智能矿浆浓度测定仪的开发及性能测试研究.pdf

1 7 2 有色金属 选矿部分 2 0 1 7 年增刊 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 7 ．z 1 ．0 3 8 智能矿浆浓度测定仪的开发及性能测试研究 李先海1 2 一，张覃1 ’2 一，李龙江1 ’2 一，陈兴孝1 ’2 3 1 ．贵州大学矿业学院，贵阳5 5 0 0 2 5 ；2 ．喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合 工程实验室，贵阳5 5 0 0 2 5 ；3 ．贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵阳5 5 0 0 2 5 摘要传统浓度壶测试速度慢、测试步骤复杂、测试准确度低，为此开发了一种智能矿浆浓度测定仪，实现了矿浆自动 称重、数据处理、数据储存、自动获取矿浆浓度值等功能。仪器性能测试试验表明仪器在全浓度区间内精密度均较高，在浓 度为1 5 ％- - 4 0 ％，真值与其数学期望之间的差值小于1 ％，误差均较小，准确度高，在浓度为5 ％～1 0 ％和4 0 ％～6 0 ％误差相 对较大，准确度较低，精确度的规律与准确度基本一致。 关键词矿浆浓度测定；智能仪器开发；性能测试 中图分类号T D 4 5文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 7 S 0 - 0 1 7 2 - 0 5 D e v e l o p m e n ta n dP e r f o r m a n c eT e s tR e s e a r c ho fI n t e l l e c t u a U z e dO r eP I l l P C o n c e n t r a t i o nM e a s u r i n gI n s t r u m e n t L ／X i a n h a i1 , 2 , 3 ，Z H A N GQ i n ’’2 n ，L IL o n g j i a n g1 , 2 , 3 ，C H E NX i n g x i a o1 , 2 , 3 J ．M i n i n gC o l l e g e ，G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 2 5 ，C h i n a ；2 ．N a t i o n a l L o c a lJ o 池 L a b o r a t o r yo fE n g i n e e r i n gf o rE f f e c t i v eU t i l i z a t i o no fR e g i o n a lM i n e r a lR e s o u r c e s 疗o mK a r s tA r e a s ， G u i y a n g ，5 5 0 0 2 5 ，C h i n a ；3 ．G u i z h o uK e yL a bo fC o m p r e h e n s i v eU t i l i z a t i o no fN o n m e t a l l i c M i n e r a lR e s o u r c e s ，G u i y a n g5 5 0 0 2 5 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h es l o wt e s t i n gs p e e d ，c o m p l e xt e s t i n gs t e pa n dl o wa c c u r a c yo ft r a d i t i o n a lc o n c e n t r a t i o n p o t ，a ni n t e l l e c t u a l i z e do r ep u l pc o n c e n t r a t i o nm e a s u r i n gi n s t r u m e n ti sd e v e l o p e dt o r e a l i z et h ef u n c t i o n so fp u l p a u t o m a t i cw e i g h i n g ，a u t o m a t i cd a t ap r o c e s s i n g ，d a t as t o r a g ea n da u t o m a t i cs h o w i n gp u l pc o n c e n t r a t i o n ．T h er e s u l t s o fp e r f o r m a n c et e s to ft h ei n s t r u m e n ti n d i c a t et h a tt h er e p r o d u c i b i l i t yw a sv e r yg o o di nt h ew h o l ec o n c e n t r a t i o nr a n g e ． F r o m15 ％t o4 0 ％o ft h ec o n c e n t r a t i o n ．t h ed i f f e r e n c ew a sl e s st h a nl ％b e t w e e nt h et r u ev a l u ea n di t sm a t h e m a t i c a l e x p e c t a t i o n ，a n dt h ea c c u r a c yW a sh i g h ．F r o m5 ％一1 0 ％a n d4 0 ％缶0 ％o ft h ec o n c e n t r a t i o n ，t h ed i f f e r e n c ew a s h i g h e r ，a n dt h ea c c u r a c yW a sl o w e r ，w h i c hw a st h es a n l ew i t ht h ed i s c i p l i n eo fp r e c i s i o n ． K e yw o r d s o r ep u l pc o n c e n t r a t i o nm e a s u r i n g ；i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n td e v e l o p m e n t ；p e r f o r m a n c et e s t 矿浆浓度是矿浆中矿石含量的百分数，是矿物 加工过程中一个重要技术参数，对精矿品位、回收 率、药剂用量、生产能力、能耗等方面都有重要影 响引。在实际生产过程中矿浆浓度需要实时测控， 合适的矿浆浓度才能得到良好的生产指标M 1 。除矿 物加工领域外，化工、材料、冶金、造纸等行业H 引，固 体颗粒与液体的混合浆体浓度也是重要技术参数， 对生产指标有重要影响。矿浆浓度测量仪器的发展 历程中曾经出现过几种浓度计漂浮浮筒式浓度计、 吹气式浓度计、放射性同位素浓度计、超声波浓度计 等，由于各自存在缺陷导致很难大规模推广和使 用“ J 。选矿厂中矿浆浓度常用的测量方式有烘干法 和浓度壶法坤J ，烘干法所需时间较长，测量不连续， 结果具有严重滞后性，尽管准确性高，但是矿浆浓度 难以及时反馈，因此烘干法的缺点导致其应用远没 有浓度壶法广泛。传统的浓度壶法存在测试步骤复 杂，测试速度较慢，准确度低，人为误差较大等不足。 基于上述实际背景，采用智能处理技术开发了 一种智能式矿浆浓度测量仪，该仪器体积小，准确度 高，测试方便，在实际应用中不需要借助任何操作平 台即可完成矿浆浓度的测试和监控，适用于各类矿 山企业选厂生产、工业试验、半工业试验等现场涉及 基金项目贵州省科技厅联合资金项目 黔科合L H 字[ 2 0 1 4 ] 7 6 5 5 收稿日期2 0 1 7 - 0 8 - 0 8 作者简介李先海 1 9 8 8 - ，男，贵州石阡人，硕士，实验师，主要研究方向为难选矿石的选矿及资源综合利用。 通信作者张覃 1 9 6 7 - ，女，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为难选矿石的选矿及资源综合利用。 万方数据 2 0 1 7 年增刊 李先海等智能矿浆浓度测定仪的开发及性能i 9 1 4 试研究 1 7 3 到浓度的监控测试。 1 仪器工作原理及结构 1 ．1 检测原理 智能矿浆浓度测定仪主要由浓度采集组件、重 力传感组件、信号转化组件、数据处理组件、数据输 出组件和电力供给组件六部分组成。浓度采集组件 将矿浆的质量信息传送给重力传感组件，重力传感 组件将质量信息转化为电信号，电信号通过信号转 化组件进行精密放大，将力学量转换成标准电流、电 压信号输出，标准的电压电流信号经过数据处理组 件对数据进行处理，最后通过数据输出组件将各种 参数及矿浆浓度值进行输出，输出的结果在显示屏 上自动显示。 数据处理组件基于一定的计算公式，通过设定 的程序执行，计算公式如式 1 和式 2 一] ％ G 总一G ／V 1 C 盯。 1 一o r 。 ／o r 。 1 一盯 2 公式 1 、 2 中盯。为矿浆密度；o r 。为待测矿石 密度；V 为矿浆体积，L ；G 为浓度壶质量，k g ；G 总为浓 度壶及壶中矿浆总质量，k g ；C 为矿浆浓度，％，即测 定值。 1 ．2 仪器硬件组成 智能矿浆浓度测定仪在实现矿浆质量采集、数 据处理、数据储存、数据显示的智能化过程中，需要 相应的硬件结构作为支撑。根据仪器的功能设计硬 件结构，结构如图1 所示。 丑一，姬 屉I 尸{{ 一{ r ] 屉 I ／1 图l 仪器硬件结构图 F i g ．1 H a r d w a r es t r u c t u r ed i a g r a m 1 一承重钩；2 一重力传感器；3 一变送器；4 一电池； 5 一充电器接口；6 一电路板；7 一开关；8 一键盘；9 一浓度壶 浓度采集组件主要为活动浓度壶体和承重链， 活动浓度壶体共两种规格1L 和0 ．5L ，规格对应的 体积均为有效容积，可根据实际情况灵活选择。浓 度壶体为圆筒结构，筒口设置有两个对称的“U ”型 小槽，该“u ”型小槽可实现对矿浆体积的精确控制。 壶体材质为聚丙烯塑料 P P 材质，耐酸耐腐蚀0 | ， 适用于各种矿山企业选矿厂。 重力传感组件主要为重力传感器，基于压电效 应原理，重力传感器采用弹性敏感元件制成悬臂式 位移器，与采用弹性敏感元件制成的储能弹簧来驱 动电触点，完成从重力变化到电信号的转换。重力 传感器属于该设备的主要部件，其稳定性和承载能 力决定了仪器的性能，因此仪器采用的重力传感器 型号为D Y L Y 一1 0 3 3 ，量程为1 0k g 。 信号转化组件主要为变送器，将重力传感器输 出的微电压信号 m V 进行精密放大，将力学量转换 成标准电流、电压信号输出。 数据处理组件包括单片机电路板、键盘及配套 电路。数据处理组件为仪器的数据处理中心，将采 集到的信号通过设定的程序处理，计算出相应浓度 值。仪器采用S T C l 2 C 5 A 1 6 S 2 3 5 I ．L Q F P 4 单片机作 为数据处理芯片。单片机是数据处理组件的核心部 件，接收和存储操作指令，并为命令的运行提供运行 空间，完成命令操作。键盘置于数据处理组件终端 上，和显示屏作为人机对话系统，实现各种指令、相 关参数的输入，通过键盘，也可完成数据锁定如锁定 矿浆浓度等。 数据输出组件包括显示屏及其接线，显示屏为 蓝屏L C D l 2 8 6 4 显示屏，模块尺寸为9 3m m 7 0m m x1 3 ．5m m ，视域尺寸为7 2m m 3 9m m ，带有中文字 库，将计算的浓度值、各种参数、历史数据进行输出 并显示。 电力供给组件包括电池、电源线及其接线，采用 D C 一1 2 9 8 A 大容量聚合物锂电池，电池容量为9 8 0 0 m A ，充放电次数最低位5 0 0 0 次，供电电池是保证仪 器正常运行的保证。 浓度采集组件为外挂结构，测试时通过承重钩 进行信号输送。重力传感组件、信号转化组件、数据 处理组件、数据输出组件和电力供给组件均安装在 仪器外壳内部。 1 ．3 仪器软件系统 通过软件系统实现对采集信号的处理，最后提 供准确的量化参数值。仪器软件系统框图、软件流 程图分别如图2 、图3 所示。 仪器软件系统采用C 语言编程。在整个软件系 统中，只需要采集一次矿浆质量，加上设定 或调用 的矿石比重、体积和保存的壶重，通过对这4 个参数 的计算，即可获得矿浆浓度。试验操作人员通过人 机操作界面进行参数设定、保存、调用、显示，并获得 黔R导 万方数据 1 7 4 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 测试结果及相关参数等功能。所有测试过程不需要 借助任何地面操作平台即可完成测试和监控，测试 准确度高，获取数据快，对仪器操作人员的专业知识 要求较低。 重 信 力 号 传 调 感 理 电 器 路 - 4 L c D 显示J 堕 吣 片- 4 串口通讯 D 机 - 4 蜂鸣器 M C U 键盘F - 图2 软件系统框图 F i g ．2 T h ed i a g r a mo fs o f t w a r es y s t e m 2 仪器性能测试 2 ．1 仪器校正 按照设计思路和硬件结构安装仪器，完成硬件 各组件安装后对软件系统进行程序编辑。测试前需 要对仪器进行校正。校准方法用标准重物进行校 准，通过测量质量与真实质量的关系，找出校正参数 并修改程序。以贵州某钙镁质磷矿作为校准样品， 测试结果如表1 所示。根据测量的试验数据，绘制 的线型图如图4 所示。由计算机分析、拟合，得到仪 器真实值与测量值之间的数学关系为Y 0 ．5 0 7 x 一 0 ．0 0 44 ，修正系数K 0 ．5 0 7 ，拟合度R 0 ．9 9 99 8 。 图3 仪器软件流程图 F i g ．3 S o f t w a r ef l o wd i a g r a m 万方数据 2 0 1 7 年增刊李先海等智能矿浆浓度测定仪的开发及性能测试研究 1 7 5 登 趔 器 搭 图4 测量值和真实值的关系图 F i g ．4 R e l a t i o ng r a p hb e t w e e nm e a s u r e d v M u ea n dt r u ev a l u e 2 ．2 仪器性能测试 由于仪器各个部件都有一定的精密度，整合到仪 器中会产生累积误差，而且操作人员存在操作的差 异，会产生一定的人为误差，实际测量结果必然与真 实值存在差异。本文采用贵州某硅钙质磷矿和黔西 南金矿作为试验样品对仪器性能进行测试，配制的矿 浆浓度分别为5 ％、1 0 ％、1 5 ％、2 0 ％、2 5 ％、3 0 ％、3 5 ％、 4 0 ％、4 5 ％、5 0 ％、5 5 ％、6 0 ％共1 2 个样品，每个浓度测 试5 次，测试结果如表2 和表3 所示。 精密度指随机误差分布的密集或离散程度，是 衡量随机误差大小程度的指标，用测量值与其数学 期望的接近程度表征其高低，用方差表征，其数学表 达式如式 3 。准确度指随机变量的真值与其数学 期望的接近程度，是衡量系统误差大小程度的指标， 数学表达式如式 4 。精确度指测量值与真值的接 近程度，表征了随机误差和系统误差对观测结果联 合影响大小的程度，是全面衡量测量质量的指标，数 学表达式如式 5 卜1 2 1 。 盯菇2 E { [ 戈一E x ] 2 } 3 s 戈一E 戈 4 M S E x E [ 石一互 2 ] 似2 s 2 5 根据实测结果和公式 3 、 4 、 5 分别计算出 数学期望E 艽 、精密度仃x 2 、准确度s 、精确度M S E ， 结果如表2 和表3 。以贵州某硅钙质磷矿和黔西南 金矿作为试验样品测试仪器的精密度、准确度和精 确度，测量值与其数学期望之差在全浓度区间内均 较低，说明仪器精密度高；浓度在1 5 ％～4 0 ％，真值 与其数学期望之间的差值小于1 ％，误差均较小，准 确度高，但5 ％～1 0 ％和4 0 ％一6 0 ％误差相对较大， 准确度较低；同样，精确度的规律与准确度一致。 表2 贵州某硅钙质磷矿测试结果 矿石密度2 ．3 3 T a b l e2T e s tr e s u l t so fas i l i c o nc a l c a r e o u sp h o s p h a t eo r ei nG u i z h o u o r es p e c i f i cg r a v i t y 2 ．3 5 ／％ 万方数据 1 7 6 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 3结论 行业推广应用。 1 智能矿浆浓度测定仪实现矿浆自动称重、数参考文献 据处理、数据储存、自动获取矿浆浓度值等功能。仪 器主要由浓度采集组件、重力传感组件、信号转化组 件、数据处理组件、数据输出组件和电力供给组件六 部分组成，仪器体积小，质量轻，便于手提操作，在实 际应用中不需要借助任何操作平台即可完成矿浆浓 度的测试和监控； 2 仪器在整个软件流程中，只需要采集一次矿 浆质量，加上设定 或调用 的矿石比重、体积和保存 的壶重，通过对这4 个参数的计算，即可获得矿浆浓 度值； 3 通过试验研究得到仪器真实值与测量值之 间的数学关系Y 0 ．5 0 7 x 一0 ．0 0 44 ，修正系数K 0 ．5 0 7 ，拟合度R 0 ．9 9 99 8 。对程序修正后，采用贵 州某硅钙质磷矿和黔西南金矿作为试验样品测试仪 器的精密度、准确度和精确度，结果表明在全浓度 区间内仪器精密度均高，在浓度1 5 ％一4 0 ％，真值与 其数学期望之间的差值小于1 ％，误差均较小，准确 度高，但5 ％～1 0 ％和4 0 ％～6 0 ％误差相对较大，准 确度较低，精确度的规律与准确度一致； 4 该仪器适用于各类矿山企业选厂生产、工业 试验、半工业试验等现场涉及到浓度的监控测试，可 有效降低人力成本和提高生产效率。仪器测试准确 度较高，获取数据快，对仪器操作人员的专业知识要 求较低，且制造成本低，适合广泛应用，还可到其他 [ 1 ] 杨文旺，武涛，李阳，等．浮选机泡沫流速影响因子分析 与试验研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 7 2 7 2 - 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