CN113640225B - 一种应用于硫酸锰生产的硫酸浓度监测*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于硫酸锰生产的硫酸浓度监测***，包括光源发射器、光接收面、光谱处理中心和浓度计算模块，所述光源发射器用于发射含有多种波长的光线，所述光线透过待测液体后被所述光接收面捕获，所述光谱处理中心根据光接收面的检测情况得到光谱图，所述浓度计算模块根据光谱图的变化情况计算得到硫酸浓度。本***是基于不同的离子对不同波长光线的吸收程度不同来检测氢离子浓度的变化，检测过程为非接触检测，不会对硫酸锰的生产造成影响，同时以检测氢离子浓度变化的方式来取代直接检测氢离子浓度的方式，能够最大程度地减少环境因素对检测的干扰。

Description

一种应用于硫酸锰生产的硫酸浓度监测***

技术领域

本发明涉及生产控制技术领域，尤其涉及一种应用于硫酸锰生产的硫酸浓度监测***。

背景技术

当前硫酸锰的生产中常见的是通过硫酸与锰矿石发生置换反应来获取硫酸锰溶液，在这个过程中，如何控制硫酸的量对硫酸锰的生产效率有较大的影响，而控制硫酸的添加量的前提是能够准确的实时监测硫酸的浓度，而目前应用于工业生产的硫酸浓度监测***存在不够准确的问题。

现在已经开发出了很多硫酸浓度监测***，经过我们大量的检索与参考，发现现有的监测***有如公开号为KR101204649B1，KR101204542B1、CN103335976B和KR100461964B1所公开的***，选择样品池；制备不同浓度的标准溶液样品；测量标准溶液样品的太赫兹时域光谱，建立标准溶液样品的太赫兹时域光谱数据库，该数据库包括标准溶液样品的时域光谱图、频域光谱图、浓度与吸收系数的关系谱图、浓度与折射率的关系谱图、浓度与消光系数的关系谱图；测量待测溶液的太赫兹时域光谱，对数据进行处理，得到待测样品的吸收系数；根据标准溶液样品的太赫兹时域光谱数据库分析测定待测溶液的浓度。但该***需要获取样品，无法做到实时监测，同时，测定过程受到环境因素的影响，测量结果可能存在偏差。

发明内容

本发明的目的在于，针对所存在的不足，提出了一种应用于硫酸锰生产的硫酸浓度监测***，

本发明采用如下技术方案：

一种应用于硫酸锰生产的硫酸浓度监测***，包括光源发射器、光接收面、光谱处理中心和浓度计算模块，所述光源发射器用于发射含有多种波长的光线，所述光线透过待测液体后被所述光接收面捕获，所述光谱处理中心根据光接收面的检测情况得到光谱图，所述浓度计算模块根据光谱图的变化情况计算得到硫酸浓度；

所述光谱处理中心在初始状态时处理得到的光谱图曲线为I(λ，0)，实时得到的光谱图曲线为I(λ，t)，其中，自变量λ为光的波长，因变量I为单位时间内接收到的对应波长光线的强度，t为实时时间，光谱图中对氢离子变化敏感的波段为[λ₁，λ₂]，对锰离子变化敏感的波段为[λ₃，λ₄]，其余变化幅度小于锰离子但又超过阈值的波段为杂质金属波段[λ_z1，λ_z2]、[λ_z3，λ_z4]、...、[λ_z(2n-1)，λ_z(2n)]，n为杂质金属的种类；

所述浓度计算模块根据光谱图计算得到氢离子的基础光强度I_H1、氢离子的实时光强度I_H2、锰离子的基础光强度I_M1、锰离子的实时光强度I_M2和杂质金属的变化光强度ΔI_z，再根据上述五个量计算得到氢离子的变化浓度ΔH：

其中，k₁为氢离子对[λ₁，λ₂]波段光线的吸收因子，k′₂为锰离子对[λ₃，λ₄]波段光线的吸收因子，k_z为杂质金属离子的综合吸收因子；

进一步的，所述氢离子的基础光强度I_H1的计算公式为：

所述氢离子的实时光强度I_H2的计算公式为：

所述锰离子的基础光强度I_M1的计算公式为：

所述锰离子的实时光强度I_M2的计算公式为：

进一步的，判断杂质金属波段的阈值为6％，当存在波长λ满足：

I(λ，0)-I(λ，t)>6％*I(λ，0)；

该连续的λ构成的区间对应一种杂质金属；

进一步的，所述杂质金属的变化光强度ΔI_z的计算公式为：

进一步的，所述光谱处理中心根据所述光接收面中的有效区域的检测值生成光谱图曲线，所述有效区域指的是所述光接收面中检测到经过矿石边缘的光线的区域，根据该区域的光谱图能够计算出矿石附近的液体在化学作用和扩散作用双重影响下的氢离子的浓度。

本发明所取得的有益效果是：

本***采用非接触式的方式对硫酸进行检测，检测过程对硫酸锰的生产不造成影响，通过分析初始状态的光谱图与实时的光谱图的差别来计算浓度变化，与直接根据光谱图检测硫酸浓度不同，本***采用的方式受环境因素的影响小，并结合能够准确获得的初始浓度，计算得到的硫酸浓度会更准确，而且本***生成的光谱图采用的光感应点是通过计算刷选后确定的，检测更有针对性。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1为整体结构框架示意图；

图2为光谱图曲线示意图；

图3为光谱图中的基础光强度示意图；

图4为光谱图中的实时光强度示意图；

图5为光谱图中的变化光强度示意图；

图6为光感应点有效区域的部分分布示意图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它***、方法和/或特征将变得显而易见。旨在所有此类附加的***、方法、特征和优点都包括在本说明书内，包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护。在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一。

结合图1，本实施例提供了一种应用于硫酸锰生产的硫酸浓度监测***，包括光源发射器、光接收面、光谱处理中心和浓度计算模块，所述光源发射器用于发射含有多种波长的光线，所述光线透过待测液体后被所述光接收面捕获，所述光谱处理中心根据光接收面的检测情况得到光谱图，所述浓度计算模块根据光谱图的变化情况计算得到硫酸浓度；

所述光谱处理中心在初始状态时处理得到的光谱图曲线为I(λ，0)，实时得到的光谱图曲线为I(λ，t)，其中，自变量λ为光的波长，因变量I为单位时间内接收到的对应波长光线的强度，t为实时时间，光谱图中对氢离子变化敏感的波段为[λ₁，λ₂]，对锰离子变化敏感的波段为[λ₃，λ₄]，其余变化幅度小于锰离子但又超过阈值的波段为杂质金属波段[λ_z1，λ_z2]、[λ_z3，λ_z4]、...、[λ_z(2n-1)，λ_z(2n)]，n为杂质金属的种类；

所述浓度计算模块根据光谱图计算得到氢离子的基础光强度I_H1、氢离子的实时光强度I_H2、锰离子的基础光强度I_M1、锰离子的实时光强度I_M2和杂质金属的变化光强度ΔI_z，再根据上述五个量计算得到氢离子的变化浓度ΔH：

其中，k₁为氢离子对[λ₁，λ₂]波段光线的吸收因子，k′₂为锰离子对[λ₃，λ₄]波段光线的吸收因子，k_z为杂质金属离子的综合吸收因子；

所述氢离子的基础光强度I_H1的计算公式为：

所述氢离子的实时光强度I_H2的计算公式为：

所述锰离子的基础光强度I_M1的计算公式为：

所述锰离子的实时光强度I_M2的计算公式为：

判断杂质金属波段的阈值为6％，当存在波长λ满足：

I(λ，0)-I(λ，t)>6％*I(λ，0)；

该连续的λ构成的区间对应一种杂质金属；

所述杂质金属的变化光强度ΔI_z的计算公式为：

所述光谱处理中心根据所述光接收面中的有效区域的检测值生成光谱图曲线，所述有效区域指的是所述光接收面中检测到经过矿石边缘的光线的区域，根据该区域的光谱图能够计算出矿石附近的液体在化学作用和扩散作用双重影响下的氢离子的浓度。

实施例二。

本实施例包含了实施例一的全部内容，本实施例提供了一种用于硫酸锰生产的硫酸浓度监测***，包括光源发射器、光接收面、光谱处理中心和浓度计算模块，所述光源发射器用于发射含有多种波长的光线，所述光线透过待测液体后被所述光接收面捕获，所述光谱处理中心根据光接收面的检测情况得到光谱图，所述浓度计算模块根据光谱图的变化情况计算得到硫酸浓度；

所述光接收面、光谱处理中心和浓度计算模块合称为检测装置，所述检测装置与所述光源发射器位于待测液体的两侧；

待测液体为硫酸，待测液体中置有锰矿石，所述硫酸中的氢离子与金属锰以及其余杂质金属反应，反应后待测液体中的氢离子会减少，取而代之的是金属离子，待测液体中的氢离子浓度反应了硫酸浓度，故只需检测氢离子浓度即可；

本***基于的原理是不同的金属离子和氢离子对不同波长的光的吸收幅度不同，当发射器发射的光通过待测液体被光接收面捕获后，通过对特定波长的光谱进行分析，能够得到液体中氢离子的变化情况；

结合图2，所述检测装置接收到光线的光谱图曲线为I(λ)，其中，自变量λ为光的波长，因变量I为单位时间内接收到的对应波长光线的强度，更具体的，在初始状态时检测到的光谱图曲线为I(λ，0)，称为对照曲线，实时检测到的光谱图曲线为I(λ，t)，称为实时曲线，t为实时时间，所述检测装置对所述对照曲线和所述实时曲线进行比较，其中，曲线升高的区域部分为氢离子对应的光线波长，该区域的波长范围记为[λ₁，λ₂]，曲线降低的区域部分为锰离子和其它金属离子对应的光线波长，降低最明显的为锰离子对应的光线波长，该区域的波长范围记为[λ₃，λ₄]，其余金属离子对应的区域的波长范围记为[λ_z1，λ_z2]、[λ_z3，λ_z4]、...、[λ_z(2n-1)，λ_z(2n)]，n为杂质金属的种类；

结合图3、图4和图5，所述浓度计算模块计算出对照曲线中氢离子部分的基础光强度I_H1：

所述浓度计算模块计算出对照曲线中锰离子部分的基础光强度I_M1：

所述浓度计算模块计算出实时曲线中氢离子的实时光强度I_H2：

所述浓度计算模块计算出实时曲线中锰离子的实时光强度I_M2：

所述浓度计算模块计算出杂质金属的变化光强度ΔI_z：

上述变量满足下述等式：

I_H2-I_H1＝k₁·ΔH-k₂·ΔM-k₃·ΔZ； ①

I_M1-I_M2＝k′₂·ΔM+k′₃·ΔZ-k′₁·ΔH； ②

ΔI_z＝k_z·ΔZ； ③

其中，ΔH为溶液中氢离子的浓度变化量，ΔM为溶液中锰离子的浓度变化量，ΔZ为溶液中杂质金属离子的浓度变化量，k₁、k₂、k₃分别为氢离子、锰离子和杂质金属离子对[λ₁，λ₂]波段光线的吸收因子，且k₁远大于k₂和k₃，k′₁、k′₂、k′₃分别为氢离子、锰离子和杂质金属离子对[λ₃，λ₄]波段光线的吸收因子，且k′₂远大于k′₁和k′₃，k_z为杂质金属离子的综合吸收因子；

由于杂质金属离子相对锰离子数量较少，故氢离子、锰离子和杂质金属离子变化量的关系为：

ΔH＝2*ΔM+ΔZ； ④

将①式与②式相加，得到：

I_H2-I_H1+I_M1-I_M2＝(k₁-k′₁)·ΔH+(k′₂-k₂)·ΔM+(k′₃-k₃)·ΔZ； ⑤

将④式转换成后代入⑤式，得到：

再将③式代入⑥式，得到：

又因为k₁远大于k₂和k₃，k′₂远大于k′₁和k′₃，⑦式可改写为：

所述光接收面上设有均匀分布的光感应点，由于光源发射器发射的光经过待测液体时，有部分光线会直接照射在矿石上而无法被所述光接收面捕获，所述光接收面上接收的光强并非均匀的，通过对光感应点的检测值分布进行分析得到有效区域，再根据有效区域中的光感应点统计得到对照曲线以及实时曲线；

所述有效区域指的是所述光接收面中检测到经过矿石边缘的光线的区域，根据该区域的光谱图能够计算出矿石附近的液体在化学作用和扩散作用双重影响下的氢离子的浓度；

在所述光接收面上位于坐标(x，y)的光感应点检测到的光强为I(x，y)，所述检测装置计算每个光感应点的渐变度C(x，y)：

搜索到最大的渐变度所在位置的光感应点，并以此为基准点不断搜索邻近区域中渐变度最大的光感应点，最终可得到由搜索到的光感应点构成的封闭曲线，所述封闭曲线视为矿石边缘在所述光接收面上的投影；

计算封闭曲线内部的光感应点的平均光强以及封闭曲线外部的光感应点的平均光强/>

其中，n_in为处于封闭曲线内的光感应点的数量，n_out为处于封闭曲线外的光感应点的数量，I_in(x，y)表示处于封闭曲线内的光感应点检测到的光强，I_out(x，y)表示处于封闭曲线外的光感应点检测到的光强；

计算封闭曲线上的光感应点的平均光强

其中，n_line为处于封闭曲线上的光感应点的数量，I_line(x，y)表示处于封闭曲线上的光感应点检测到的光强；

计算上述三个平均光强的变化比例P：

结合图6，与所述封闭曲线上的光感应点的坐标距离不超过Q且处于封闭曲线外的光感应点构成的集合为有效区域，所述Q的取值为：

其中，U为基础值，可在***内直接设定；

例如点(x₁，y₁)和点(x₂，y₂)的坐标距离为|x₁-x₂|+|y₁+y₂|。

虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。也就是说上面讨论的方法，***和设备是示例。各种配置可以适当地省略，替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行方法，和/或可以添加，省略和/或组合各种部件。而且，关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合，如可以以类似的方式组合配置的不同方面和元素。此外，随着技术发展其中的元素可以更新，即许多元素是示例，并不限制本公开或权利要求的范围。

在说明书中给出了具体细节以提供对包括实现的示例性配置的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践配置例如，已经示出了众所周知的电路，过程，算法，结构和技术而没有不必要的细节，以避免模糊配置。该描述仅提供示例配置，并且不限制权利要求的范围，适用性或配置。相反，前面对配置的描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

综上，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种应用于硫酸锰生产的硫酸浓度监测***，其特征在于，包括光源发射器、光接收面、光谱处理中心和浓度计算模块，所述光源发射器用于发射含有多种波长的光线，所述光线透过待测液体后被所述光接收面捕获，所述光谱处理中心根据光接收面的检测情况得到光谱图，所述浓度计算模块根据光谱图的变化情况计算得到硫酸浓度；

所述光谱处理中心在初始状态时处理得到的光谱图曲线为I(λ，0)，实时得到的光谱图曲线为I(λ，t)，其中，自变量λ为光的波长，因变量I为单位时间内接收到的对应波长光线的强度，t为实时时间，光谱图中对氢离子变化敏感的波段为[λ₁，λ₂]，对锰离子变化敏感的波段为[λ₃，λ₄]，其余变化幅度小于锰离子但又超过阈值的波段为杂质金属波段[λ_z1，λ_z2]、[λ_z3，λ_z4]、...、[λ_z(2n-1)，λ_z(2n)]，n为杂质金属的种类；

所述浓度计算模块根据光谱图计算得到氢离子的基础光强度I_H1、氢离子的实时光强度I_H2、锰离子的基础光强度I_M1、锰离子的实时光强度I_M2和杂质金属的变化光强度ΔI_z，再计算得到氢离子的变化浓度ΔH：

其中，k₁为氢离子对[λ₁，λ₂]波段光线的吸收因子，k′₂为锰离子对[λ₃，λ₄]波段光线的吸收因子，k_z为杂质金属离子的综合吸收因子；

所述氢离子的基础光强度I_H1的计算公式为：

所述氢离子的实时光强度I_H2的计算公式为：

所述锰离子的基础光强度I_M1的计算公式为：

所述锰离子的实时光强度I_M2的计算公式为：

判断杂质金属波段的阈值为6％，当存在波长λ满足：

I(λ，0)-I(λ，t)>6％*I(λ，0)；

连续的λ构成的区间对应一种杂质金属；

所述杂质金属的变化光强度ΔI_z的计算公式为：

2.如权利要求1所述的一种应用于硫酸锰生产的硫酸浓度监测***，其特征在于，所述光谱处理中心根据所述光接收面中的有效区域的检测值生成光谱图曲线，所述有效区域指的是所述光接收面中检测到经过矿石边缘的光线的区域，根据该区域的光谱图能够计算出矿石附近的液体在化学作用和扩散作用双重影响下的氢离子的浓度。