用于在线x荧光分析的自动制样送测系统的研制_h

1、系统与装置 用于在线 X 荧光分析的自动制样送测系统的研制杨雪梅, 庹先国, 任家富, 陶永莉, 曾旖, 穆克亮( 成都理工大学 核技术与自动化工程学院, 四川 成都 610059) 摘要 自动制样送测系统采用精密机电控制技术, 用于在矿山、冶金行业中皮带生产线上取样并制成样品送X荧光仪测量。系统能及时、快速完成取样、制样、测样、去样等, 采用单片机( 77E58) 控制, 并与远端控制机通信。完成一次取样分析时间为 7 min, 样品直径 40 mm, 厚度 10 mm, 水分含量在 5% 10% 之间。该系统已成功应用于攀钢选矿厂。 关键词 X 荧光分析; 自动制样送测系统; 单片机 中图

2、分类号 TF52; TP27 文献标识码 B 文章编号 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在矿山、冶金行业中, 矿料在皮带上昼夜不停地传送, 人们要测量皮带上矿料的元素含量变化, 以确定后面工艺流程或计算当日流过矿的元素总重量。为了能在

6、线测量皮带上传送的矿料元素的含量, 克服人工取样分析的滞后性, 需要研制一种机电控制系统, 对皮带上传送的矿料进行自动定时取样, 制成测量样品, 然后对制得的样品进行X 荧光分析, 以获得皮带上样品的平均含量 1 。同时, 样品制备是X 荧光定量分析中检测结果不确定度的主要来源之一, 所以必须对样品进行适的处理以保证分析结果的准确性。由成都理工大 学于 20 5 年设计的自动制样送测系统就是一个能在线完成X 荧光分析的取样、制样、测样、去样的自动设备。该系统安装在攀钢选矿厂 44 号皮带上, 分析铁精矿Fe, Ti 含量, 一年多的运行情况表明, 系统实现了对铁精矿元素含量的在线实时分析, 具

7、有测量速度快、分析准确的特点。 1工作原理自动制样送测系统各种动作的执行和位置检测都由单片机控制完成, 通过串口接收远端中央当 收稿日期 20062 ; 修改稿收到日期 2007 0 基金项目 科技部国际合作重点项目( 2005DFA20900) ; 国家自然科学基金( 40574059) 作者简介 杨雪梅( 982 ) , 女, 四川达县人, 硕士研究生, 研究方向为测试计量技术与仪器。 44 #Metallurgical Industry Automation 2007 No 3用于在线 X 荧光分析的自动制样送测系统的研制控制系统的命令, 完成中央控制器的指令。为了满足X 荧光分析的测量

8、条件, 在线测量时样品的几何条件和其他物理参数( 样量、样品水分含量、样面所受的压力、测量时样品与探测器的距离等) 要基本保持一致。系统在皮带上自动收集样品并压成饼状, 然后将样品送入X 荧光分析仪2 3 的探测器窗口, 进行 X 荧光分析, 待分析完成, 将样 品取走。为了方便控制, 将自动制样送测系统分为取样、制样、测样、去样四个步骤。每个动作规定一个代码, 执行完一个动作后, 给中央控制计算机发送一个代码, 若给定时间内得不到执行动作的回码, 便可肯定自动制样送测系统有故障, 计算机会立即产生一个警告, 提示操作者到现场查看。系统组成如图 1 所示。 图 1 系统组成Fig 1 Syst

9、em composition2系统硬件结构本系统以单片机( 77E58) 为现场控制核心, 同传感器、电机、PC 机、键盘和显示器构成一套完整的系统。单片机通过RS232 串口与 PC 机( 上位机) 进行通信, 当系统开始工作后, 单片机根据PC 机发出的指令驱动相应的电机( 包括传动电机、制样电机、转样电机和探测器移动电机) 工作。传感器检测电机带动装置运行的位置, 并向单片机发出信号, 进而控制电机的工作状态( 转动、停止、正转、反转等) , 同时LED 显示系统的工作状态, 实现工业在线自动分析。系统硬件框图如图 2 所示。 212 制样电机制样电机是一个带有减速机构的交流电机, 功率

10、约 15 W, 可以在单片机的控制下正转和反转。正转时带动压样丝杆下移, 反转时带动丝杆上移, 通过压样丝杆的上下移动, 完成制样和去样功能。在系统中丝杆压样到底部和上升到顶部处有位置传感器, 单片机通过检测这两个位置传感器来控制丝杆移动的位置。 213 转样电机该电机用于转动样品, 为 5 相步进电机, 型号为 9013F006, 工作电压 30 V, 相电流 3 A。转样电机在单片机控制下, 以五相十拍方式工作, 可正转反转, 将样品转到 0b, 90b, 180b的位置。在 0b, 90b, 180b位置上分别装有三个位置传感器, 步进电机在单片机的控制下每走一步都要进行位置检查。当 到

11、某一指定位置时, 单片机便会停止电机驱动。 214 探测器移动电机探测器移动电机是一个小型交流同步电机。 在单片机的控制下, 可正转和反转。正转时将探测器移动到左侧进行标准样品的测量, 反转时将探测器移动到右侧进行待测样品的测量。左右两侧分别装有两个位置传感器, 单片机通过检测这两个传感器的信号来驱动该探测器。 3系统软件控制开机后, 系统复位, 压样丝杆位于顶部, 转样电机位于 0b位置, 探测器位于左侧。当有按键动作, 判断键值。若为自检键, 系统将按照取样、制样、测样、去样的顺序检查系统各电机及机构是否 能正常工作; 若为单步键, 则根据键值单步执行上 45 #图 2 系统硬件框图Fig

12、 2 System hardware framwork211传动电机传动电机是一个带有减速装置并只有一个转 动方向的小功率电机, 转速为 60 r/ min。在电路中, 单片机通过外部 I/ O 接口输出信号驱动固态继电器, 传动电机则由继电器输出的交流2 0 V/ 20 A来驱动。 冶金自动化 2007 年第 3 期用于在线 X 荧光分析的自动制样送测系统的研制411取样取样时, 单片机发送取样信号给传动电机, 传动电机带动传送带运转, 矿样经送料漏斗落到传送带上, 随传送带移至滑道, 流入样品杯。设定时间结束时, 传动电机停止运转, 取样结束。 412制样取样结束后, 单片机控制制样电机运

13、转, 带动主、从动齿轮转动, 从而带动丝杆下移, 当丝杆顶部的感应片a 靠近传感器 c 时, 制样电机停止运转, 这时与丝杆相连的压头已将样品杯内的样品压制成致密的饼。丝杆按要求停留一定时间后, 制样电机重新启动, 且反向旋转带动丝杆上移。当感应片a 靠近传感器 d 时, 制样电机停止运转, 丝杆回到起始位置。该过程模拟X 荧光室内人工制样方法 4 , 压制的样饼( 分析面) 平整, 能很好地满足X 荧光测量对样品的要求。 413测样单片机发送测样信号控制步进电机转动, 带动转动臂和固定于转动臂上的样品杯( 内有已压制成饼的样品) 由 0b转至 90b, 当样品杯上的感应片b 接近传感器a 时

14、, 系统接收到信号, 单片机控制步进电机停止转动, 同时控制探测器移动电机转动, 带动探测器向右移动至右传感器位置时停止转动。此时样品杯中的样品底部中心正好对准 在线X 荧光分析仪的探测器窗口, 并按给定的时间进行测量。测量完成后, 步进电机重新启动, 样 述各动作。当PC 机发送指令, 单片机产生串口中断, 进入中断程序处理, 中断执行完毕, 返回主程序。主程序流程如图 3 所示。 图 3 软件流程图Fig 3 Program flowchart4系统功能自动制样送测系统装置结构如图 4 所示。每个动作都依靠单片机系统程序来控制实现。 图 4系统装置结构Fig 4 System device

15、 framework 46 #Metallurgical Industry Automation 2007 No 3用于在线 X 荧光分析的自动制样送测系统的研制品杯由90b转至180b, 当感应片b 接近传感器b 时, 步进电机停止转动, 样品杯的轴心线正好与丝杆的轴心线重合。然后单片机控制探测器移动电机 带动探测器向左移动到左传感器位置, 等待下次测量。 414去样当单片机检测到样品杯位于顶部 180b时, 制样电机启动, 带动丝杆下移将样品杯内的样品打掉, 然后反向旋转带动丝杆上移回到起始位置, 制样电机停止运转。这时步进电机重新启动, 带动转动臂和样品杯继续旋转, 将样品刮掉。当感应片

16、b 接近传感器e 时, 步进电机停止转动, 样品杯回到 0b位置, 等待下次取样。 经过以上步骤, 系统自动实现了取样、制样、测样和去样, 重复上面的过程便可实现连续的在线分析自动控制。 5应用效果自动制样送测系统主要具有以下特点: 5( 1) 完成一次取样制样分析时间为 7 min , 远小于人工取样分析样品时间( 2 h 左右) 。 ( 2) 每次取样量为( 100 ? 10) g, 每小时可取样分析 8 次, 取样代表性好。 ( 3) 系统可精确控制探测器与样品的距离( 小于015 mm) , 从而保证X 荧光分析的准确性。 ( 4) 压制的样饼尺寸精确, 直径为 40 mm, 厚度为1

17、0 mm, 水分含量在5% 10% 之间, 很好地满足了X 荧光测量的要求。 ( 5) 系统能在环境恶劣的工作现场连续使用, 工作简便实用, 维护方便。 从攀钢选矿厂使用情况来看, 该系统运行可 靠, 自动化程度高, 满足生产的实际需要, 取得了 很好的效果。由此可见, 本系统设计是成功的。 参考文献 1 庹先国, 任家富, 周建斌, 等. 皮带式铁精矿含量、水分测量系统 J . 成都理工学院学报, 2002, 29( 6) : 660664.TUO Xian guo, REN Jia fu, ZHOU Jian bin, et al. Online measurement system of

18、 analyzing content of water and iron ore J . Journal of Chengdu University of T echnology, 2002, 29 ( 6) : 660 664. 2 童运福, 庹先国, 周建斌, 等. 多种矿石多元素 X 荧光分析技术 J . 核技术, 2000, 23 ( 9) : 608 613.TONG Yun fu, TUO Xian guo, ZHOU Jian bin, et al. Mult element analysis technique of ore samples J . Nuclear Tech n

19、iques, 2000, 23( 9) : 608 613. 3 庹先国, 滕彦国, 周建斌. 适合于国土资源大调查的 多元素快速核分析系统的研制 J . 成都理工学院学报,2000, 27 ( 增刊) : 233 234.TUO Xian guo, TENG Yan guo, ZHOU Jian btudy anddesign of multi element nuclear analytic system for investiga tion of state land resources J . Journal of Chengdu University of Technology, 2

20、000, 27( S) : 233 234. 4 王 坚, 庹先国, 成 毅, 等. X 射线荧光分析在铅锌精矿检验中的应用 J . 金属矿山, 2000, ( 8) : 28 29.WANG Jian, TUO Xian guo, CHENG Yi, et al. The applica tion of X ray fluorescence analysis in lead and zinc concentrate checking J . Metal Mine, 2000, ( 8) : 28 29. 5 庹先国, 徐争启, 郭向利, 等. 基于 EDXRF 的铁精矿品位、水分在线分析系统的应用 J . 分析实验室, 2002, 21( 5) : 90 92.TUO Xian guo , XU Zheng qi, GUO Xiang li, et al. The appli cation of EDXRF on line analysis system in th