[工学]乳化液自动配比和在线测量研究.doc

中国矿业大学（北京）硕士学位论文目 录1 绪论11.1课题背景11.1.1乳化液简介11.1.2乳化液在煤矿中的应用21.1.3乳化液在煤矿应用过程中出现的问题31.2国内外研究历史、现状及发展趋势41.2.1乳化液配比41.2.2乳化液浓度检测71.2.3乳化液自动配比与浓度检测91.3课题研究的目的和意义91.4主要研究内容101.5本章小结102 乳化液质量控制技术分析112.1乳化液质量112.1.1乳化液质量指标112.1.2乳化液质量影响因素分析122.2乳化液的制备过程及质量控制122.2.1乳化液制备原料122.2.2乳化液制备原料的相互适应性152.2.3乳化液配比及质量保证162.2.4乳化液混合乳化及质量控制162.3乳化液的存储、使用及质量控制182.4人员素质与乳化液质量控制202.5本章小结223 乳化液自动配比与浓度检测系统总体设计233.1系统功能分析233.2系统总体设计243.3系统工作过程分析253.3.1系统工作原理253.3.2系统控制原理263.4子系统总体设计273.4.1乳化液自动配比装置总体设计273.4.2乳化液浓度检测装置总体设计273.5本章小结284 乳化液自动配比与混合乳化装置设计294.1容积式自动配比原理与在线管道多级混合方法294.1.1容积式自动配比原理294.1.2在线管道多级混合方法294.2水力式容积配比方案设计304.2.1椭圆齿轮流量计介绍304.2.2液压齿轮泵介绍314.2.3配比装置设计计算与使用说明324.2.4配比装置运行实验及分析364.3柱塞式容积配比方案介绍414.4混合乳化装置设计424.4.1三通混合元件设计选用424.4.2静态混合器设计选用434.5本章小结455 乳化液浓度检测部分设计465.1检测原理方案介绍465.2方案选择475.3乳化液折射特性实验研究485.3.1实验材料及仪器485.3.2实验过程485.3.3实验数据及处理485.4棱镜反射法方案检测系统详细设计525.4.1测量原理详细分析525.4.2测量装置光学系统及元件设计525.5本章小结586 结论与展望59参 考 文 献61致 谢63附录 装置实物图651 绪论介绍了乳化液的基本知识和其在煤矿生产中的应用及存在的问题。论述了乳化液自动配比与浓度检测的意义，详细总结和归纳了乳化液自动配比与浓度检测领域的研究状况、发展趋势以及不足之处，根据上述的分析研究，提出了本课题研究思路和技术路线，并对本课题研究的主要内容进行了总结。1.1课题背景1.1.1乳化液简介两种互不相溶的液体（如油和水），当一种液体以球形小液滴的形式精细地分散到另一种液体中，由于早期的这种液体混合物呈乳白色，故就被称为乳化液。其中，以小液滴形式存在的液体被称为分散相（也称作内相），另外一种连续液体被称为连续相（也称作外相）。乳化液有两种类型1：如果将油分散到水中，即油作分散相，水作连续相，得到的乳化液就叫做水包油型（O/W）乳化液；相反的情况就是油包水型（W/O）乳化液。在油包水型乳化液中，主要成分是油，其中含15%40%的水，而水以小水滴的形式均匀分散在油里；水包油型乳化液的主要成分是水，油只占其中的2%15%，而油成细油滴分散在水里。乳化液有稳定性的，半稳定性的及不稳定性的2。稳定性的乳化液液滴直径很小，在0.01-0.1m之间，外观呈透明或半透明状，这种乳化液被称为微乳化液，是热力学稳定体系。半稳定性的乳化液液滴直径较大，在0.1-1m之间。称为细乳化液。不稳定乳化液液滴直径大于1m，称为粗乳化液。细乳化液和粗乳化液统称普通乳化液，这种乳化液对可见光的反射比较显著，具有不透明、乳白色的外观，是热力学不稳定体系。我们通常所说的乳化液就是指普通乳化液。普通乳化液和微乳液的性质见表1.1。 表1.1 普通乳化液和微乳液性质比较3Table 1.1 Compare of emulsion and micro-emulsion 普通乳化液微乳液性质外观不透明透明或近乎透明质点大小大于0.1m，一般为多分散体系0.010.1m，一般为单分散体系质点形状一般为球状球状热力学稳定性不稳定，用离心机易于分层稳定，用离心机不能使之分层表面活性剂用量少，一般无需助表面活性剂多，一般需要加助表面活性剂与油、水混溶性O/W型与水混溶，W/O型与油混溶与油、水在一定范围内可混溶根据热力学理论，乳化液不能自发形成。因此，要使一个油水两相体系变成乳化液，必须由外界提供能量。主要方法是分散法，即通过搅拌、超声波作用或其他机械分散作用使两种流体充分混合，最终使得一相分散在另一相中。 1.1.2乳化液在煤矿中的应用随着煤炭开采机械化和自动化水平的提高，煤矿井下支护设备也随之不断发展。目前，煤矿普遍采用高档普采和综采工艺采煤，其中，高档普采工作面采用单体液压支柱作为支护设备；综采工作面采用自移式液压支架作为支护设备，它由立柱、油缸、顶梁、底座、各种控制阀及管路组成，它的支撑、升降、移动、推溜和过载保护都是借助压力液体，在一定结构的管路和控制元件组成的系统中流动，来实现能量的传递和转化，是综采工作面的关键设备之一。无论是普采的单体液压支柱，还是综采的自移式液压支架，它们均属于液压传动支护设备，都需要传动介质来传递动力。这就涉及到工作介质的选择问题。目前，煤矿液压支护设备均采用水包油型乳化液作为工作介质。液压系统工作介质的选用经历了一下演变过程：早在1650年，巴斯卡就总结出液体中压力传播的原理，即著名的巴斯卡静压传递原理：“密闭容器中内的液体能把它在一处受到的压力，大小不变的向内部各点和各个方向传递”。但由于受到当时的技术水平和生产条件的限制，直到1795年，约瑟勃莱姆富才利用这一原理，发明了水压机。由于用水作传动介质具有安全、经济、稳定和对人体无害等优点，在最初的一个相当长时期内，主要是用水作为传动介质。水压机的名称一直沿用至今便是证明。但是，由于水又有粘度低、润滑性差、容易使金属锈蚀等缺点，所以给水压机的推广应用带来了很大困难。所以，在二十世纪初期，随着石油工业的兴起和发展，人们开始逐渐采用石油基矿物油作为液压系统工作介质。开始，大都采用一般润滑油作为传动介质，继而又发展成采用专用液压油作为液压传动介质。使用液压油作液压传动介质后，消除了用水作传动介质时粘度低、润滑性差和易使金属锈蚀等缺点，所以液压油广泛应用于各种液压传动系统，是比较理想的工作介质。但随着液压技术的迅速发展和液压传动系统使用范围的扩大，原有的石油基液压油工作介质，在抗磨性，粘温性和抗氧化稳定性等方面愈显不足。二十世纪五十年代初，煤矿井下开始使用液压支护设备支护和管理工作面顶板，并且用液压油作为传动介质。然而，油是易燃的，尤其是在19.629.4MPa压力的情况下，从破裂油管中喷出的液压油往往呈细雾状，只要遇上300400的热源就会着火4，特别是现在液压系统的工作压力不断提高，这个问题更为突出，这在接近火源的地方极易引发火灾。特别是在某些严禁烟火、防爆的工作环境中，比如煤矿井下，这个缺点更是致命，这在煤矿井下是绝对不允许的。而且，当煤矿井下发生火灾时，液压油的易燃性常常导致灾情的恶化，油的燃烧加速火势的蔓延，而且油燃烧产生的浓烟和刺激性气体会妨碍救援工作的顺利进行。所以，为了克服水做传动介质时润滑性差、易使金属锈蚀以及油作传动介质易着火、价格高等缺点，五十年代以后，研制开发了一种难燃液压工作介质乳化液，它综合了水和石油基矿物油的优点，使液压传动设备在煤矿井下得到了广泛推广和应用。目前我国煤矿广泛采用质量浓度为3%-5%的水包油型乳化液，即按重量用3%- 5%的乳化油，再加97%-95%的水，配制成乳化液。乳化油是在基础油中加入乳化剂、防锈剂、偶合剂、防霉剂、抗泡剂、络合剂等各种添加剂制成的。这种乳化液的优点是：粘度小粘温性好、管道阻力损失小、来源广、价格低、不会燃烧、安全性好、不易生成泡沫、空气的溶解度低；加入一些添加剂，能使金属构件有足够的防锈性，对橡胶等密封材料有良好的适应性，有一定的润滑性能，对人体皮肤无刺激等5,6。综合机械化采煤是采煤工艺的发展趋势，作为综采标志性设备的自移式液压支架，它的工作性能对综采工作面的生产效率、安全性等经济技术指标有很多影响。同样，在高档普采中，单体液压支柱也是如此。在液压系统中，工作介质被誉为液压系统的“血液”，其性能对液压系统的正常工作有着很大的影响。而作为自移式液压支架和单体式液压支柱工作介质的乳化液，其质量的好坏对液压支架和单体液压支柱工作的可靠性和安全性和使用寿命也就有着很大的影响，从而影响工作面的生产效率和安全性，特别是自移式液压支架电液控制系统的使用的普及，对乳化液的质量提出了更高的要求。因此，保证乳化液的质量和供给是保障煤矿井下工作面生产顺利进行必不可缺的条件。此外，除了用于自移式液压支架和单体液压支柱等支护设备，乳化液在煤矿中的应用范围在不断扩大。2000年，西安煤矿机械厂与西安科技学院合作，对MAX-500/4.5H型电牵引采煤机的液压调高系统进行了改进设计，用乳化液取代矿物油作为传动介质，获得了成功，使采煤机的体积减小了大约12%，同时成本也下降了约6%，开创了乳化液在采煤机上应用的先例。自此，乳化液代替矿物油作为采煤机液压调高系统的工作介质在煤矿普及开来。在2009年举办的第十三届中国国际煤炭采矿技术交流及设备展览会上，北京科玛格机电技术有限公司展出了其生产的乳化液钻机和工具产品：W-50/80手持式乳化液钻机；WSP-500架柱式乳化液钻机；RWU-50乳化液凿岩机；SPA系列乳化液马达；HPT-95便携式乳化液带锯；HZU220-1乳化液扳手；ALAN乳化液切链器；SMH 30乳化液螺母劈裂器等。另外，部分煤矿运输设备，液压推溜装置等也有使用乳化液。可以预见，随着液压传动设备技术的进步，乳化液以其无所比拟的优势，在煤矿设备中的应用将越来越广泛，乳化液的配制和质量控制将越来越重要。1.1.3乳化液在煤矿应用过程中出现的问题目前，煤矿在使用乳化液的过程中主要有两方面的问题：一是各种原因的乳化液损耗造成的补液问题，即乳化液数量控制问题；二是乳化液质量控制问题，包括浓度、油滴粒度、清洁度。（1）补液问题：由于液压支架尤其是单体液压支柱的工作特点，造成乳化液的大量流失，主要表现在以下三方面:1）支架液压系统管路长，元件和执行机构多，会造成乳化液的沿程损失；2）在液压支架支撑承载的恒阻阶段，当顶板压力增大时，液压支柱活塞腔内被封闭的油液压力就迅速升高，当压力值超过安全阀的动作压力时，支柱活塞腔的高压液体经安全阀泻出，直到压力小于安全阀的动作压力，才停止泻液；3）对于单体支柱液压系统，液压支柱大部分为外注式，外注式液压支柱回柱时，由于必须将腔内的乳化液排放到外面，每一个支柱回柱一次必须从柱内排放12Kg的乳化液，乳化液不回收。以上几种情况表明，在煤矿生产工作面，必须及时向泵站液压系统补充乳化液来弥补各种损耗。但目前，煤矿工作面乳化液泵站普遍采用人工手控配液进行补充，这种补液方式对人员的依赖性大，随意性强，不能实现自动科学合理的补液。（2）质量控制问题：1）浓度控制问题。乳化液中乳化油的质量百分比，即乳化液的浓度是评价乳化液性能的一个重要指标。乳化液的浓度对乳化液的使用性能影响很大。浓度过小会降低抗硬水能力、稳定性、防锈性、润滑性和霉菌抑制性，使液压元件受到水的侵蚀而生锈，影响液压系统的工作寿命，甚至导致液压支架失去支撑能力而引起重大的恶性事故；浓度过高会降低消泡能力和增大对橡胶密封材料的溶胀性，刺激皮肤，冷却性差，同时使乳化油用量增加，生产成本提高。对乳化液泵而言，乳化液浓度不达标，会导致液压系统控制阀堵塞，液压缸损害。因此，必须严格控制乳化液浓度。乳化液的浓度靠配制和检测来保证。乳化液配比浓度受很多因素的影响，包括水压、水质、温度、流量、配比装置精确度等。目前工作面乳化液泵站大都采用人工手控配液，配比精度差，甚至凭借经验单独的加水和加油，以致乳化液浓度或高或低，偏离合理值较远，严重时甚至完全是水。同时，乳化液浓度检测也大都采用便携式的糖量计，人工目视读数，主观性大，不能实现精确检测，效率低。2）油滴粒度控制问题。乳化液作为一种浊液，其分散相的尺寸（细度）和均匀度对于乳化液的稳定性和润滑性和防锈性有着根本直接的影响。油滴的粒度分布情况是由混合乳化过程来决定的。在实际生产中，这一点一直未引起人们足够的重视。3）污染控制问题。污染控制问题是所有液压系统的一个普遍的问题，采用乳化液作为工作介质的煤矿液压系统也不例外。目前，因乳化液污染而造成的问题有密封失效，液压元件动作失灵等。这些故障导致液压系统工作失效，不仅降低了设备寿命，更重要的是影响了生产的安全。特别是液压支架电液控制系统，与手动控制方式相比，其对乳化液清洁度的要求更高，因此，随着液压支架电液控制系统的普及，乳化液污染控制问题将更加突出，重要。煤矿安全规程第六十七条12项规定“乳化液的配制，水质，配比等必须符合有关要求，泵箱应设自动给液装置，防止吸空”。综采工作面采用液压支架，要求乳化液浓度为5%，不小于4%。高档普采工作面采用单体液压支柱，要求乳化液浓度不低于3%。因此，乳化液的浓度检测就极为重要，是煤矿井下工作面乳化液泵站不可或缺的一部分。乳化液浓度检测技术的研究也就成为一个十分迫切的课题。1.2国内外研究历史、现状及发展趋势1.2.1乳化液配比目前，国内外乳化液的配液方式己经由人工混合、手控机械配液，发展到了自动配液，自动配液是未来配液方式的发展方向。（1）人工混合：1）人工地面混合。乳化液在地面按比例配制好后再运入井下，根据需要人工向泵箱添加。此方法虽然操作容易、乳化液的浓度能够保证，但储运环节多，清洁度差，操作人员劳动强度大；准备周期长，乳化液因本身不稳定而质量下降。这种方式比较落后，现己基本被淘汰。2）人工现场混合。利用泵箱水管直接加水，通过泵箱观察口直接向乳化液箱内倒入部分乳化油加以混合。这种方式靠人工目测控制液位，操作人员凭经验控制加水量和加油量，主观性大，乳化液浓度难以保证，而且泵箱长期处于敞开状态，清洁度差。此外，乳化油和水的扩散混合需要时间，时空均匀性差。这种方式已很少使用。（2）手控机械配液：其液压系统原理如图1.1所示，由截止阀和配液阀组成。配液阀由喷嘴、接受混合室和扩压管组成。煤矿现在使用的泵站乳化液箱，大都自带这种装置。其工作原理是根据喷射泵原理，引射压力中性水通过配液阀的喷嘴以高速喷入混合室在该处造成负压，将乳化油吸入到主喷射流中，使中性水与乳化油充分混合成一定浓度的乳化液。为调节浓度，在被引射的乳化油管上安装可变节流装置。该方式依靠人工目测液位，手动控制配液，操作简单，同时水作动力，水油联动，无需外部动力，油水也实现了预先混合。但靠经验进行浓度的调节，操作者不易掌握，而且，在浓度调定后，水压和流量的波动会改变水油的比例，配比精度不稳定。而且各矿的水压和流量状况也不尽相同，因此这种装置使用维护的移植性差，可靠性不足。故新设计的乳化液泵站基本不采用这种方式。图1.1 手控配液液压系统原理图Fig.1.1 Hydraulic system principle map of manual mixing emulsion（3）自动配液：目前主要有两种，一种是机械式自动配液，它根据乳化液箱液位自动控制配制乳化液7,8,9,10，其典型液压系统原理图如图1.2所示。图1.2 液位自动配液液压系统原理图Fig.1.2 Hydraulic system principle map of automatic mixing emulsion of liquid position工作原理：具有一定稳定压力的补充水源经过射流阀4中的射流管A以高速射入混合室B中，使混合室B内的压力低于外界大气压力。因而混合室B内产生吸入压头，将乳化油从油箱7、经可调节流阀6、单向阀5吸入混合室A内，与水混合形成具有一定浓度的乳化液。为了使混合的浓度达到要求，系统设置了可调节流阀6，并配以测量仪来控制乳化油的注入量，当混合的浓度达到规定的要求后锁定节流阀6即可。为了防止补充水源倒灌入油箱7，系统中设置了单向阀5。为避免乳化液箱的吸空或乳化液外溢，采用浮球控制方法，以控制乳化液箱11内乳化液的高、低液位。当乳化液箱11内的乳化液处于低液位时，浮球10下降，通过杠杆的作用，使滑阀9处于导通状态。此时，由滑阀9发出液控信号使滑阀3导通，补水系统开始供水。反之，当乳化液箱11的乳化液高于某一设定的液位时，浮球上升带动杠杆使滑阀9关闭，此时滑阀3失去液控信号，在自身弹簧的作用下复位关闭，补水系统停止供水。这种自动配液方式，浮球阀自动控制滑阀（开关阀）代替了手控机械配液中的手动截止阀，控制系统简单、方便、易维护。但工作时，要特别注意保持浮球阀的良好工况，保证其动作灵敏可靠。而且，相对于手控机械配液方式，这种自动配液方式仅改进了补液控制方式，实现了自动补液，但其他方面没有改进，手控机械配液的其他缺点仍然存在。另一种是利用传感监测技术的电控自动配液。最早研制生产的自动配液装置为就是这一种，引进的一些国外泵站大都采用这种方式。但由于我国煤矿井下工人不能完全适应，电控系统不易维持和掌握，因此弃之不用者居多。国内的一些院校和设备厂家也进行了这方面研究和开发11。这一种，又分为两类，一类是水油独立方式，但这种电控配液方式通过流量传感器单独控制水路和油路12,13，或者水路保持流量恒定，通过调节油的供给量实现一定浓度的配比14,15,16，水油之间独立，通过电控系统进行控制协调，结构复杂，可靠性差，配置效果也不理想。因此，这种电控自动配液仅限于实验研究，没有获得普及应用。还有一种采用两个独立液压缸的用继电器控制的配比系统17，水油独立，通过两个缸体保证比例，但其受水油供给压力和流量的影响，难以精确保证两个液压缸运动的同步。另一类，是水油联动方式。这种又分为两种类型，一种是射吸式，即利用文丘里管18,19或者喷射泵20结构原理，实现水油联动。在结构上与手控机械配液和机械式自动配液基本相同，只是控制方式改用了电控。因此，手控机械配液的缺点依然存在，仍不能实现稳定精确的配比。另一种是容积式，即水路和油路都采用容积式装置供液，并且通过一定的方式进行联动，这样它们的容积就保持了确定的比例，从而实现了水油的精确配比。目前提出的有双缸定比式21和马达油泵式22,23,24,25。神华集团神东公司进口的乳化液泵站有些就采用了马达油泵式26。兖矿兴隆庄煤矿研制了一种采用乳化液马达作为第三方动力的配比装置27，通过水泵和并联，也实现了乳化液的容积式精确配比。在自动配液的各种实现方式中，容积配比方式能较好的克服其他几类方式的缺点，具有结构简单可靠，配比精确稳定的综合性能，是最有前景的一种自动配液方式。通过以上分析，乳化液配比方式总结归纳如下：按配制方式分：人工混合；手控机械配制；自动配制按控制方式分：人工手控；机械自动控制；电子自动控制按水油供给的关联性分：水油独立式；水油联动式1.2.2乳化液浓度检测目前，乳化液的浓度检测方式己经经由破乳法、折光仪法，朝传感器自动检测的方向发展，自动检测是未来浓度检测的发展方向。现在，破乳法在煤矿已经不再采用，煤矿井下现场普遍采用便携式乳化液折光仪来检测浓度。检测方法的发展历程如下：（1）破乳法：破乳法检测是在乳化液样品中加入破乳剂（一种表面活性物质），它能使乳化液的分散体系破坏，以达到乳化液中各成分分离出来的目的，利用其化学作用将乳化状的油水混合液中的油和水分离开来，从而得到乳化液中油和水的比例值，计算出其浓度值。这种方法需要取样离线操作，操作周期长，不适合井下泵站现场使用，尤其是其滞后性，不能及时测出乳化液的实时浓度，因此，对于浓度控制极为不利，现已不用此法检测浓度。（2）折光法：折光仪法是根据折射定律，即光从一种介质进入到另一种介质时在界面上会发生折射，介质折射率不同，光线的折射程度也就不同。而介质的折射率和介质的浓度有一定的关系，根据浓度和折射率的相关性，通过一定的光学折射方法，测定介质折射率，也就测定了介质的浓度。通常利用的是光学折射中的临界折射现象，即光从光疏介质射入光密介质时，当入射角为90°（掠入射）时，出射角达到最大，这个角度被称为临界角，所有入射角度的光线，其出射光线均在临界角内，而临界角外没有光线。这样就形成了一个亮区，一个暗区，他们的分界线就是临界角处的光线。而介质的折射率不同，临界角也就不同，这样亮区和暗区分界线的位置也就不同。据此原理制成折光仪器，光线进入待测液体，在待测液体和棱镜表面发生折射，从目镜中观察出射光线，可看到视场中有明暗分界线，根据浓度和折射率的关系，配以适当标度的刻度板，则该分界线就指示了相应的浓度，分界线不同，浓度也就不同。常见的有阿贝折光仪和便携式折光计。其中，阿贝折光仪在实验室中应用，工业现场常用的是便携式折光计。最典型的就是糖量计，它是基于含糖溶液的折射率正比于浓度的原理设计的。目前，煤矿井下乳化液泵站普遍采用这一方式来检测乳化液的浓度。相对于破乳法，这种方法可以及时地测定乳化液的浓度，操作简单，但由于其还是离线的，仍需对乳化液人工采样，故不能实现不间断的浓度监测，而且由人工目视读数，主观性大，不符合未来井下设备状态监测的要求和发展趋势。（3）传感器自动检测：传感器的出现和应用使人类对客观世界的感官突破了自身感官能力的限制，对客观事物的了解更加深入，掌控更加有效。而且，利用传感器检测有利于生产过程的自动化，因此，在检测领域，通过传感器获取目标对象的某一属性数据是检测方式发展的必然趋势和必由之路。乳化液浓度的检测也不例外。随着科学技术的进步，各种乳化液浓度传感检测技术不断出现，主要有：1）光吸收法28：这种方法是根据郎伯-比尔定律，即A=lg(1/T)=Kbc ，其中A为吸光度,T为透射比,是透射光强度比上入射光强度，c为吸光物质的浓度，b为吸收层厚度，它的物理意义是当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时,与其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比.根据这个关系，在固定吸收层厚度的前提下，通过测定透射比即可测定物质的浓度。这种方法用于测定乳化液浓度时，做了简化处理，即忽略界面反射和散射，而事实上反射和散射是显著的，不可忽略的，因此，这种方法的测量精度不高。2）光学浑浊度法：这种方法利用乳化液浓度的变化表现为其混浊度的变化这一特性，通过检测乳化液的混浊度，从而检测乳化液的浓度。测量混浊度是测量在水或类似液体中悬浮颗粒的相对量，测量混浊度并不是对悬浮颗粒进行直接测量而是测量这些粒子在光照下所具有的吸收和散射效应29。浊液分散体系所散射光的量取决于分散质的尺寸、形状、分散系的组成和折射指数。因此，在控制其他因素的前提下，通过测量光的散射量来反映分散系的组分浓度是可行的。霍尼韦尔公司研制开发了系列浑浊度传感器，中国矿业大学（北京）的李明用APMS-11GVCF-KIT型进行了乳化液浓度检测的实验研究，效果尚可，但由于乳化液中液滴尺寸等因素的影响，测量稳定性不是很理想。3）电容法30：由于多相流体各分相具有不同的介电常数，当流体通过电容极板间所形成的检测场时，由于相浓度的变化会引起流体等效介电常数的改变，从而使传感器的电容输出值随之改变。因此，电容值的大小即反映了两相流的相浓度。但在实际的两相流动过程中，流型变化很复杂，电容传感器检测场灵敏度分布的不均，使得测量结果不仅与相浓度有关，而且受相分布及流型变化的影响，测量误差较大，而且相浓度的变化引起的电容量的变化十分微小，若使电容传感器具有很高的检测分辨率，传感器必须具有较强的抗杂散电容的能力。因此，此法仅在实验室进行了实验研究，未能实现工业应用。4）超声波法：此法利用超声波在乳化液中的传播特性(声速，声衰减)来测定乳化液的浓度。浓度不同，传播特性也就不同。常用的就是声速法31和声衰减法32。声速法就是通过测量超声波穿过一定厚度的乳化液所消耗的时间（即间接测量声速）来反映乳化液的浓度。声衰减法是通过测量超声波穿过一定厚度的乳化液后的强度变化来反映乳化液的浓度。从理论上来讲，超声波法是一种可行的方法，但是由于超声波的传输特性不仅受乳化液浓度的影响，还受乳化液中分散相液滴尺寸等因素的影响，因此，实测中影响因素多，测量误差较大。综合上述分析可知，现存的各种乳化液浓度在线自动测量方法都存在不同方面，不同程度的问题，因此，寻找一种新的检测方法，研制一种简单可靠的乳化液浓度传感器是乳化液浓度在线检测领域的一个亟待解决的难点。1.2.3乳化液自动配比与浓度检测随着科学技术的发展和生产自动化程度的不断提高，工业生产设备的自动化，集成化程度不断提高。在这个大趋势下，乳化液自动配比与浓度检测也走向集成一体化。随着本质安全型电控的发展，乳化液的自动配比普遍采用电控方式来实现自动运行，而浓度检测也开始走向传感器自动在线检测，而且配比和检测本身就存在着关联，因此，将乳化液自动配比的电控系统和在线检测的信号处理系统合二为一成为一个必然。目前，一些院校也在从事这方面的研究，将各种电控自动配比方法和自动检测方法相结合，进行了一些探索和实验。中国矿业大学（北京）的王正良等人将基于单片机的电控水油独立式自动配比和阻容式检测结合起来，进行了自动配比与浓度检测的系统研究。西安科技大学的王晓丽等人将基于单片机的电控水油独立式自动配比和富士的超声波浓度传感器结合起来33。此外，也采用了研华工控机作为控制核心进行了研究34。太原理工大学的宋理敏等人将采用PLC的电控水油独立式自动配比和浓度传感器结合起来35，提出了一种系统方案。泰山医学院的张勇等人将基于单片机的电控水油独立式自动配比和超声波传感器结合起来36,37，进行了相关研究。从目前的研究情况来看，乳化液的自动配比与浓度检测的结合是该领域的必然趋势，但目前的研究仅停留在实验室阶段，未能实现工业现场的普及应用，因此，研制一种简单可靠实用的适合煤矿井下泵站现场使用的自动配比与浓度检测系统是目前的关键所在，也是一个难题所在。1.3课题研究的目的和意义目前，乳化液浓度的自动在线检测还是一个空白，乳化液的自动配比也一直停滞不前，未有突破。本课题根据乳化液在煤矿开采生产中的应用，采用系统的观点，对乳化液从制备到使用全过程所涉及的问题做了系统分析研究。通过对现有的乳化液自动配比方式和浓度检测方式进行对比分析，提出了一种新的简单可靠的乳化液自动配比方案，针对目前乳化液浓度在线检测的不足，提出了一种可靠实用的乳化液在线传感检测方法，并将两者相结合，实现了集成一体化。本课题研制的这套系统克服了现有配比方式和检测方法的缺点，从而保证了乳化液的质量，节约了资源，减轻了相关人员的劳动强度，减少了人员的使用，提高了煤矿井下乳化液泵站的自动化水平，为煤矿的安全生产提供了切实有力的技术保证。这套系可以向煤矿乳化液泵站提供浓度稳定，质量可靠的乳化液，从而保证了煤矿井下支护设备的使用性能和使用寿命，降低了支护设备的故障发生率，这对于提高煤矿生产的整体自动化水平，保障煤矿安全生产具有重要的现实意义。1.4主要研究内容本课题研究开发了一套实用的乳化液自动配比与浓度检测装置，该装置实现了乳化液的自动可靠配比和较精精确地浓度检测。课题研究的主要内容如下：（1）系统分析乳化液制备和使用全过程中的各种影响因素，并提出相应的方法措施。（2）着重分析了在乳化液制备和使用维护过程中相关人员素质的重要性。（3）提出乳化液的两种容积式自动配比方案，并进行对比分析。（4）实验研究利用井下压力水源、高精度水力马达、传动机构和吸油泵实现乳化液自动配比的新方法。（5）研究乳化液的混合机理和乳化液混合乳化质量的重要性，提出一种简单高效的混合乳化方案，并对其进行了详细设计，配制高质量的乳化液。（6）提出了一种基于光折射检测乳化液浓度的自动传感检测原理，对于各种实现方案进行分析，获得了最佳方案，并对其进行系统设计。1.5本章小结本章主要介绍了课题研究的背景、国内外的研究现状和发展趋势、课题研究的目的和意义以及本课题研究的主要内容。在分析和总结了目前乳化液自动配比与浓度检测领域的研究现状基础上，提出了本课题需要研究的内容，明确了研究的关键和难点，为课题的顺利进行奠定了坚实的基础。652 乳化液质量控制技术分析总结了乳化液质量指标，系统分析了影响乳化液质量的因素。从系统的观点出发，讨论了制备原料，制备方法及使用整个过程对乳化液质量的影响及相应的质量控制问题。特别分析了人员素质对于乳化液质量控制的影响，强调了人作为质量控制主体的重要性。采用全面质量管理的理念，将质量控制的思想和方法贯穿乳化液的整个生命周期，为后续的课题研究打下坚实的理论基础，也为今后乳化液的全程质量控制提供了新的较为系统的思想理念，有利于建设资源节约，高产高效生产工作面。2.1乳化液质量2.1.1乳化液质量指标乳化液由于具有优良的综合性能，特别适合用作煤矿井下环境中液压设备的工作介质。作为一种高水基液-液分散体系，与传统的石油基液压工作介质相比，它的组成和形态更加复杂，质量控制指标更多。从性能的角度来考察，乳化液所应具备的质量指标有：（1）润滑性：乳化液应保证有相对运动的工作表面间有良好的润滑状况，降低阻力和磨损。其机理是乳化液中的油滴吸附在金属表面，形成一层油膜，从而形成油膜润滑。（2）防锈性：由于设备都是主要采用钢材制造，乳化液应有效地防止设备生锈腐蚀，保持接触表面的光洁。其机理是乳化液中的油滴吸附在金属表面，形成一层油膜，从而隔绝了金属与空气和水的接触，达到防锈的效果。（3）消泡性：混入乳化液中的空气会给液压系统造成震动和噪声，危害设备安全可靠的工作。（4）稳定性：乳化液理论上是不稳定体系，由于乳化液的不是瞬时即配即用，因此在其整个生命周期内，乳化液应保持理化性质的相对稳定。主要有室温稳定性、热稳定性和振荡稳定性。电液控制系统对稳定性要求更高。（5）防霉性：乳化液容易受微生物的侵蚀，发生析油、析皂以及酸值增大的现象，引起乳化液腐败变质，产生刺激性气味，对周围环境造成污染，不利于矿工健康，因此乳化液应具备防止霉变的性能。（6）橡胶溶胀性：由于乳化油是有机物，密封橡胶与之接触产生溶胀，严重时导致密封失效，因此，必须严格控制乳化液的有机成分，即乳化油的含量。（7）清洁性：保持工作介质的清洁是所有液压传动系统的共同的要求，乳化液同样也要满足这个要求。电液控制系统对清洁度要求更高。（8）酸碱性：乳化液应保持合理的酸碱度，正常的PH值范围为7.59。PH值过高，对铝及有色金属引起腐蚀，并刺激操作者皮肤；PH值过低会引起钢铁锈蚀。 上述这些指标是保证系统正常工作的必要条件，是乳化液质量控制的基本依据。乳化液的制备和使用维护过程要紧紧围绕这些指标来进行。2.1.2乳化液质量影响因素分析结构决定性质，性质决定用途。乳化液的性能质量指标是乳化液质量控制的终极目标，它本质上是乳化液所应具备的性质，是质量控制的结果。因此，要想进行质量控制，必须从原因入手，即从乳化液的存在结构（赋存形态）入手。所谓乳化液的存在结构，是指乳化液的具体存在形态，包括化学组成情况和内部物理分布情况，这些都是由乳化液的制备过程和使用维护过程来决定的。从乳化液的整个生命周期来看，乳化液经历了乳化油和水分离，乳化油和水配比，乳化油和水混合乳化，乳化液存储，乳化液使用及污染控制过程。因此，乳化液的质量控制要进入到每一个环节。在乳化油和水分离阶段，要控制乳化液的质量和水的质量；在乳化油和水的配比阶段，要控制乳化油和水的比例，也就是乳化液的浓度；在混合乳化阶段，要控制乳化液的油滴分散程度；在乳化液的存储阶段要控制污染物的进入；在使用维护阶段要控制乳化液的清洁度。从乳化液质量控制的主体来看，人参与了乳化液质量控制的每一个环节，是乳化液质量控制全过程的主体，从这个意义上来讲，人是决定乳化液质量的核心因素，因此，要控制乳化液质量，提高相关人员的素质是第一要务。综上所述，在生产过程中，影响乳化液质量的因素及相关量化指标如下：（1）乳化油的质量和水的质量以及两者的相互适应性，相应的有乳化油和配液水量化指标，以及油水匹配指标（2）乳化油和水的比例，相应的有乳化液的浓度指标。（3）乳化油和水混合乳化效果，即乳化液中油滴的尺寸及分布情况，相应的有乳化液的油滴粒度及数量百分比指标。（4）乳化液存储和使用过程中的污染，相应的有清洁度指标。（5）相关人员的思想观念，知识，技能和管理控制，相应的有人员素质考核指标。2.2乳化液的制备过程及质量控制乳化液是由乳化油和水按一定的比例，通过一定的方式混合乳化而成。整个制备过程包括以下阶段：（1）乳化油和水分离阶段；（2）乳化油和水的配比阶段；（3）乳化油和水混合乳化阶段。2.2.1乳化液制备原料乳化油和水是制备乳化液的基本原料，对乳化液的质量有着基础性的影响。（1）乳化油乳化油是乳化液的核心成分，对乳化液的性能质量有着决定性的影响。乳化油是由基础油和各种添加剂组成的，添加剂包括乳化剂、防锈剂、防腐抑菌剂、络合剂、消泡剂等。各组分的地位和作用如下：基础油是乳化油的主要成分，占得比例最大，达60%以上，是各种添加剂的载体。在乳化液中，基础油分散形成细小的油滴，起着润滑作用。基础油一般选用5号，7号，10号轻质润滑油，它们粘度低，流动性好，易于在水中分散乳化。乳化剂是一种表面活性剂，由易溶于油的亲油基和易溶于水的亲水基组成，用于降低油水界面张力，从而使乳化油在水中的分散更加容易。而且乳化剂在油滴表面形成一层保护薄膜，阻止油滴间的相互聚合，增加了乳化液的稳定性。乳化剂按离子型分为两大类，即离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂。其中，离子型表面活性剂又分为阴离子型，阳离子型和两性离子型。普遍使用的是阴离子型和两性离子型。防锈剂是防止金属生锈腐蚀的添加剂。其机理是防锈剂分子吸附在金属与油的表面，从而在金属表面形成一层隔离油膜，阻止水、氧等腐蚀介质接触金属表面，形成防锈作用。其他添加剂的作用：防霉抑菌剂是为了抑制霉菌的增加和繁殖，保持使用过程中液体稳定、洁净，不因霉菌滋生造成系统堵塞和液箱臭味。络合剂的作用是使乳化油中的各种添加剂相互混溶，改善乳化液的稳定性。加入消泡剂是为了防止气泡的产生。目前煤矿使用的乳化油主要有以下几种：1）M-10：该乳化油的优点是稳定性较好、抗盐性强、防霉性好，对国产液压支架常用的各种金属和密封件材料有良好的防锈性和适应性。缺点是由于加有乳化剂松香钾皂，抗氧化性较差，颜色会变深。还会产生少量粘稠物。又因松香钾皂与水中的Ca2+，Mg2+作用生成钙皂、镁皂沉淀物，从而使有的乳化能力减弱，这类藻类沉淀物会给过滤网的清洗带来麻烦。M-10乳化油配成的乳化液浓度为5%，它只能用于中等硬度以下的水，硬度过高就会影响乳化液的防锈性和稳定性。2）MDT：该乳化油的主要乳化剂是石油磺酸皂与非离子表面活性剂，两者复合使用