铁精粉品位水分在线快速分析仪的研制

杨艳慈+王娜

摘 要 文章介绍了一种以单片机为核心，采用铁精粉品位能够引起电感线圈电感值变化的原理研制的快速在线铁精粉品位水分分析仪。该仪表成本低、性能稳定，满足了小型矿山企业铁精粉生产过程在线检测控制的要求。

关键词 单片机；铁精粉品味；传感器

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）04-0020-02

我国作为钢铁大国，铁精粉的生产却较为落后。我国铁精粉的生产企业分布较广，大多规模较小，大部分选矿设备较为落后，生产过程不能实现自动化控制，严重制约了生产效率和产品质量的提高，主要原因是由于自动在线检测仪表的限制，而铁精粉品位的在线测量分析问题较为突出。目前国内铁精粉的品位和水分测量，主要采用实验室化学分析方法，测量工序复杂、测量时间长、仪器成本和耗材高、仪器及附件体积大、且容易造成环境污染，无法实现在线测量。一部分大型企业装备的铁精粉品位在线测量分析仪器，系统复杂，投资巨大，进口仪表的价格更是昂贵，国产仪表虽价格低些，但稳定性较差，维护费用高，均不适合小型企业使用。

针对选矿设备自动控制的要求，急需开发符合我国企业生产特点、性能稳定、价格低廉的铁精粉品位在线分析仪表。本文介绍了一种以单片机为核心，低成本、性能稳定的在线铁精粉品位水分分析仪。

1 分析仪的测量原理

我们知道铁精粉作为亚铁磁性的铁矿产品，磁铁矿铁精粉含有大量的Mn2+，Fe3+，Fe2+等磁性离子，它们既具有较高的介电常数，又有一定的磁化率，所以，在外磁场的作用下磁铁矿铁精粉能够表现较强的磁化作用。铁精粉含铁量越高，则导磁性越强，换言之磁阻越低。那么受电流激励的电感线圈在靠近铁精粉样品时电感会发生变化，铁精粉品位越高电感越大。利用这个原理我们就能通过测量电感值测量出铁精粉的品位。

电感线圈作为测量传感器其结构形状直接关系着测量精度，应根据分析仪采样方法，尽可能选择对样品反映最灵敏的几何形状及结构。电感线圈工作时，其自感电动势根据电磁感应定律可得：

ε=Ldi（t）/dt （1）

式中：ε为电感线圈的自感电动势；L为线圈的电感量；i（t）为电流。

这样，在特定电流源激励下电动势与线圈电感成正比，测量电动势的变化也就测量出了铁精粉品味。

测量电感线圈制造完成后，利用市场购买的铁精粉样品，通过掺杂SiO2粉末的方式，改变铁精粉品位，大量试验取得铁精粉品位与电感电动势的对应数据，建立数学模型，在单片机软件中实现品位测量计算编程。

2 分析仪的硬件原理框图

在线铁精粉品位水分分析仪由单片机AT89C51芯片作为本仪表中心，辅助下列外围接口：铁精粉品位传感器测量接口电路、铁精粉水分传感器测量接口电路、仪表LCD显示接口电路、打印接口电路、按键电路、看门狗和状态指示电路接口等部分组成。图1为铁精粉品位水分分析仪原理框图。

图1 铁精粉品位水分分析仪原理框

下面就各部分功能及组成分述如下。

2.1 单片机AT89C51芯片

作为仪表的核心完成下列功能：

1）测量铁精粉品位传感器电感量的变化（感应电势），根据电感-品位模型算法，计算出铁精粉品位。

2）测量铁精粉水分传感器电路电势变化，计算出铁精粉水分。

3）接受按键设置调整指令，驱动外部接口显示、打印。

2.2 铁精粉品位传感器测量接口电路

该部分接口电路完成对铁精粉品位传感器的激励，在传感器线圈中产生随铁精粉品位的变化而改变的自感电势，并完成对自感电势测量。主要包括三角波震荡电路、电流源激励电路、电压测量及A/D转换电路。

具体工作过程如下：单片机产生一个低频方波电压信号，通过D/A转换后发送给积分器，三角波发生器产生的三角波电压信号，经V/I变换及功率放大后转换成三角波电流信号，该信号为自感式铁精粉品位电感传感器的激励信号，在其作用下，传感器产生的响应电压信号输入传感器测试电路，经放大、相位变换后经A/D转换后输入单片机。

2.3 铁精粉水分传感器测量接口电路

该部分接口电路由一片DHT11智能式湿度传感器及一只5K上拉电阻构成。

DHT11智能式湿度传感器感受铁精粉中的湿度变化转变为湿度信号，通过它的一条数据线与单片机的数据接口相连，将采集到的湿度信号送入单片机；此信号为数字信号，简化了硬件电路，同时也简化了软件编程；DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

2.4 LCD显示接口及微型打印机接口

显示接口电路采用液晶显示模块LCD1602完成铁精粉品味、水分以及故障代码的显示；微型打印机接口与单片机采用串口通讯方式。

2.5 看门狗、状态指示电路

看门狗复位监控模块选用X25045可编程监控E2PROM。它为AT89C51提供了安全运行保护，在系统启动和工作电压降到低于AT89C51的转换电压时发出复位信号使系统复位，在系统由于外界干扰或软件的错误执行引起程序“飞掉”时，1.4 s后重新热启动系统。状态指示灯分别指示仪表工作状态，品位传感器、湿度传感器的故障状态。

3 分析仪软件设计

分析仪主程序采用模块化设计，主要有：初始化模块、按键处理模块、湿度采样模块、品位测量计算模块等。主程序框图如图2。

4 结束语

本分析仪可测量铁精粉的品位和水分，目前已有两种形式的仪表：自动在线形式和便携式，核心采用单片机，具有快速方便，性能稳定，测量精度高，成本低的特点，可以广泛作为矿山铁品位分析仪表，用于铁精粉生产过程检测分析和流程控制，节约分析时间和化学药品费用，保护环境。尤其适合我国矿山企业分布广、规模小、矿石品位差的国情，如推广应用，定会创造出巨大的经济效益和社会效益。

项目基金

2012年邯郸市科学技术研究与发展计划研究项目《磁性物质含量及铁精粉品位水分在线快速分析仪》（课题批准号：1221103082-5）。

参考文献

[1]王丽杰，秦勇，周真，等.磁铁矿铁精粉品位传感技术的研究[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2009，27（3）：375-377.

[2]曾云南.现代选矿过程在线品位分析仪的研究进展（续）[J].有色设备，2008（6）：26-29.

作者简介

杨艳慈（1967-），河北安平人，副教授，1989年7月毕业于河北科技大学自动化专业，本科学历，2006年获得天津大学计算机硕士学位。endprint