乳化炸藥密度在線快速檢測與調控技術研究

胥雪萍，肖厚標

(廣東宏大民爆集團有限公司，廣東 廣州 511300)

乳化炸藥，自20世紀70年代出現以來，由于具有較好的爆轟和防水性能，且制造原材料來源廣、成本低等特點，目前已廣泛應用于采石場、隧道掘進、鐵路及公路等爆破作業中[1]。

乳化炸藥的密度是炸藥重要的物理參數之一，直接關系到炸藥起爆的可靠性及爆轟性能[2-3]。隨著乳化炸藥使用范圍的逐步擴大，其在工業炸藥中的占比也在逐年攀升。因此，實現乳化炸藥生產的連續化、自動化，以及產品質量檢測的智能化，是滿足乳化炸藥市場需求的關鍵[4-7]。目前，乳化炸藥生產過程中溫度、壓力及液位等參數均已實現了在線監控，但乳化炸藥的密度檢測還常采用人工抽檢，即離線檢測的方式，不僅費時費力，而且檢測結果具有一定的遲滯性，不利于指導現場生產[2]。隨著乳化炸藥自動化生產技術的不斷發展，研究乳化炸藥生產過程中密度在線快速檢測技術，實現乳化炸藥密度在線測量及調控，對于乳化炸藥生產過程中產品質量管控，提高生產線本質安全水平，保障乳化炸藥起爆的安全性及可靠性具有重要意義[8]。

1 常見的密度測量方法及應用

目前，常見的密度測量方法包括直接測量法和間接測量法。其中，基于密度公式的直接測量法原理較為簡單，且應用廣泛；而密度間接測量法一般基于密度與某物理量之間關系而得到，通常由探測傳感器接收到某一與密度有關的物理參數的變化信號，間接確定被測物質的密度，能夠實現連續不間斷地對物質密度進行在線實時檢測。間接測量法常見的有：密度聲波探測法、放射性同位素探測法、光電探測法、頻率震動探測法及動態稱重法等[9-11]。

上述密度間接在線檢測方法通常應用于石油工業及食品等領域的流體密度在線檢測，如低黏度油品、充填礦漿、乳化液、流體食品等，但在敏化后高黏度乳化基質密度在線測定方面的應用研究較少。

2 數字速率在線探測法

針對高黏度乳化炸藥的密度在線檢測，本文提出了一種數字速率間接探測技術。采用此技術構建的乳化炸藥密度在線檢測及調控系統原理示意圖如圖1所示。

該樣品密度在線檢測與調控系統包括兩部分功能，分別為在線檢測和調控，具體包含PLC控制器、變頻器、人機交互界面屏和加料電機，可設置于乳化炸藥裝藥機裝藥口處。數字速率傳感器可將管道內乳化炸藥的運動速率模擬信號轉換為電流信號傳輸給PLC控制器，之后由PLC控制器內程序算法對電流信號進行處理。依據密度與電流的線性關系，實現管道內乳化炸藥密度的在線實時檢測。將PLC控制器接收數字速率傳感器間接得到的密度值與實際標定的密度值進行對比；當該值不在標定的密度范圍內時，系統自動報警，同時，PLC控制器通過信號反饋調節變頻器輸出頻率來改變加料電動機的轉速，進而達到控制密度調節劑加料速度的目的，使得乳化炸藥密度控制在標定范圍內，以保證產品質量。

圖1 乳化炸藥密度在線檢測及調控系統示意圖

在線檢測系統的程序軟件部分包含樣品運動速率檢測系統、PLC控制系統、人機交互系統及變頻調控系統四個模塊，具體構成見圖2所示。本文中針對管道內乳化炸藥的運動速率檢測采用電阻應變式數字傳感器，PLC控制器采用可編程的存儲器進行信息存儲，并可執行必要的操作指令，通過模擬信號的輸入、輸出來實現相關過程的操控。變頻調控系統通過改變信號輸出頻率來調控加料電機的轉速，進而控制密度調節劑的加料速度。可通過人機交互系統直接對主機進行操控，使系統運作更加簡便。

圖2 樣品密度在線檢測系統組成

3 乳化炸藥密度在線實時檢測

3.1 系統標定

密度在線檢測系統的標定是利用樣品運動速率檢測系統對已知乳化炸藥密度的樣品進行標定，得到管道內乳化炸藥樣品密度與數字速率傳感器輸出電流信號之間具有較好的線性關系，見圖3所示。管道內乳化炸藥運動速率傳感器的理論檢測精度可達到0.030%。

圖3 樣品密度與輸出電流之間關系

通過現場試驗得到變頻器輸入電流、輸出頻率及加料電機轉速之間具體量化關系來實現變頻調速系統的標定。變頻調速系統的相關工作特性曲線如圖4所示。現場乳化炸藥生產過程中，變頻器輸出頻率與加料流量之間關系曲線如圖5所示。由圖4與圖5可看出，樣品運動速率檢測系統間接得到的樣品密度與輸出電流和變頻器調速之間均表現出較好的線性關系。

圖4 變頻調控系統工作特性曲線

當被測樣品的密度超出標定范圍時，樣品密度在線檢測與調控系統會及時發出警報，同時將信號反饋至PLC控制器，緊接著控制器通過調節加料電機轉速來達到在線實時調整樣品密度的目的。

圖5 變頻器調控頻率與加料流量之間關系

3.2 樣品密度在線檢測試驗

在乳化炸藥生產過程中，管道內乳化炸藥運動速率數字傳感器若能測得并輸出電流信號，則可根據圖2所述關系曲線得到管道內乳化炸藥的密度。通過將乳化炸藥密度試驗值與真實值進行對比可知，試驗相對誤差約為1.0%，分析認為該誤差主要產生于管道內乳化炸藥運動速率數字傳感器輸出電流信號反饋至PLC控制器時的信號匹配電阻誤差，同時線路電阻及溫度變化也會產生試驗誤差。后期通過修正PLC相關控制程序，所得樣品密度檢測結果平均相對誤差縮小至0.2%，試驗結果見表1。

表1 樣品密度在線檢測與調控綜合測試數值

乳化炸藥密度在線檢測與調控系統試驗綜合結果見表1所示。變頻器輸出頻率隨著被測樣品在線檢測密度值的變化而變化，并可根據密度在線檢測值自動調節，以實現樣品密度在線調控的目的。當樣品密度ρ<1050 kg/m3或ρ>1200 kg/m3時，樣品在線檢測與調控系統會及時發出警報并將信號反饋至PLC控制程序以調節加料電機的轉速，進而控制密度調節劑的流量，以使樣品密度處于標定范圍內；當樣品密度 1050 kg/m3≤ρ≤1200 kg/m3時，樣品在線檢測與調控系統工作正常，變頻器輸出頻率與樣品密度實時對應。

該樣品在線密度檢測與調控系統的信號輸入模塊自帶濾波功能，增強了管道內乳化炸藥運動速率數字傳感器記錄信號的抗干擾能力。PLC控制器基于數字濾波功能降低了反饋信號匹配電阻、線路電壓降及溫度變化等因素對檢測精度的影響。但系統運轉整體因素仍會使得樣品密度調控產生一定的滯后性，這主要是由于管道內乳化炸藥運動速率數字傳感器響應時間、PLC控制器反饋信號輸入/輸出處理時間、變頻器響應時間及加料電機運轉執行動作滯后等因素引起的。

4 結論

1)建立了樣品密度在線檢測與調控系統，包括在線檢測和調控兩部分，具體包含PLC控制器、變頻器、人機交互界面屏和加料電機，并對該系統進行了量化標定；

2)研究表明，管道內乳化炸藥運動速率數字傳感器輸出電流與樣品密度之間和變頻器調控工作特性曲線均具有明顯的線性關系；

3)試驗表明該樣品在線檢測與調控系統能夠實現乳化炸藥密度的在線檢測、實時顯示及信號自動反饋與調控，當樣品密度超出標定范圍時，該系統能夠及時發出警報，并通過PLC控制器對執行單元進行調控，以使乳化炸藥產品符合標準質量要求。