用于在線x熒光分析的自動制樣送測系統(tǒng)的研制_h

1、系統(tǒng)與裝置 用于在線 X 熒光分析的自動制樣送測系統(tǒng)的研制楊雪梅, 庹先國, 任家富, 陶永莉, 曾旖, 穆克亮( 成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動化工程學(xué)院, 四川 成都 610059) 摘要 自動制樣送測系統(tǒng)采用精密機(jī)電控制技術(shù), 用于在礦山、冶金行業(yè)中皮帶生產(chǎn)線上取樣并制成樣品送X熒光儀測量。系統(tǒng)能及時、快速完成取樣、制樣、測樣、去樣等, 采用單片機(jī)( 77E58) 控制, 并與遠(yuǎn)端控制機(jī)通信。完成一次取樣分析時間為 7 min, 樣品直徑 40 mm, 厚度 10 mm, 水分含量在 5% 10% 之間。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于攀鋼選礦廠。 關(guān)鍵詞 X 熒光分析; 自動制樣送測系統(tǒng); 單片機(jī) 中圖

2、分類號 TF52; TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 B 文章編號 1000 7059( 2007) 03 0044 04Research of automatic sample preparation and measuring system for online XRF analysisYANG Xue-mei, TUO Xian- guo, REN Jia- fu, TAO Yong- li, ZENG Yi, MU Ke- liang( College of Applied Nuclear & Automation Engineering, Chengdu University of Techno

3、logy, Chengdu 610059, China)Abstract: Precise electromechanical control technique was adopted in automatic sample preparation and measuring system which was applied to sampling and sample preparation on belt production line for XRF( X- ray fluoresence) analysis in mine and metallurgical industry. Th

4、e system can timely and rapidly complete sampling, sample preparation, measuring and sample removing, etc. The system is controlled by single chip computer, and communicates with remote control computer. Completing a sampling and analysis takes 7 min. Diameter of sample is 40 mm and thicknes is 10 m

5、m. Water content of sample is 5 % to 10 % . The system has successfully be applied to ore dressing plant of Pangang.Key words: X-ray fluorescence analysis; automatic sample preparation and measuring system; single chip computer在礦山、冶金行業(yè)中, 礦料在皮帶上晝夜不停地傳送, 人們要測量皮帶上礦料的元素含量變化, 以確定后面工藝流程或計算當(dāng)日流過礦的元素總重量。為了能在

6、線測量皮帶上傳送的礦料元素的含量, 克服人工取樣分析的滯后性, 需要研制一種機(jī)電控制系統(tǒng), 對皮帶上傳送的礦料進(jìn)行自動定時取樣, 制成測量樣品, 然后對制得的樣品進(jìn)行X 熒光分析, 以獲得皮帶上樣品的平均含量 1 。同時, 樣品制備是X 熒光定量分析中檢測結(jié)果不確定度的主要來源之一, 所以必須對樣品進(jìn)行適的處理以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。由成都理工大 學(xué)于 20 5 年設(shè)計的自動制樣送測系統(tǒng)就是一個能在線完成X 熒光分析的取樣、制樣、測樣、去樣的自動設(shè)備。該系統(tǒng)安裝在攀鋼選礦廠 44 號皮帶上, 分析鐵精礦Fe, Ti 含量, 一年多的運(yùn)行情況表明, 系統(tǒng)實現(xiàn)了對鐵精礦元素含量的在線實時分析, 具

7、有測量速度快、分析準(zhǔn)確的特點。 1工作原理自動制樣送測系統(tǒng)各種動作的執(zhí)行和位置檢測都由單片機(jī)控制完成, 通過串口接收遠(yuǎn)端中央當(dāng) 收稿日期 20062 ; 修改稿收到日期 2007 0 基金項目 科技部國際合作重點項目( 2005DFA20900) ; 國家自然科學(xué)基金( 40574059) 作者簡介 楊雪梅( 982 ) , 女, 四川達(dá)縣人, 碩士研究生, 研究方向為測試計量技術(shù)與儀器。 44 #Metallurgical Industry Automation 2007 No 3用于在線 X 熒光分析的自動制樣送測系統(tǒng)的研制控制系統(tǒng)的命令, 完成中央控制器的指令。為了滿足X 熒光分析的測量

8、條件, 在線測量時樣品的幾何條件和其他物理參數(shù)( 樣量、樣品水分含量、樣面所受的壓力、測量時樣品與探測器的距離等) 要基本保持一致。系統(tǒng)在皮帶上自動收集樣品并壓成餅狀, 然后將樣品送入X 熒光分析儀2 3 的探測器窗口, 進(jìn)行 X 熒光分析, 待分析完成, 將樣 品取走。為了方便控制, 將自動制樣送測系統(tǒng)分為取樣、制樣、測樣、去樣四個步驟。每個動作規(guī)定一個代碼, 執(zhí)行完一個動作后, 給中央控制計算機(jī)發(fā)送一個代碼, 若給定時間內(nèi)得不到執(zhí)行動作的回碼, 便可肯定自動制樣送測系統(tǒng)有故障, 計算機(jī)會立即產(chǎn)生一個警告, 提示操作者到現(xiàn)場查看。系統(tǒng)組成如圖 1 所示。 圖 1 系統(tǒng)組成Fig 1 Syst

9、em composition2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)以單片機(jī)( 77E58) 為現(xiàn)場控制核心, 同傳感器、電機(jī)、PC 機(jī)、鍵盤和顯示器構(gòu)成一套完整的系統(tǒng)。單片機(jī)通過RS232 串口與 PC 機(jī)( 上位機(jī)) 進(jìn)行通信, 當(dāng)系統(tǒng)開始工作后, 單片機(jī)根據(jù)PC 機(jī)發(fā)出的指令驅(qū)動相應(yīng)的電機(jī)( 包括傳動電機(jī)、制樣電機(jī)、轉(zhuǎn)樣電機(jī)和探測器移動電機(jī)) 工作。傳感器檢測電機(jī)帶動裝置運(yùn)行的位置, 并向單片機(jī)發(fā)出信號, 進(jìn)而控制電機(jī)的工作狀態(tài)( 轉(zhuǎn)動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等) , 同時LED 顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài), 實現(xiàn)工業(yè)在線自動分析。系統(tǒng)硬件框圖如圖 2 所示。 212 制樣電機(jī)制樣電機(jī)是一個帶有減速機(jī)構(gòu)的交流電機(jī), 功率

10、約 15 W, 可以在單片機(jī)的控制下正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時帶動壓樣絲桿下移, 反轉(zhuǎn)時帶動絲桿上移, 通過壓樣絲桿的上下移動, 完成制樣和去樣功能。在系統(tǒng)中絲桿壓樣到底部和上升到頂部處有位置傳感器, 單片機(jī)通過檢測這兩個位置傳感器來控制絲桿移動的位置。 213 轉(zhuǎn)樣電機(jī)該電機(jī)用于轉(zhuǎn)動樣品, 為 5 相步進(jìn)電機(jī), 型號為 9013F006, 工作電壓 30 V, 相電流 3 A。轉(zhuǎn)樣電機(jī)在單片機(jī)控制下, 以五相十拍方式工作, 可正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn), 將樣品轉(zhuǎn)到 0b, 90b, 180b的位置。在 0b, 90b, 180b位置上分別裝有三個位置傳感器, 步進(jìn)電機(jī)在單片機(jī)的控制下每走一步都要進(jìn)行位置檢查。當(dāng) 到

11、某一指定位置時, 單片機(jī)便會停止電機(jī)驅(qū)動。 214 探測器移動電機(jī)探測器移動電機(jī)是一個小型交流同步電機(jī)。 在單片機(jī)的控制下, 可正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時將探測器移動到左側(cè)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)樣品的測量, 反轉(zhuǎn)時將探測器移動到右側(cè)進(jìn)行待測樣品的測量。左右兩側(cè)分別裝有兩個位置傳感器, 單片機(jī)通過檢測這兩個傳感器的信號來驅(qū)動該探測器。 3系統(tǒng)軟件控制開機(jī)后, 系統(tǒng)復(fù)位, 壓樣絲桿位于頂部, 轉(zhuǎn)樣電機(jī)位于 0b位置, 探測器位于左側(cè)。當(dāng)有按鍵動作, 判斷鍵值。若為自檢鍵, 系統(tǒng)將按照取樣、制樣、測樣、去樣的順序檢查系統(tǒng)各電機(jī)及機(jī)構(gòu)是否 能正常工作; 若為單步鍵, 則根據(jù)鍵值單步執(zhí)行上 45 #圖 2 系統(tǒng)硬件框圖Fig

12、 2 System hardware framwork211傳動電機(jī)傳動電機(jī)是一個帶有減速裝置并只有一個轉(zhuǎn) 動方向的小功率電機(jī), 轉(zhuǎn)速為 60 r/ min。在電路中, 單片機(jī)通過外部 I/ O 接口輸出信號驅(qū)動固態(tài)繼電器, 傳動電機(jī)則由繼電器輸出的交流2 0 V/ 20 A來驅(qū)動。 冶金自動化 2007 年第 3 期用于在線 X 熒光分析的自動制樣送測系統(tǒng)的研制411取樣取樣時, 單片機(jī)發(fā)送取樣信號給傳動電機(jī), 傳動電機(jī)帶動傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn), 礦樣經(jīng)送料漏斗落到傳送帶上, 隨傳送帶移至滑道, 流入樣品杯。設(shè)定時間結(jié)束時, 傳動電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn), 取樣結(jié)束。 412制樣取樣結(jié)束后, 單片機(jī)控制制樣電機(jī)運(yùn)

13、轉(zhuǎn), 帶動主、從動齒輪轉(zhuǎn)動, 從而帶動絲桿下移, 當(dāng)絲桿頂部的感應(yīng)片a 靠近傳感器 c 時, 制樣電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn), 這時與絲桿相連的壓頭已將樣品杯內(nèi)的樣品壓制成致密的餅。絲桿按要求停留一定時間后, 制樣電機(jī)重新啟動, 且反向旋轉(zhuǎn)帶動絲桿上移。當(dāng)感應(yīng)片a 靠近傳感器 d 時, 制樣電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn), 絲桿回到起始位置。該過程模擬X 熒光室內(nèi)人工制樣方法 4 , 壓制的樣餅( 分析面) 平整, 能很好地滿足X 熒光測量對樣品的要求。 413測樣單片機(jī)發(fā)送測樣信號控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動, 帶動轉(zhuǎn)動臂和固定于轉(zhuǎn)動臂上的樣品杯( 內(nèi)有已壓制成餅的樣品) 由 0b轉(zhuǎn)至 90b, 當(dāng)樣品杯上的感應(yīng)片b 接近傳感器a 時

14、, 系統(tǒng)接收到信號, 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動, 同時控制探測器移動電機(jī)轉(zhuǎn)動, 帶動探測器向右移動至右傳感器位置時停止轉(zhuǎn)動。此時樣品杯中的樣品底部中心正好對準(zhǔn) 在線X 熒光分析儀的探測器窗口, 并按給定的時間進(jìn)行測量。測量完成后, 步進(jìn)電機(jī)重新啟動, 樣 述各動作。當(dāng)PC 機(jī)發(fā)送指令, 單片機(jī)產(chǎn)生串口中斷, 進(jìn)入中斷程序處理, 中斷執(zhí)行完畢, 返回主程序。主程序流程如圖 3 所示。 圖 3 軟件流程圖Fig 3 Program flowchart4系統(tǒng)功能自動制樣送測系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。每個動作都依靠單片機(jī)系統(tǒng)程序來控制實現(xiàn)。 圖 4系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)Fig 4 System device

15、 framework 46 #Metallurgical Industry Automation 2007 No 3用于在線 X 熒光分析的自動制樣送測系統(tǒng)的研制品杯由90b轉(zhuǎn)至180b, 當(dāng)感應(yīng)片b 接近傳感器b 時, 步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動, 樣品杯的軸心線正好與絲桿的軸心線重合。然后單片機(jī)控制探測器移動電機(jī) 帶動探測器向左移動到左傳感器位置, 等待下次測量。 414去樣當(dāng)單片機(jī)檢測到樣品杯位于頂部 180b時, 制樣電機(jī)啟動, 帶動絲桿下移將樣品杯內(nèi)的樣品打掉, 然后反向旋轉(zhuǎn)帶動絲桿上移回到起始位置, 制樣電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。這時步進(jìn)電機(jī)重新啟動, 帶動轉(zhuǎn)動臂和樣品杯繼續(xù)旋轉(zhuǎn), 將樣品刮掉。當(dāng)感應(yīng)片

16、b 接近傳感器e 時, 步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動, 樣品杯回到 0b位置, 等待下次取樣。 經(jīng)過以上步驟, 系統(tǒng)自動實現(xiàn)了取樣、制樣、測樣和去樣, 重復(fù)上面的過程便可實現(xiàn)連續(xù)的在線分析自動控制。 5應(yīng)用效果自動制樣送測系統(tǒng)主要具有以下特點: 5( 1) 完成一次取樣制樣分析時間為 7 min , 遠(yuǎn)小于人工取樣分析樣品時間( 2 h 左右) 。 ( 2) 每次取樣量為( 100 ? 10) g, 每小時可取樣分析 8 次, 取樣代表性好。 ( 3) 系統(tǒng)可精確控制探測器與樣品的距離( 小于015 mm) , 從而保證X 熒光分析的準(zhǔn)確性。 ( 4) 壓制的樣餅尺寸精確, 直徑為 40 mm, 厚度為1

17、0 mm, 水分含量在5% 10% 之間, 很好地滿足了X 熒光測量的要求。 ( 5) 系統(tǒng)能在環(huán)境惡劣的工作現(xiàn)場連續(xù)使用, 工作簡便實用, 維護(hù)方便。 從攀鋼選礦廠使用情況來看, 該系統(tǒng)運(yùn)行可 靠, 自動化程度高, 滿足生產(chǎn)的實際需要, 取得了 很好的效果。由此可見, 本系統(tǒng)設(shè)計是成功的。 參考文獻(xiàn) 1 庹先國, 任家富, 周建斌, 等. 皮帶式鐵精礦含量、水分測量系統(tǒng) J . 成都理工學(xué)院學(xué)報, 2002, 29( 6) : 660664.TUO Xian guo, REN Jia fu, ZHOU Jian bin, et al. Online measurement system of

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