韓中園，黃宋魏，王 雪，黃 斌

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

在選礦過程中礦漿濃度的檢測一直是選礦過程中非常重要的環(huán)節(jié)，曾先后出現(xiàn)過多種濃度檢測裝置。目前在選礦現(xiàn)場使用較多的濃度檢測裝置有濃度壺、核子密度計和超聲波密度計等［1］。

濃度壺即選礦過程中用來直接測定礦漿濃度的壺形器具，其使用目的是快捷、簡便地測定礦漿濃度以確保選礦中各項指標(biāo)正常，特點是操作簡單、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，但屬于勞動密集型工作，不適合頻繁操作，不能連續(xù)、實時地檢測礦漿密度。

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

超聲波密度計的檢測原理是利用超聲波在懸浮液中傳播時，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，因此測得懸浮液的聲衰減系數(shù)就能求出密度。該產(chǎn)品價格較昂貴，且測量受氣泡的影響較大，同時還存在自身電路的局限和工業(yè)現(xiàn)場的環(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存在的不足，本文研究設(shè)計一種基于ARM的智能型礦漿濃度在線檢測系統(tǒng)，對于實現(xiàn)選礦過程的濃度在線檢測、提高選礦過程的礦漿濃度與細(xì)度的自動控制水平、改善選礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)具有重要意義。

1 檢測原理

1.1 攪拌葉片受力計算

液體作用在固體表面上的力用動量定理求解比較方便。動量定理指出: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量的變化率，即

根據(jù)式(1)可得流體的動量方程:

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項表示液體流量變化所引起的力，第2、3項表示流體流出控制表面時的動量變化。

式(3)中:β為動量修正系數(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 β=1.02 ～1.05，通?？扇?β=1.0［2］。

1.2 礦漿濃度檢測原理

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

當(dāng)攪拌葉片安裝角度為45°時，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)，可通過實物標(biāo)定獲得，只要測出作用力F'，就可通過計算得到礦漿密度，再根據(jù)濃度與密度之間的對應(yīng)關(guān)系得到礦漿濃度。

1.3 礦漿濃度的計算

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的計算公式為

2 系統(tǒng)設(shè)計

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

圖2 攪拌式礦漿濃度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 檢測裝置

攪拌式礦漿濃度檢測系統(tǒng)的檢測裝置如圖2所示，主要由稱重傳感器、電機、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與懸掛橫梁之間，主要檢測攪拌裝置的重力。轉(zhuǎn)動之前的重力與電機轉(zhuǎn)動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量到的重力產(chǎn)生誤差。當(dāng)電機帶動葉片轉(zhuǎn)動時礦漿從套筒的溢流口流出。

2.2 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)是以STM32f103VE型微處理器為核心構(gòu)成的一個嵌入式系統(tǒng)，主要包括TFT真彩觸摸屏模塊、信號輸入模塊、通信模塊、信號輸出模塊等。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個信號變送器，1個STM32f103VE型微處理器，1個TFT真彩觸摸屏，1個USB主機接口，1個以太網(wǎng)接口，1個USB從機接口，1路RS485通信接口(驅(qū)動芯片為SP3485)，2路 RS232接口(驅(qū)動芯片為MAX3232)，1個SD卡座，SPI控制方式，1個 I2C存儲器接口，1個SPI存儲器接口，2路ADC輸入，1路DAC輸出，1個蜂鳴器，4個LED燈，1個電源指示燈，1個USB通信指示燈。

圖3 測控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

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

圖3中CN9是一個接線端子，有4個接線端口，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 礦漿濃度檢測系統(tǒng)標(biāo)定及應(yīng)用

礦漿濃度檢測系統(tǒng)在應(yīng)用前須先標(biāo)定，也就是對式(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)被測礦漿測量一組數(shù)據(jù)后即可得到該礦漿的密度系數(shù)k。在實際應(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礦漿(至少5個樣品)，得到不同作用力F對應(yīng)的密度系數(shù)k并輸入檢測系統(tǒng)，從而完成對檢測系統(tǒng)的標(biāo)定。檢測系統(tǒng)將自動根據(jù)標(biāo)定的參數(shù)進(jìn)行礦漿濃度p的計算。在選礦廠的實際應(yīng)用中，礦漿濃度檢測系統(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。對于不同的檢測場合采用不同的安裝方法。

對磨礦分級作業(yè)輸出礦漿進(jìn)行檢測時，可以在中間設(shè)置一個緩沖箱或用支流引出礦漿進(jìn)入緩沖箱。對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 在礦漿斷流時緩沖箱里的礦漿能夠自動排完，以防礦粒沉淀后將探頭螺旋埋死。

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

4 系統(tǒng)特點

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

1)測控原理新穎。該系統(tǒng)的測控原理是根據(jù)流體的動量定理，與現(xiàn)有的礦漿濃度檢測系統(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)簡單、可靠性高。

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

4)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，特別適合于礦漿濃度的檢測。

［1］選礦手冊［M］.冶金工業(yè)出版社，2013:269－270.

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［3］尹小琴，趙守明，謝俊，等.雙臥軸攪拌機合理轉(zhuǎn)速的理論研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2010，32(10):108－111.

［4］黃宋魏，童雄，徐維超，等.一種稱重傳感器信號變送器:中國，201120438544.8［P］.2011 －11 －08.

［5］蒙智明，屈百達(dá)，徐保國.基于ARM處理器的LCD控制及觸摸接口設(shè)計［J］.微計算機信息，2007(2):113－115.

［6］仲元昌，王靖欣，胡江坤.Android內(nèi)核移植及在遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，25(1):102 －106.