1、湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項 目 申 報 表項目名稱：鉆井水溶法開米礦量自動的裝置學校名稱長沙理工大學學生姓名學號專業性別入學年份戴其城201124050729電氣工程及 其自動化男2011李丹201124050708電氣工程及 其自動化女2011魏丹201124050705電氣工程及 其自動化女2011指導教師樊紹勝職稱 教授項目所屬470一級學科學生曾經參與科研的情況戴其城在學校創新實驗室學習,熟悉電子設計。在樊紹勝老師的指導下，曾參與大 學生創新實驗項目”違規排污偵測機器魚”，完成其中上位機的設計和硬件調試工作 。 參加挑戰杯課外科技學術競賽并獲省二等獎。戴其城、李丹、魏丹等

2、學生參與了 LED照明裝置的科技立項，完成了前期的理論設 計和實物制作。指導教師承擔科研課題情況樊紹勝，教授，長期從事自動化領域的教學和科研工作，在電氣設備狀態監控、機 器人等方面有較深入的研究，目前承擔湖南省省重大專項、湖南省自然科學基金重點項 目各1項，企業橫向項目2項。項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題1 .項目研究和試驗目的通過本項目研究和實驗達到以下目的：(1)為本專業學生的成長提供實踐舞臺，將書本理論知識與生產實際有機結合起來, 學以致用，提高學生動手實踐能力，同時增強學生的創新精神和創新意識。(2)研制水溶法開采礦山礦量自動計量裝置，對礦山開采礦量進行自動計量，取代 目

3、前人工統計的方法，為國土資源管理局根據企業開采礦量收取資源稅和國家地質環境 的管理提供數據支撐，且節省人力、物力，達到計量公平、公正，準確。2 .研究內容(1)鉆井水溶法開采礦量計量的方式通過對調研獲得的資料整理、分析，結合國內外計量技術的研究動態，確定對礦液 的計量方式。當前并無一種裝置可直接測出采礦礦液中所含的礦量，只能通過測量管道 流過的流量和溶液中礦量的濃度間接計算出采出的礦量。因此，我們將計量分為兩部分，一是通過超聲波的測量方式，測出單位時間內流過 溶液的總量；二是利用傳感器測量溶液濃度；將濃度及流量相乘即為礦質的含量。3 .要解決的主要問題(1)針對水溶法采礦的特點，分別測量流量和

4、濃度兩個數據，并根據測出的數據計算 出溶質的量。(2)解決測量中可能產生的干擾、誤差等問題，提出消除或抑制的方法，盡量提高測 量精度。(3)制作出計量裝置能滿足采礦現場的實際需要，有效取代人工統計。國內外研究現狀和發展動態我國巖鹽資源十分豐富，已探明的地質儲量約 44500億t。目前，世界上90%Z上的 巖鹽礦山采用水溶法開采。水溶法采礦是根據鹽類礦物易溶于水的特性，通過鉆井或井 巷把淡水（溶劑）注入礦床，在礦床賦存地進行物理化學作用，將鹽類礦物就地溶解， 轉變成流動狀態的溶液（鹵水），然后直接采取的一種新型開采方法。隨著這一技術的推 廣與發展，其引發的問題不容忽視。巖鹽開采后在地下將形成大型

5、采空區，隨開采范圍 的增大而發生上覆巖層移動與變形，隨時間累加，采空區面積與深度增大，如不通過監 測并采取合理的控制措施，將對地面建（構）筑物及農田造成危害，甚至引發地表開裂、 礦區透水等地質災害事故，嚴重影響礦山生產效益和居民生活環境。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200ml致使地表最大沉降近10ml幾乎導致1000棟房屋被毀，15000戶居民被迫遷出，基礎設施不同程度的破壞， 其它還有如意大利Burian鹽礦等因開采沉陷而引起過災難性事故。目前對鉆井水溶法采礦量的計量主要依靠人工統計的方式，派專人在礦場手工統計 開采出的礦量。然而這種監督方式具有

6、兩點明顯不足：一是長期占用大量人力資源并且 效率不高，每個礦場需要專人駐守，而且人需要休息不能二十四小時一直工作，存在有 監管空缺的時候，容易出現礦量統計缺漏的情況：二是監管人員有可能接受企業賄賂， 出現人為統計錯誤，給國家的稅務和資源監督方面造成巨大的損失。目前針對采礦的礦液自動計量裝置的研究幾乎是空白，并沒有一種直接計量礦液含礦量的裝置，因此針對鉆井水溶法采礦的特點研制自動計量裝置十分必要。在相似的領域 中，對油井采量的自動計量裝置研究比較多。油田開采的原油濃稠，含氣體量變化范圍 從0100%fB有可能，但經氣液分離后油液的測量和礦液的測量有相似之處，可為本裝置的研制提供一定借鑒。對礦液礦

7、量的計量應從流量和濃度兩個方面分別計量，并根據： 濃度x流量二溶質這一關系計算出礦液中的礦質的量。目前，對液體流量計量和液體濃度計量兩個方面的研究均已十分成熟。對液體流量計量有多種方法，包括壓差法、渦輪法、電磁法、超聲波法等等，可以 滿足不同場合的應用。例如重慶市計量質量檢測研究院研究開發了一款液體流量計在線檢測裝置，該裝置采用超聲波法，解決了許多液體流量的在線檢測問題，并且具有數據自動采集、證書記錄自動打印、聯網信息查詢等功能，誤差不超過± 4%在濃度測量方面，主要是檢測溶質（硫酸鈉）在水中電離出鈉離子的濃度，在鈉離子 濃度檢測方面，離子選擇電極分析法是電位分析法中發展最為迅速、最

8、活躍的分支，對 某些離子測定的靈敏度可達 10-6數量級，在許多情況下不破壞試液或不用進行復雜的預 處理，對有色、渾濁溶液都可進行分析。吉林大學研究的鈉離子濃度檢測儀可實現±2%勺精度。本項目學生有關的研究積累和已取得的成績1 .在本項目研究中，我們課題組在導師的指導下做了大量的前期準備工作。我們課題組成員通過充分查閱資料，了解了當前國內外關于礦液計量方面的主要方法和成果，學習 了計量控制方面的知識并擬定了項目實施方案。2 .我們作為電類專業學生，以完成數電、 模電、嵌入式系統、自動控制原理等課程的學 習，完成了電子工藝實習，具有扎實的理論知識基礎。項目的創新點和特色1 .針對鉆井水

9、溶法采礦的特點，研究開發了一款高效、準確的礦液礦量自動計量裝 置，取代目前人工統計資源開采量的方法，為國土資源管理局根據企業開采礦量收取資 源稅提供數據，且能節省人力、物力，公平、公正，準確。2 .將濃度測量和流量測量結合，研制一臺綜合型計量裝置，可直接對溶液中溶質計 量。3 .采用超聲波非接觸式的測流量的方法，安裝簡單，傳感器不受礦液腐蝕，使用壽 命長。項目的技術路線及預期成果一、技術路線1 .總體設計思路對采礦量計量的基本思路是測量礦液的流量和礦質（硫酸鈉）的濃度兩個數據，再 根據濃度*流量二溶質的原理算出溶質（硫酸鈉）的量，再將其累加就是開采的礦量。首 先利用流量傳感器和濃度傳感器，將流

10、量和濃度信息轉變為電信號，另外，由于溶質（硫 酸鈉）在一定溫度下在水中的溶解度是有限的，針對在飽和情況下礦液中存在未溶解的 硫酸鈉對測量造成誤差的問題，還需要測量礦液溫度進行濃度飽和的判定以及一定的誤 差修正。測得的信號經濾波、放大等調理電路后送入單片機中，由單片機進行數據處理并將 數據顯示在顯示屏上，同時，由于礦場面積較大，礦井數目遠不止一臺，所以有很多個 計量裝置，有必要將這些裝置組網，通過無線模塊，將每個單片機所計的流量傳送給上 位機，由上位機進行統一監測。信號調理電路A/D轉換電路信號調理電路A/D轉換電路上位機系統2 .傳感器的選擇和測量原理（1）濃度測量針對離子濃度測量的技術已十分

11、成熟。市場上有現成的傳感器可直接購買。由于我們項目是針對水溶法開采芒硝礦(硫酸鈉)的計量，故選擇鈉離子傳感器。測量鈉離子的濃度進而算出硫酸鈉的濃度0(2)溫度測量由能斯特方程可以得出在測量鈉離子濃度的過程中溫度對測量有一定的影響，若不進行一定的溫度補償將會影響鈉離子濃度測量的準確性和穩定性。在實際測量鈉離子濃度時，總是設計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,對于同一濃度值，電極系統產生的電位(mV級)是不同的。因此，必須以某一溫度為基礎，但是，被測溶液的溫度常常是偏離這個溫度，因此，消除溫度的影響是提高對鈉離子濃度測量精確度的前提。溫度測量可選用美國 DALLAS公

12、司生產的一線制數字式溫度傳感器18B20,該器件不需要外接電路，一線即可以傳輸數據，所以電路設計簡單。(3)流量測量1, GNB:地2. DQ.數字輸入/粕出3. VDD=可選+5V電源流量的測量方法有壓差法、渦輪法、電磁法、超聲波法等等。超聲流量計，因儀表流通通道未設置任何阻礙件，屬無阻礙流量計，是適于解決流量測量困難問題的一類流量計，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優點，是近年來發展迅速的一類流量計。多普勒法適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體的流量測量。在管道兩端放置超聲波的發射和接收傳感器，利用聲學多普勒原理，通過測量不均勻流體中放射體散射的超聲波多普勒頻移來確定流體流量。3.硬件電路設計(

13、1)信號調理電路由傳感器測得的信號并不能直接送入單片機中，因為傳感器的信號不但內阻高，還有很多噪聲，這些噪聲頻率一般在 50Hz左右，幅值也遠遠大于有用信號，因此在進行 A/D轉換前，首先要對采集的信號進行濾波放大等處理。信號處理單元連接著傳感器和 A/D轉換器，它的作用是把傳感器采集的信號轉換為 A/D轉換器可直接接收的直流信號。它的穩定性直接影響電磁流量計的精度，是硬件測 量的關鍵。主要由以下幾個單元構成：1）濾波預處理單元，主要利用阻容式 RC濾波器濾除高頻干擾。2）差動儀表放大器。儀表放大器是一種精密差分電壓放大器，它把關鍵元件集成在 放大器內部，使其具有高共模抑制比、高輸入阻抗（一般

14、可達109歐姆）、低噪聲、低線性誤差、低失調漂移、增益設置靈活等優點。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 高頻信號的干擾。經過兩次濾波后，可削弱大部分干擾信號。4）后級放大電路。放大信號的幅值以滿足 A/D轉換電路電壓幅值的要求。（2）單片機系統單片機和A/D轉換器相連，接收并處理調理后的信號。單片機選用ARMfi核的STM32 微處理器，其最高工作頻率可達 72MHz保證有足夠的數據處理速度。單片機進行流速、 濃度、溫度信號的計算、流量累加、LCD顯示等一系列數據處理和操作。同時，單片機作 為下位機，又通過無線模塊將數據發給上位機。單片機系統軟件流

15、程圖4 .無線通訊單片機系統作為下位機，需要將數據傳送給上位機統一管理。若采用傳統的有線連 接方式的通訊，在礦區礦場布線十分不便，且線路暴露在野外環境下又易損壞。因此， 我們采用無線通訊的方式。無線通訊模塊則選擇 APC220-43.APC220-4瓢塊是高度集成半雙工微功率無線數據傳輸模塊，具嵌入高速單片機和 高性能射頻芯片。創新的采用高效的循環交織糾檢錯 編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，最大可以糾24bits 連續突發錯誤，達到業內的領先水平。APC220-43奠塊 提供了多個頻道的選擇，可在線修改串口速率，發射 功率，射頻速率等各種參數。APC220-43模塊能夠透 明傳輸任何大小的數據，而用戶無須編寫復雜的設置 與傳輸程序，同時小體積寬電壓運行，較遠傳輸距離， 豐富便捷的軟件編程設置功能，使之能夠應用與非常 廣泛的領域。5 .上位機系統上位機作為系統終端，界面友好，方便監管人員的監督使用。上位機接收各個下位 機傳來的信息后，將數據匯總、顯示。同時，上位機還有數據保存、數據導出、打印、計量清零等功能。二、預期成果1 .制作一套鉆井水溶法開采礦量自動計量裝置2 .發表論文一篇，中請專利一項。年度目標和工作內容（分年度寫）2