攪拌式礦漿濃度檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

韓中園，黃宋魏，王 雪，黃 斌

(1.昆明理工大學(xué) a.信息工程與自動(dòng)化學(xué)院;b.國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650000;2.南京財(cái)經(jīng)大學(xué) 國(guó)際經(jīng)貿(mào)學(xué)院，南京 210046)

在選礦過程中礦漿濃度的檢測(cè)一直是選礦過程中非常重要的環(huán)節(jié)，曾先后出現(xiàn)過多種濃度檢測(cè)裝置。目前在選礦現(xiàn)場(chǎng)使用較多的濃度檢測(cè)裝置有濃度壺、核子密度計(jì)和超聲波密度計(jì)等［1］。

濃度壺即選礦過程中用來直接測(cè)定礦漿濃度的壺形器具，其使用目的是快捷、簡(jiǎn)便地測(cè)定礦漿濃度以確保選礦中各項(xiàng)指標(biāo)正常，特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、易學(xué)、可靠。操作方法主要分為3步:① 向濃度壺中裝滿礦漿;② 直接放到秤上秤出重量;③讀出重量后參照密度對(duì)照表即可讀出相應(yīng)的密度值。這種方法的精度雖高，但屬于勞動(dòng)密集型工作，不適合頻繁操作，不能連續(xù)、實(shí)時(shí)地檢測(cè)礦漿密度。

核子密度計(jì)的物理原理是物質(zhì)對(duì)放射性同位素輻射的吸收作用。核子密度計(jì)由于其安裝維護(hù)方便，可實(shí)現(xiàn)非接觸式檢測(cè)，檢測(cè)精度較高，近年來一直在選礦過程中的密度檢測(cè)方面占據(jù)主導(dǎo)地位。但核子密度計(jì)的最大弊病是具有放射性，由于國(guó)家對(duì)核產(chǎn)品的嚴(yán)格控制，核子密度計(jì)面臨著挑戰(zhàn)。

超聲波密度計(jì)的檢測(cè)原理是利用超聲波在懸浮液中傳播時(shí)，一部分與懸浮粒子相遇在界面被散射衰減，其余部分入射到粒子內(nèi)被吸收衰減，接觸界面的超聲波又受到粘滯衰減，最后到達(dá)接收端。各種衰減與懸濁粒子的數(shù)目成比例，因此測(cè)得懸浮液的聲衰減系數(shù)就能求出密度。該產(chǎn)品價(jià)格較昂貴，且測(cè)量受氣泡的影響較大，同時(shí)還存在自身電路的局限和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境干擾，因此該產(chǎn)品的精度還有待提高。

為了解決目前礦漿濃度檢測(cè)存在的不足，本文研究設(shè)計(jì)一種基于ARM的智能型礦漿濃度在線檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)選礦過程的濃度在線檢測(cè)、提高選礦過程的礦漿濃度與細(xì)度的自動(dòng)控制水平、改善選礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)具有重要意義。

1 檢測(cè)原理

1.1 攪拌葉片受力計(jì)算

液體作用在固體表面上的力用動(dòng)量定理求解比較方便。動(dòng)量定理指出:作用在物體上的力的大小等于物體在力的作用方向上的動(dòng)量的變化率，即

根據(jù)式(1)可得流體的動(dòng)量方程:

方程(2)左邊為作用在控制體積內(nèi)液體上所有外力的和;方程(2)右邊第1項(xiàng)表示液體流量變化所引起的力，第2、3項(xiàng)表示流體流出控制表面時(shí)的動(dòng)量變化。

式(3)中:β為動(dòng)量修正系數(shù)，其大小取決于控制表面上的速度分布。速度分布較均勻時(shí) β=1.02 ～1.05，通?？扇?β=1.0［2］。

1.2 礦漿濃度檢測(cè)原理

礦漿在被攪拌葉片攪拌的一小段時(shí)間內(nèi)，礦漿可近似看作定常流動(dòng)，礦漿的密度ρ不變。滿足流體動(dòng)量方程的2個(gè)主要條件:定常流動(dòng)、不可壓縮流體。

當(dāng)攪拌葉片安裝角度為45°時(shí)，葉片表面受到礦漿的正壓力［3］為

式(4)中:ρ為礦漿密度;ν為攪拌葉片的線速度;A為攪拌葉片表面積;l為攪拌葉片的長(zhǎng)度;d為攪拌軸直徑;b為攪拌葉片寬度;n為攪拌軸轉(zhuǎn)速。

如圖1所示，由于攪拌葉片的安裝角度是45°，因此礦漿對(duì)攪拌葉片向下的力為

圖1 攪拌葉片的受力分析

該系統(tǒng)的攪拌葉片長(zhǎng)度l、攪拌軸直徑d、攪拌葉片寬度b、攪拌軸轉(zhuǎn)速n都是固定的，可以看作常數(shù)。因此式(5)可改寫為

式(6)中k為密度系數(shù)，可通過實(shí)物標(biāo)定獲得，只要測(cè)出作用力F'，就可通過計(jì)算得到礦漿密度，再根據(jù)濃度與密度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到礦漿濃度。

1.3 礦漿濃度的計(jì)算

在選礦生產(chǎn)過程中，往往習(xí)慣于采用百分比濃度值來反映礦漿的狀況。對(duì)于一定種類的礦石，其礦石密度d是基本穩(wěn)定的，而水的密度也是穩(wěn)定的，一般取1 g/cm3，因此礦漿百分比濃度p的計(jì)算公式為

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

攪拌式礦漿濃度檢測(cè)系統(tǒng)主要由檢測(cè)裝置、測(cè)控系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 攪拌式礦漿濃度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 檢測(cè)裝置

攪拌式礦漿濃度檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)裝置如圖2所示，主要由稱重傳感器、電機(jī)、保護(hù)殼、攪拌軸、套筒、攪拌葉片組成。

稱重傳感器安裝在電機(jī)與懸掛橫梁之間，主要檢測(cè)攪拌裝置的重力。轉(zhuǎn)動(dòng)之前的重力與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)之后的重力之差就是攪拌葉片受到的垂直方向的壓力。保護(hù)殼的作用是避免礦漿粘碰到攪拌軸使測(cè)量到的重力產(chǎn)生誤差。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)礦漿從套筒的溢流口流出。

2.2 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)是以STM32f103VE型微處理器為核心構(gòu)成的一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，主要包括TFT真彩觸摸屏模塊、信號(hào)輸入模塊、通信模塊、信號(hào)輸出模塊等。主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該嵌入式系統(tǒng)的主要組成包括:1個(gè)信號(hào)變送器，1個(gè)STM32f103VE型微處理器，1個(gè)TFT真彩觸摸屏，1個(gè)USB主機(jī)接口，1個(gè)以太網(wǎng)接口，1個(gè)USB從機(jī)接口，1路RS485通信接口(驅(qū)動(dòng)芯片為SP3485)，2路 RS232接口(驅(qū)動(dòng)芯片為MAX3232)，1個(gè)SD卡座，SPI控制方式，1個(gè) I2C存儲(chǔ)器接口，1個(gè)SPI存儲(chǔ)器接口，2路ADC輸入，1路DAC輸出，1個(gè)蜂鳴器，4個(gè)LED燈，1個(gè)電源指示燈，1個(gè)USB通信指示燈。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

如圖3所示，INA126和XTR115組成該系統(tǒng)的信號(hào)變送器。攪拌式礦漿濃度檢測(cè)裝置在應(yīng)用時(shí)需要在測(cè)控主機(jī)上對(duì)稱重傳感器測(cè)出的信號(hào)進(jìn)行處理。由于稱重傳感器測(cè)出的信號(hào)很微弱，需要信號(hào)變送器將稱重傳感器的信號(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，以便進(jìn)行信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸供測(cè)控主機(jī)應(yīng)用［4］。信號(hào)變送器主要有2種功能:一是可以將稱重傳感器的信號(hào)進(jìn)行線性放大;二是將信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA的輸出電流信號(hào)。信號(hào)放大器選用INA126芯片，電流環(huán)轉(zhuǎn)換器選用XTR115芯片。

圖3中CN9是一個(gè)接線端子，有4個(gè)接線端口，分別是2路 ADC輸入的接線端子 AN0和AN1、1路DAC輸出端子DAC和GND。AN0、AN1分別連接到STM32F103VE的輸入引腳PB0、PB1上，DAC連接到 STM32F103VE的輸出引腳PA4上。

STM32f103VE型微處理器是ST公司基于ARM Cortex-M3的 32位處理器芯片，具有LQFP100腳和256 KB的FLASH、48 KB的RAM。其工作頻率為72 MHz，工作溫度范圍為－40～+105℃，供電電壓為 2.0 ～3.6 V。

CN4是排針插頭，其作用是連接STM32f103VE跟TFT真彩觸摸屏。

TFT真彩觸摸屏采用的是顯尚光電的DST2001PH TFTLCD。DST2001PH的控制器是ILI9320，采用26萬色的TFTLCD屏，其分辨率為320 ×240，采用16 位的80 并口［5－6］。

3 礦漿濃度檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定及應(yīng)用

礦漿濃度檢測(cè)系統(tǒng)在應(yīng)用前須先標(biāo)定，也就是對(duì)式(6)中的密度系數(shù)k進(jìn)行標(biāo)定。理論上只要用標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)礦漿測(cè)量一組數(shù)據(jù)后即可得到該礦漿的密度系數(shù)k。在實(shí)際應(yīng)用中，密度系數(shù)k隨礦漿密度的變化而變化，因此需要分段進(jìn)行標(biāo)定。也就是在礦漿密度的變化范圍內(nèi)，取一組已知密度的待測(cè)礦漿(至少5個(gè)樣品)，得到不同作用力F對(duì)應(yīng)的密度系數(shù)k并輸入檢測(cè)系統(tǒng)，從而完成對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定。檢測(cè)系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)標(biāo)定的參數(shù)進(jìn)行礦漿濃度p的計(jì)算。在選礦廠的實(shí)際應(yīng)用中，礦漿濃度檢測(cè)系統(tǒng)要求安裝在能完全浸沒螺旋探頭的礦漿里，并且要求礦漿具有能滿足工業(yè)要求的代表性。對(duì)于不同的檢測(cè)場(chǎng)合采用不同的安裝方法。

對(duì)磨礦分級(jí)作業(yè)輸出礦漿進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可以在中間設(shè)置一個(gè)緩沖箱或用支流引出礦漿進(jìn)入緩沖箱。對(duì)探頭的安裝有如下要求:①緩沖箱的四界和底部距離一探頭150 mm以上;② 保證緩沖箱的礦漿始終能夠浸沒探頭;③ 在礦漿斷流時(shí)緩沖箱里的礦漿能夠自動(dòng)排完，以防礦粒沉淀后將探頭螺旋埋死。

對(duì)攪拌桶礦漿進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可以把礦漿濃度檢測(cè)系統(tǒng)探頭直接安裝在礦漿里，無需設(shè)置緩沖箱。該系統(tǒng)安裝較為簡(jiǎn)單，但標(biāo)定較麻煩，要求在攪拌桶攪拌狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)物標(biāo)定。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

該攪拌式礦漿濃度檢測(cè)系統(tǒng)是針對(duì)目前一些礦漿濃度檢測(cè)系統(tǒng)存在的問題開發(fā)的，具有以下特點(diǎn):

1)測(cè)控原理新穎。該系統(tǒng)的測(cè)控原理是根據(jù)流體的動(dòng)量定理，與現(xiàn)有的礦漿濃度檢測(cè)系統(tǒng)有很大區(qū)別，具有一定的先進(jìn)性、穩(wěn)定性。

2)性能可靠。測(cè)控原理是根據(jù)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)物理方法推導(dǎo)制定，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高。

3)檢測(cè)精度高。濃度測(cè)量范圍為0.0～99.99%，其精度可達(dá)0.8%。

4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，特別適合于礦漿濃度的檢測(cè)。

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