鉆井水溶法開(kāi)采礦量自動(dòng)計(jì)量裝置-長(zhǎng)沙理工大學(xué)

1、湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目申報(bào)表項(xiàng)目名稱 :鉆井水溶法開(kāi)采礦量自動(dòng)計(jì)量裝置學(xué)校名稱長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)專業(yè)性 別入學(xué)年份戴其城201124050729電氣工程及男2011其自動(dòng)化李丹201124050708電氣工程及女2011其自動(dòng)化魏丹201124050705電氣工程及女2011其自動(dòng)化指導(dǎo)教師樊紹勝職稱教授項(xiàng)目所屬470一級(jí)學(xué)科學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況戴其城在學(xué)校創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)， 熟悉電子設(shè)計(jì)。 在樊紹勝老師的指導(dǎo)下， 曾參與大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“違規(guī)排污偵測(cè)機(jī)器魚(yú)” ，完成其中上位機(jī)的設(shè)計(jì)和硬件調(diào)試工作 。參加挑戰(zhàn)杯課外科技學(xué)術(shù)競(jìng)賽并獲省二等獎(jiǎng)。戴其城、李丹、魏丹等學(xué)生

2、參與了 LED照明裝置的科技立項(xiàng)， 完成了前期的理論設(shè)計(jì)和實(shí)物制作。指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況樊紹勝，教授，長(zhǎng)期從事自動(dòng)化領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作，在電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、機(jī)器人等方面有較深入的研究，目前承擔(dān)湖南省省重大專項(xiàng)、湖南省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目各 1 項(xiàng)，企業(yè)橫向項(xiàng)目2 項(xiàng)。項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問(wèn)題1. 項(xiàng)目研究和試驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)本項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)達(dá)到以下目的：（1） 為本專業(yè)學(xué)生的成長(zhǎng)提供實(shí)踐舞臺(tái)， 將書(shū)本理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)際有機(jī)結(jié)合起來(lái)，學(xué)以致用，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新意識(shí)。（2） 研制水溶法開(kāi)采礦山礦量自動(dòng)計(jì)量裝置，對(duì)礦山開(kāi)采礦量進(jìn)行自動(dòng)計(jì)量，取代目

3、前人工統(tǒng)計(jì)的方法，為國(guó)土資源管理局根據(jù)企業(yè)開(kāi)采礦量收取資源稅和國(guó)家地質(zhì)環(huán)境的管理提供數(shù)據(jù)支撐，且節(jié)省人力、物力，達(dá)到計(jì)量公平、公正，準(zhǔn)確。2. 研究?jī)?nèi)容（1） 鉆井水溶法開(kāi)采礦量計(jì)量的方式通過(guò)對(duì)調(diào)研獲得的資料整理、分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)外計(jì)量技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)，確定對(duì)礦液的計(jì)量方式。當(dāng)前并無(wú)一種裝置可直接測(cè)出采礦礦液中所含的礦量，只能通過(guò)測(cè)量管道流過(guò)的流量和溶液中礦量的濃度間接計(jì)算出采出的礦量。因此，我們將計(jì)量分為兩部分，一是通過(guò)超聲波的測(cè)量方式，測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)溶液的總量；二是利用傳感器測(cè)量溶液濃度；將濃度及流量相乘即為礦質(zhì)的含量。3要解決的主要問(wèn)題（1）針對(duì)水溶法采礦的特點(diǎn)，分別測(cè)量流量和濃度兩個(gè)數(shù)

4、據(jù)，并根據(jù)測(cè)出的數(shù)據(jù)計(jì)算出溶質(zhì)的量。（2）解決測(cè)量中可能產(chǎn)生的干擾、誤差等問(wèn)題，提出消除或抑制的方法，盡量提高測(cè)量精度。（3）制作出計(jì)量裝置能滿足采礦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，有效取代人工統(tǒng)計(jì)。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)我國(guó)巖鹽資源十分豐富，已探明的地質(zhì)儲(chǔ)量約44500 億 t 。目前，世界上90%以上的巖鹽礦山采用水溶法開(kāi)采。水溶法采礦是根據(jù)鹽類礦物易溶于水的特性，通過(guò)鉆井或井巷把淡水（溶劑）注入礦床，在礦床賦存地進(jìn)行物理化學(xué)作用，將鹽類礦物就地溶解，轉(zhuǎn)變成流動(dòng)狀態(tài)的溶液（鹵水） ，然后直接采取的一種新型開(kāi)采方法。隨著這一技術(shù)的推廣與發(fā)展，其引發(fā)的問(wèn)題不容忽視。巖鹽開(kāi)采后在地下將形成大型采空區(qū)，隨開(kāi)采范

5、圍的增大而發(fā)生上覆巖層移動(dòng)與變形，隨時(shí)間累加，采空區(qū)面積與深度增大，如不通過(guò)監(jiān)測(cè)并采取合理的控制措施 , 將對(duì)地面建（構(gòu)）筑物及農(nóng)田造成危害，甚至引發(fā)地表開(kāi)裂、礦區(qū)透水等地質(zhì)災(zāi)害事故，嚴(yán)重影響礦山生產(chǎn)效益和居民生活環(huán)境。南斯拉夫Tuzla 鹽城由于礦化水的滲入，造成在礦層中形成鹽水層，水位降低了200m，致使地表最大沉降近 10m，幾乎導(dǎo)致 1000 棟房屋被毀， 15000 戶居民被迫遷出，基礎(chǔ)設(shè)施不同程度的破壞，其它還有如意大利 Burian 鹽礦等因開(kāi)采沉陷而引起過(guò)災(zāi)難性事故。目前對(duì)鉆井水溶法采礦量的計(jì)量主要依靠人工統(tǒng)計(jì)的方式，派專人在礦場(chǎng)手工統(tǒng)計(jì)開(kāi)采出的礦量。然而這種監(jiān)督方式具有兩點(diǎn)明

6、顯不足：一是長(zhǎng)期占用大量人力資源并且效率不高，每個(gè)礦場(chǎng)需要專人駐守，而且人需要休息不能二十四小時(shí)一直工作，存在有監(jiān)管空缺的時(shí)候，容易出現(xiàn)礦量統(tǒng)計(jì)缺漏的情況：二是監(jiān)管人員有可能接受企業(yè)賄賂，出現(xiàn)人為統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤，給國(guó)家的稅務(wù)和資源監(jiān)督方面造成巨大的損失。目前針對(duì)采礦的礦液自動(dòng)計(jì)量裝置的研究幾乎是空白， 并沒(méi)有一種直接計(jì)量礦液含礦量的裝置，因此針對(duì)鉆井水溶法采礦的特點(diǎn)研制自動(dòng)計(jì)量裝置十分必要。在相似的領(lǐng)域中，對(duì)油井采量的自動(dòng)計(jì)量裝置研究比較多。油田開(kāi)采的原油濃稠，含氣體量變化范圍從 0100%都有可能，但經(jīng)氣液分離后油液的測(cè)量和礦液的測(cè)量有相似之處， 可為本裝置的研制提供一定借鑒。對(duì)礦液礦量的計(jì)量應(yīng)從

7、流量和濃度兩個(gè)方面分別計(jì)量，并根據(jù)：濃度×流量 =溶質(zhì)這一關(guān)系計(jì)算出礦液中的礦質(zhì)的量。目前，對(duì)液體流量計(jì)量和液體濃度計(jì)量?jī)蓚€(gè)方面的研究均已十分成熟。對(duì)液體流量計(jì)量有多種方法，包括壓差法、渦輪法、電磁法、超聲波法等等，可以滿足不同場(chǎng)合的應(yīng)用。例如重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院研究開(kāi)發(fā)了一款液體流量計(jì)在線檢測(cè)裝置，該裝置采用超聲波法，解決了許多液體流量的在線檢測(cè)問(wèn)題，并且具有數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、證書(shū)記錄自動(dòng)打印、聯(lián)網(wǎng)信息查詢等功能，誤差不超過(guò)±4%。在濃度測(cè)量方面，主要是檢測(cè)溶質(zhì)（硫酸鈉）在水中電離出鈉離子的濃度，在鈉離子濃度檢測(cè)方面，離子選擇電極分析法是電位分析法中發(fā)展最為迅速、最活躍的

8、分支，對(duì)某些離子測(cè)定的靈敏度可達(dá) 10-6 數(shù)量級(jí)，在許多情況下不破壞試液或不用進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理 , 對(duì)有色、渾濁溶液都可進(jìn)行分析。吉林大學(xué)研究的鈉離子濃度檢測(cè)儀可實(shí)現(xiàn)±2%的精度。本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)1. 在本項(xiàng)目研究中， 我們課題組在導(dǎo)師的指導(dǎo)下做了大量的前期準(zhǔn)備工作。 我們課題組成員通過(guò)充分查閱資料，了解了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于礦液計(jì)量方面的主要方法和成果，學(xué)習(xí)了計(jì)量控制方面的知識(shí)并擬定了項(xiàng)目實(shí)施方案。2. 我們作為電類專業(yè)學(xué)生，以完成數(shù)電、 模電、嵌入式系統(tǒng)、 自動(dòng)控制原理等課程的學(xué)習(xí)，完成了電子工藝實(shí)習(xí)，具有扎實(shí)的理論知識(shí)基礎(chǔ)。項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色1 針對(duì)鉆井水溶法

9、采礦的特點(diǎn)，研究開(kāi)發(fā)了一款高效、準(zhǔn)確的礦液礦量自動(dòng)計(jì)量裝置，取代目前人工統(tǒng)計(jì)資源開(kāi)采量的方法，為國(guó)土資源管理局根據(jù)企業(yè)開(kāi)采礦量收取資源稅提供數(shù)據(jù)，且能節(jié)省人力、物力，公平、公正，準(zhǔn)確。2 將濃度測(cè)量和流量測(cè)量結(jié)合，研制一臺(tái)綜合型計(jì)量裝置，可直接對(duì)溶液中溶質(zhì)計(jì)量。3 采用超聲波非接觸式的測(cè)流量的方法，安裝簡(jiǎn)單，傳感器不受礦液腐蝕，使用壽命長(zhǎng)。項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果一、技術(shù)路線1總體設(shè)計(jì)思路對(duì)采礦量計(jì)量的基本思路是測(cè)量礦液的流量和礦質(zhì)（硫酸鈉）的濃度兩個(gè)數(shù)據(jù)，再根據(jù)濃度 * 流量 =溶質(zhì)的原理算出溶質(zhì)（硫酸鈉）的量，再將其累加就是開(kāi)采的礦量。首先利用流量傳感器和濃度傳感器，將流量和濃度信息轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

10、電信號(hào)，另外，由于溶質(zhì)（硫酸鈉）在一定溫度下在水中的溶解度是有限的，針對(duì)在飽和情況下礦液中存在未溶解的硫酸鈉對(duì)測(cè)量造成誤差的問(wèn)題，還需要測(cè)量礦液溫度進(jìn)行濃度飽和的判定以及一定的誤差修正。測(cè)得的信號(hào)經(jīng)濾波、放大等調(diào)理電路后送入單片機(jī)中，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并將數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上，同時(shí)，由于礦場(chǎng)面積較大，礦井?dāng)?shù)目遠(yuǎn)不止一臺(tái)，所以有很多個(gè)計(jì)量裝置，有必要將這些裝置組網(wǎng)，通過(guò)無(wú)線模塊，將每個(gè)單片機(jī)所計(jì)的流量傳送給上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)。流濃溫信號(hào)調(diào)理電路流濃溫信號(hào)調(diào)理電路量度度量度度信信信信信信號(hào)號(hào)號(hào)A/D 轉(zhuǎn)換電路號(hào)號(hào)號(hào)A/D轉(zhuǎn)換電路LCD顯示ARMLCD顯示ARM裝置 1信裝置 n信通通線線

11、無(wú)無(wú)上位機(jī)系統(tǒng)2傳感器的選擇和測(cè)量原理（1） 濃度測(cè)量針對(duì)離子濃度測(cè)量的技術(shù)已十分成熟。市場(chǎng)上有現(xiàn)成的傳感器可直接購(gòu)買(mǎi)。由于我們項(xiàng)目是針對(duì)水溶法開(kāi)采芒硝礦（硫酸鈉）的計(jì)量，故選擇鈉離子傳感器。測(cè)量鈉離子的濃度進(jìn)而算出硫酸鈉的濃度。（2）溫度測(cè)量由能斯特方程可以得出在測(cè)量鈉離子濃度的過(guò)程中溫度對(duì)測(cè)量有一定的影響，若不進(jìn)行一定的溫度補(bǔ)償將會(huì)影響鈉離子濃度測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在實(shí)際測(cè)量鈉離子濃度時(shí)，總是設(shè)計(jì)成一定的毫伏值表示一定的鈉離子的濃度值，但是在不同的溶液溫度下，對(duì)于同一濃度值，電極系統(tǒng)產(chǎn)生的電位（ mV 級(jí)）是不同的。因此，必須以某一溫度為基礎(chǔ)，但是，被測(cè)溶液的溫度常常是偏離這個(gè)溫度，因此

12、，消除溫度的影響是提高對(duì)鈉離子濃度測(cè)量精確度的前提。溫度測(cè)量可選用美國(guó)DALLAS 公司生產(chǎn)的一線制數(shù)字式溫度傳感器18B20，該器件不需要外接電路，一線即可以傳輸數(shù)據(jù)， 所以電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。（3）流量測(cè)量流量的測(cè)量方法有壓差法、渦輪法、電磁法、超聲波法等等。超聲流量計(jì)，因儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件 , 屬無(wú)阻礙流量計(jì) , 是適于解決流量測(cè)量困難問(wèn)題的一類流量計(jì) , 特別在大口徑流量測(cè)量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn) , 是近年來(lái)發(fā)展迅速的一類流量計(jì)。多普勒法適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體的流量測(cè)量。在管道兩端放置超聲波的發(fā)射和接收傳感器，利用聲學(xué)多普勒原理，通過(guò)測(cè)量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普勒頻移

13、來(lái)確定流體流量。3. 硬件電路設(shè)計(jì)（1）信號(hào)調(diào)理電路傳差高濾通后感動(dòng)A/D波低級(jí)器儀轉(zhuǎn)預(yù)通放信表?yè)Q處濾大號(hào)放理波大由傳感器測(cè)得的信號(hào)并不能直接送入單片機(jī)中，因?yàn)閭鞲衅鞯男盘?hào)不但內(nèi)阻高，還有很多噪聲，這些噪聲頻率一般在50Hz 左右，幅值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有用信號(hào)，因此在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換前，首先要對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波放大等處理。信號(hào)處理單元連接著傳感器和A/D 轉(zhuǎn)換器，它的作用是把傳感器采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為A/D 轉(zhuǎn)換器可直接接收的直流信號(hào)。它的穩(wěn)定性直接影響電磁流量計(jì)的精度，是硬件測(cè)量的關(guān)鍵。主要由以下幾個(gè)單元構(gòu)成：1) 濾波預(yù)處理單元，主要利用阻容式 RC濾波器濾除高頻干擾。2) 差動(dòng)儀表放大器。儀表放

14、大器是一種精密差分電壓放大器，它把關(guān)鍵元件集成在放大器內(nèi)部，使其具有高共模抑制比、高輸入阻抗（一般可達(dá) 10 9 歐姆）、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)漂移、增益設(shè)置靈活等優(yōu)點(diǎn)。3) 高通、低通濾波單元。高通濾波器用以濾除 50Hz 的干擾，低通濾波器用以濾除高頻信號(hào)的干擾。經(jīng)過(guò)兩次濾波后，可削弱大部分干擾信號(hào)。4) 后級(jí)放大電路。放大信號(hào)的幅值以滿足 A/D 轉(zhuǎn)換電路電壓幅值的要求。（2）單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)和 A/D 轉(zhuǎn)換器相連，接收并處理調(diào)理后的信號(hào)。 單片機(jī)選用 ARM內(nèi)核的 STM32 微處理器，其最高工作頻率可達(dá) 72MHz，保證有足夠的數(shù)據(jù)處理速度。單片機(jī)進(jìn)行流速、濃度、溫度信號(hào)的計(jì)算、

15、流量累加、 LCD顯示等一系列數(shù)據(jù)處理和操作。同時(shí)，單片機(jī)作為下位機(jī)，又通過(guò)無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)。中斷入口開(kāi)機(jī)程序初始化關(guān)中斷A/D 采集計(jì)數(shù)停止？Y停止計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)處理N流量累加Y計(jì)數(shù)清零？計(jì)數(shù)重置LCD顯示N數(shù)據(jù)無(wú)線傳送中斷結(jié)束、開(kāi)中斷單片機(jī)系統(tǒng)軟件流程圖4. 無(wú)線通訊單片機(jī)系統(tǒng)作為下位機(jī)，需要將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)統(tǒng)一管理。若采用傳統(tǒng)的有線連接方式的通訊，在礦區(qū)礦場(chǎng)布線十分不便，且線路暴露在野外環(huán)境下又易損壞。因此，我們采用無(wú)線通訊的方式。無(wú)線通訊模塊則選擇APC220-43.APC220-43模塊是高度集成半雙工微功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其嵌入高速單片機(jī)和高性能射頻芯片。創(chuàng)新的采用高效的循環(huán)

16、交織糾檢錯(cuò)編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高， 最大可以糾 24bits連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤， 達(dá)到業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平。 APC220-43模塊提供了多個(gè)頻道的選擇，可在線修改串口速率，發(fā)射功率，射頻速率等各種參數(shù)。APC220-43 模塊能夠透明傳輸任何大小的數(shù)據(jù)，而用戶無(wú)須編寫(xiě)復(fù)雜的設(shè)置與傳輸程序，同時(shí)小體積寬電壓運(yùn)行， 較遠(yuǎn)傳輸距離，豐富便捷的軟件編程設(shè)置功能，使之能夠應(yīng)用與非常廣泛的領(lǐng)域。5. 上位機(jī)系統(tǒng)上位機(jī)作為系統(tǒng)終端，界面友好，方便監(jiān)管人員的監(jiān)督使用。上位機(jī)接收各個(gè)下位機(jī)傳來(lái)的信息后，將數(shù)據(jù)匯總、顯示。同時(shí)，上位機(jī)還有數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、打印、計(jì)量清零等功能。二、預(yù)期成果1制作一套鉆井水溶法開(kāi)采礦量自動(dòng)計(jì)量裝置。2發(fā)表論文一篇，申請(qǐng)專利一項(xiàng)。年度