本發(fā)明涉及礦漿流量和濃度檢測，特別涉及一種深海采礦礦漿流量和濃度測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、深海采礦是從海底收集礦物資源，這些資源包括多金屬結(jié)核、硫化物礦床和富鈷結(jié)殼等。在進行深海采礦的過程中，會涉及到處理大量的海底沉積物和其他材料，這個過程中產(chǎn)生的混合物通常被稱為“礦漿”。礦漿是通過將開采出來的結(jié)核顆粒物、沉積顆粒物等與海水混合后形成的一種流體狀態(tài)的物質(zhì)，便于通過管道運輸?shù)剿娲换蜿懙厣系奶幚碓O(shè)施。

2、礦漿在被采集并通過管道輸送至處理站的過程中，需要對礦漿中的顆粒物濃度（即顆粒物體積分數(shù)）以及顆粒物的粒度進行檢測。

3、現(xiàn)有的檢測方式多采用聲學(xué)測量方式進行檢測，該檢測方式多聚焦于單相流體介質(zhì)或單分散顆粒流的濃度，但無法區(qū)分海水、結(jié)核顆粒物、沉積顆粒物三相。超聲法可以測量納米級到毫米級的粒徑，適合測量沉積物，但是當結(jié)核粒徑達厘米級，顆粒對超聲具有較大的衰減作用，對超聲信號衰減多，導(dǎo)致測量結(jié)果不準確。

4、深海采礦環(huán)境下，礦漿中顆粒物體積分數(shù)高，結(jié)核礦間平均間距接近于粒徑量級，多重散射和粒間耦合效應(yīng)非常顯著；采集的結(jié)核顆粒直徑可達數(shù)厘米，而伴生沉積物顆?？赡苤挥袔资⒚啄酥粮。贿@種寬粒徑范圍、多峰分布對超聲測量提出了較大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的超聲測量方式往往難以有效滿足這種寬粒徑范圍、多峰分布的礦漿的測量需求。

5、故亟需提供一種深海采礦礦漿濃度和粒度測量裝置及方法，能夠?qū)ΦV漿中的顆粒物的濃度和粒度進行快速準確檢測，以滿足深海采礦的作業(yè)需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，在于提供一種深海采礦礦漿濃度和粒度測量裝置及方法。

2、本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種深海采礦礦漿濃度和粒度測量裝置，包括主管道、光學(xué)檢測單元，主管道上設(shè)置有分支管道，光學(xué)檢測單元包括光源和與光源對應(yīng)設(shè)置的圖像獲取模塊，光源和圖像獲取模塊分別位于分支管道的兩側(cè)；主管道上還設(shè)置有陣列式超聲波傳感器；圖像獲取模塊、陣列式超聲波傳感器均與控制系統(tǒng)相連。

3、作為優(yōu)選，所述主管道上還設(shè)置有溫度傳感器和壓力傳感器。

4、作為優(yōu)選，所述圖像獲取模塊包括圖像傳感器和多光譜相機。

5、作為優(yōu)選，分支管道上設(shè)置有稀釋管道，稀釋管道用于向分支管道中通入水，并對礦漿按比例進行稀釋。

6、一種深海采礦礦漿濃度和粒度測量方法，在檢測礦漿中顆粒物濃度時，具體方法如下：

7、s1：陣列式超聲波傳感器發(fā)射超聲波脈沖，超聲波脈沖穿過分支管道中的礦漿，通過陣列式超聲波傳感器的接收端獲取超聲波脈沖信號的聲速和聲衰減系數(shù)，并計算得到實驗復(fù)波數(shù)?；

8、s2:設(shè)定顆粒濃度為φ，設(shè)定φ的初始值，并計算與顆粒濃度φ相關(guān)的理論復(fù)波數(shù)；

9、s3:將理論復(fù)波數(shù)與實驗復(fù)波數(shù)進行比較，并計算得到與顆粒濃度φ相關(guān)的目標誤差；

10、設(shè)定目標誤差閾值，并調(diào)整φ的值；當目標誤差小于或等于目標誤差閾值時，此時φ的值即為顆粒濃度的測量值；

11、礦漿中的顆粒物包括結(jié)核顆粒和沉積物顆粒，在檢測礦漿中結(jié)核顆粒的粒徑時，采用光學(xué)檢測單元中的多光譜相機對分支管道中的結(jié)核顆粒進行逆光成像，并獲取結(jié)核顆粒物的投影輪廓以分析結(jié)核顆粒的粒徑；并通過泊松分布描述檢測位置顆粒隨機分布的概率；

12、在檢測礦漿中沉積物顆粒的粒度時，通過多波段消光成像法進行測量；采用levenberg–marquardt數(shù)據(jù)反演算法，將整體檢測數(shù)據(jù)表示為結(jié)核顆粒和沉積物顆粒各自貢獻的加權(quán)疊加，然后用最小二乘法擬合該模型，從而求出結(jié)核顆粒和沉積物顆粒的粒度分布。

13、作為優(yōu)選，步驟s3中，采用和聲搜索算法開展顆粒濃度的非線性優(yōu)化反演，具體方法如下：

14、n1、生成顆粒濃度的候選解向量φ=(?φ?1,?φ?2,…,?φ?d)；

15、n2、對于解向量φ的每一個分量φj，以概率par進行調(diào)整，獲得新候選解φ’；

16、n3、利用新候選解φ’重新計算目標誤差；

17、n4、如果當前的目標誤差小于上一次選定的候選解的目標誤差，則用當前的候選解替換上一次的候選解；

18、通過不斷迭代，直至找到使目標誤差最小的顆粒濃度φ。

19、作為優(yōu)選，通過多波段消光成像法測量沉積物顆粒的粒徑時，通過以下公式進行計算：

20、；

21、式中，d為顆粒直徑，fk(λ)為光譜響應(yīng)函數(shù)，iλ為光譜強度，e(λ,?d,?m)為顆粒群的消光系數(shù)。

22、作為優(yōu)選，levenberg–marquardt數(shù)據(jù)反演算法的具體方法如下：

23、p1：給定初始顆粒粒徑d0；

24、p2：計算目標函數(shù)值；

25、p3：計算雅可比矩陣，對每個頻率，計算

26、；

27、p4：求解正規(guī)方程：并計算得到粒徑的更新量；

28、p5：更新參數(shù)：

29、；

30、p6：當 g( dk)的變化小于設(shè)定閾值時停止迭代，并輸出在最終反演得到的參數(shù)向量d。

31、作為優(yōu)選，在檢測礦漿中顆粒物的粒徑過程中，當顆粒物粘連導(dǎo)致圖像分割困難時，將rgb色彩空間轉(zhuǎn)換到lab色彩空間，并采用k-均值聚類算法對顆粒圖像進行分割，獲得粘連后的顆粒物粒度信息。

32、本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：本發(fā)明采用超聲波、光散射和圖像法這三者檢測手段相結(jié)合的多種測量方式聯(lián)合測量結(jié)核顆粒、沉積物顆粒、海水三相介質(zhì)共存的顆粒物濃度和粒度信息，檢測準確度高，能夠同時檢測礦漿中的顆粒物濃度（顆粒物體積分數(shù)）、粒度信息，檢測結(jié)果準確度高，檢測速度快。

技術(shù)特征：

1.一種深海采礦礦漿濃度和粒度測量裝置，其特征在于，包括主管道、光學(xué)檢測單元，主管道上設(shè)置有分支管道，光學(xué)檢測單元包括光源和與光源對應(yīng)設(shè)置的圖像獲取模塊，光源和圖像獲取模塊分別位于分支管道的兩側(cè)；主管道上還設(shè)置有陣列式超聲波傳感器；圖像獲取模塊、陣列式超聲波傳感器均與控制系統(tǒng)相連。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深海采礦礦漿濃度和粒度測量裝置，其特征在于，所述主管道上還設(shè)置有溫度傳感器和壓力傳感器。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深海采礦礦漿濃度和粒度測量裝置，其特征在于，所述圖像獲取模塊包括圖像傳感器和多光譜相機。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種深海采礦礦漿濃度和粒度測量裝置，其特征在于，分支管道上設(shè)置有稀釋管道，稀釋管道用于向分支管道中通入水，并對礦漿按比例進行稀釋。

5.一種深海采礦礦漿濃度和粒度測量方法，其特征在于，在檢測礦漿中顆粒物濃度時，具體方法如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種深海采礦礦漿濃度和粒度測量方法，其特征在于，步驟s3中，采用和聲搜索算法開展顆粒濃度的非線性優(yōu)化反演，具體方法如下：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種深海采礦礦漿濃度和粒度測量方法，其特征在于，通過多波段消光成像法測量沉積物顆粒的粒徑時，通過以下公式進行計算：

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種深海采礦礦漿濃度和粒度測量方法，其特征在于：

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種深海采礦礦漿濃度和粒度測量方法，其特征在于，在檢測礦漿中顆粒物的粒徑過程中，當顆粒物粘連導(dǎo)致圖像分割困難時，將rgb色彩空間轉(zhuǎn)換到lab色彩空間，并采用k-均值聚類算法對顆粒圖像進行分割，獲得粘連后的顆粒物粒度信息。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種深海采礦礦漿濃度和粒度測量裝置及方法，包括主管道、光學(xué)檢測單元，主管道上設(shè)置有分支管道，光學(xué)檢測單元包括光源和與光源對應(yīng)設(shè)置的圖像獲取模塊，光源和圖像獲取模塊分別位于分支管道的兩側(cè)；主管道上還設(shè)置有陣列式超聲波傳感器；圖像獲取模塊、陣列式超聲波傳感器均與控制系統(tǒng)相連。本發(fā)明采用超聲波、光散射和圖像法這三者檢測手段相結(jié)合的多種測量方式聯(lián)合測量結(jié)核顆粒、沉積物顆粒、海水三相介質(zhì)共存的顆粒物濃度和粒度信息，檢測準確度高，能夠同時檢測礦漿中的顆粒物濃度（顆粒物體積分數(shù)）、粒度信息，檢測結(jié)果準確度高，檢測速度快。

技術(shù)研發(fā)人員：章錦素,楊筆途,黃敦泵
受保護的技術(shù)使用者：杭州邦維流體技術(shù)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28