3.1.1 吸收衰减
• 3.1.2 散射衰减
• 3.1.3 扩散衰减
• 3.1.4 总衰减
• 3.1.5 非均相体系中声衰减区域图
• 3.2 基于超声衰减技术的矿浆粒度检测的理论模型
• 3.3 混合粒径情况下的超声波粒度检测理论模型
• 3.4 超声波衰减的影响因素分析
• 3.4.1 超声波频率的影响
• 3.4.2 固体颗粒密度的影响
• 3.4.3 固体体积浓度的影响
• 3.4.4 矿浆温度的影响
• 3.5 本章小结
• 4 改进的混沌遗传反演方法研究及粒度分布函数参数反演
• 4.1 改进的混沌遗传反演方法研究
• 4.1.1 标准的遗传算法
• 4.1.2 标准遗传算法的不足及其改进
• 4.1.3 改进的混沌遗传算法的特点
• 4.1.4 改进的混沌遗传算法的效率和性能分析
• 4.2 粒度分布参数的混沌遗传算法反演计算
• 4.2.1 磨矿产品粒度特性表达模式
• 4.2.2 粒度分布参数反演计算的适应度函数设计
• 4.2.3 粒度分布参数反演算法
• 4.2.4 混沌遗传算法粒度分布参数反演计算结果及分析
• 4.3 本章小结
• 5 混合粒径下超声波粒度检测理论模型的分形修正
• 5.1 颗粒的不规则性和絮凝的影响
• 5.2 分形修正的提出
• 5.3 混合粒径下超声波粒度检测理论模型的分形修正
• 5.3.1 混合粒级下的超声波粒度检测理论模型的分形修正
• 5.3.2 基于分形修正的超声波粒度检测非线性模型分形维间偏离指数的反演计算
• 5.3.3 单级别物料的实验及结果分析
• 5.3.4 混合粒径物料的实验及结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 基于分形修正的超声波粒度检测模型粒度分布参数非线性反演
• 6.1 矿浆浓度已知的条件下粒度分布参数反演
• 6.1.1 矿浆浓度已知条件下粒度分布参数反演目标函数的构造
• 6.1.2 矿浆浓度已知条件下参数的联合反演
• 6.1.3 矿浆浓度已知条件下参数的交替反演
• 6.2 双波长法粒度分布参数反演
• 6.2.1 双波长法
• 6.2.2 双波长法粒度分布参数反演目标函数的构造
• 6.2.3 双波长法粒度分布参数和分形维间偏离指数的交替反演
• 6.3 超声波粒度检测与激光粒度仪粒度检测的比较研究
• 6.4 本章小结
• 7 基于分形修正的超声波粒度检测模型的实际验证
• 7.1 广东河源下告铁矿石粒度分布测定
• 7.1.1 广东河源下告铁矿石性质及其磨矿矿样的SEM 分析
• 7.1.2 广东河源下告铁矿矿样的粒度分布测定
• 7.2 铜陵凤凰山铜矿铜矿石粒度分布测定
• 7.2.1 铜陵凤凰山铜矿铜矿石性质及其磨矿矿样的SEM 分析
• 7.2.2 铜陵凤凰山铜矿磨矿矿样的粒度分布测定
• 7.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录不同矿山矿样的超声波衰减实测数据
• 在学研究成果
• 致谢