钻井水溶法开采矿量自动计量装置-长沙理工大学

1、湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目申报表项目名称 :钻井水溶法开采矿量自动计量装置学校名称长沙理工大学学生姓名学 号专业性 别入学年份戴其城201124050729电气工程及男2011其自动化李丹201124050708电气工程及女2011其自动化魏丹201124050705电气工程及女2011其自动化指导教师樊绍胜职称教授项目所属470一级学科学生曾经参与科研的情况戴其城在学校创新实验室学习， 熟悉电子设计。 在樊绍胜老师的指导下， 曾参与大学生创新实验项目“违规排污侦测机器鱼” ，完成其中上位机的设计和硬件调试工作 。参加挑战杯课外科技学术竞赛并获省二等奖。戴其城、李丹、魏丹等学生

2、参与了 LED照明装置的科技立项， 完成了前期的理论设计和实物制作。指导教师承担科研课题情况樊绍胜，教授，长期从事自动化领域的教学和科研工作，在电气设备状态监控、机器人等方面有较深入的研究，目前承担湖南省省重大专项、湖南省自然科学基金重点项目各 1 项，企业横向项目2 项。项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题1. 项目研究和试验目的通过本项目研究和实验达到以下目的：（1） 为本专业学生的成长提供实践舞台， 将书本理论知识与生产实际有机结合起来，学以致用，提高学生动手实践能力，同时增强学生的创新精神和创新意识。（2） 研制水溶法开采矿山矿量自动计量装置，对矿山开采矿量进行自动计量，取代目

3、前人工统计的方法，为国土资源管理局根据企业开采矿量收取资源税和国家地质环境的管理提供数据支撑，且节省人力、物力，达到计量公平、公正，准确。2. 研究内容（1） 钻井水溶法开采矿量计量的方式通过对调研获得的资料整理、分析，结合国内外计量技术的研究动态，确定对矿液的计量方式。当前并无一种装置可直接测出采矿矿液中所含的矿量，只能通过测量管道流过的流量和溶液中矿量的浓度间接计算出采出的矿量。因此，我们将计量分为两部分，一是通过超声波的测量方式，测出单位时间内流过溶液的总量；二是利用传感器测量溶液浓度；将浓度及流量相乘即为矿质的含量。3要解决的主要问题（1）针对水溶法采矿的特点，分别测量流量和浓度两个数

4、据，并根据测出的数据计算出溶质的量。（2）解决测量中可能产生的干扰、误差等问题，提出消除或抑制的方法，尽量提高测量精度。（3）制作出计量装置能满足采矿现场的实际需要，有效取代人工统计。国内外研究现状和发展动态我国岩盐资源十分丰富，已探明的地质储量约44500 亿 t 。目前，世界上90%以上的岩盐矿山采用水溶法开采。水溶法采矿是根据盐类矿物易溶于水的特性，通过钻井或井巷把淡水（溶剂）注入矿床，在矿床赋存地进行物理化学作用，将盐类矿物就地溶解，转变成流动状态的溶液（卤水） ，然后直接采取的一种新型开采方法。随着这一技术的推广与发展，其引发的问题不容忽视。岩盐开采后在地下将形成大型采空区，随开采范

5、围的增大而发生上覆岩层移动与变形，随时间累加，采空区面积与深度增大，如不通过监测并采取合理的控制措施 , 将对地面建（构）筑物及农田造成危害，甚至引发地表开裂、矿区透水等地质灾害事故，严重影响矿山生产效益和居民生活环境。南斯拉夫Tuzla 盐城由于矿化水的渗入，造成在矿层中形成盐水层，水位降低了200m，致使地表最大沉降近 10m，几乎导致 1000 栋房屋被毁， 15000 户居民被迫迁出，基础设施不同程度的破坏，其它还有如意大利 Burian 盐矿等因开采沉陷而引起过灾难性事故。目前对钻井水溶法采矿量的计量主要依靠人工统计的方式，派专人在矿场手工统计开采出的矿量。然而这种监督方式具有两点明

6、显不足：一是长期占用大量人力资源并且效率不高，每个矿场需要专人驻守，而且人需要休息不能二十四小时一直工作，存在有监管空缺的时候，容易出现矿量统计缺漏的情况：二是监管人员有可能接受企业贿赂，出现人为统计错误，给国家的税务和资源监督方面造成巨大的损失。目前针对采矿的矿液自动计量装置的研究几乎是空白， 并没有一种直接计量矿液含矿量的装置，因此针对钻井水溶法采矿的特点研制自动计量装置十分必要。在相似的领域中，对油井采量的自动计量装置研究比较多。油田开采的原油浓稠，含气体量变化范围从 0100%都有可能，但经气液分离后油液的测量和矿液的测量有相似之处， 可为本装置的研制提供一定借鉴。对矿液矿量的计量应从

7、流量和浓度两个方面分别计量，并根据：浓度×流量 =溶质这一关系计算出矿液中的矿质的量。目前，对液体流量计量和液体浓度计量两个方面的研究均已十分成熟。对液体流量计量有多种方法，包括压差法、涡轮法、电磁法、超声波法等等，可以满足不同场合的应用。例如重庆市计量质量检测研究院研究开发了一款液体流量计在线检测装置，该装置采用超声波法，解决了许多液体流量的在线检测问题，并且具有数据自动采集、证书记录自动打印、联网信息查询等功能，误差不超过±4%。在浓度测量方面，主要是检测溶质（硫酸钠）在水中电离出钠离子的浓度，在钠离子浓度检测方面，离子选择电极分析法是电位分析法中发展最为迅速、最活跃的

8、分支，对某些离子测定的灵敏度可达 10-6 数量级，在许多情况下不破坏试液或不用进行复杂的预处理 , 对有色、浑浊溶液都可进行分析。吉林大学研究的钠离子浓度检测仪可实现±2%的精度。本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩1. 在本项目研究中， 我们课题组在导师的指导下做了大量的前期准备工作。 我们课题组成员通过充分查阅资料，了解了当前国内外关于矿液计量方面的主要方法和成果，学习了计量控制方面的知识并拟定了项目实施方案。2. 我们作为电类专业学生，以完成数电、 模电、嵌入式系统、 自动控制原理等课程的学习，完成了电子工艺实习，具有扎实的理论知识基础。项目的创新点和特色1 针对钻井水溶法

9、采矿的特点，研究开发了一款高效、准确的矿液矿量自动计量装置，取代目前人工统计资源开采量的方法，为国土资源管理局根据企业开采矿量收取资源税提供数据，且能节省人力、物力，公平、公正，准确。2 将浓度测量和流量测量结合，研制一台综合型计量装置，可直接对溶液中溶质计量。3 采用超声波非接触式的测流量的方法，安装简单，传感器不受矿液腐蚀，使用寿命长。项目的技术路线及预期成果一、技术路线1总体设计思路对采矿量计量的基本思路是测量矿液的流量和矿质（硫酸钠）的浓度两个数据，再根据浓度 * 流量 =溶质的原理算出溶质（硫酸钠）的量，再将其累加就是开采的矿量。首先利用流量传感器和浓度传感器，将流量和浓度信息转变为

10、电信号，另外，由于溶质（硫酸钠）在一定温度下在水中的溶解度是有限的，针对在饱和情况下矿液中存在未溶解的硫酸钠对测量造成误差的问题，还需要测量矿液温度进行浓度饱和的判定以及一定的误差修正。测得的信号经滤波、放大等调理电路后送入单片机中，由单片机进行数据处理并将数据显示在显示屏上，同时，由于矿场面积较大，矿井数目远不止一台，所以有很多个计量装置，有必要将这些装置组网，通过无线模块，将每个单片机所计的流量传送给上位机，由上位机进行统一监测。流浓温信号调理电路流浓温信号调理电路量度度量度度信信信信信信号号号A/D 转换电路号号号A/D转换电路LCD显示ARMLCD显示ARM装置 1信装置 n信通通线线

11、无无上位机系统2传感器的选择和测量原理（1） 浓度测量针对离子浓度测量的技术已十分成熟。市场上有现成的传感器可直接购买。由于我们项目是针对水溶法开采芒硝矿（硫酸钠）的计量，故选择钠离子传感器。测量钠离子的浓度进而算出硫酸钠的浓度。（2）温度测量由能斯特方程可以得出在测量钠离子浓度的过程中温度对测量有一定的影响，若不进行一定的温度补偿将会影响钠离子浓度测量的准确性和稳定性。在实际测量钠离子浓度时，总是设计成一定的毫伏值表示一定的钠离子的浓度值，但是在不同的溶液温度下，对于同一浓度值，电极系统产生的电位（ mV 级）是不同的。因此，必须以某一温度为基础，但是，被测溶液的温度常常是偏离这个温度，因此

12、，消除温度的影响是提高对钠离子浓度测量精确度的前提。温度测量可选用美国DALLAS 公司生产的一线制数字式温度传感器18B20，该器件不需要外接电路，一线即可以传输数据， 所以电路设计简单。（3）流量测量流量的测量方法有压差法、涡轮法、电磁法、超声波法等等。超声流量计，因仪表流通通道未设置任何阻碍件 , 属无阻碍流量计 , 是适于解决流量测量困难问题的一类流量计 , 特别在大口径流量测量方面有较突出的优点 , 是近年来发展迅速的一类流量计。多普勒法适用于含悬浮颗粒、气泡等流体的流量测量。在管道两端放置超声波的发射和接收传感器，利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移

13、来确定流体流量。3. 硬件电路设计（1）信号调理电路传差高滤通后感动A/D波低级器仪转预通放信表换处滤大号放理波大由传感器测得的信号并不能直接送入单片机中，因为传感器的信号不但内阻高，还有很多噪声，这些噪声频率一般在50Hz 左右，幅值也远远大于有用信号，因此在进行A/D 转换前，首先要对采集的信号进行滤波放大等处理。信号处理单元连接着传感器和A/D 转换器，它的作用是把传感器采集的信号转换为A/D 转换器可直接接收的直流信号。它的稳定性直接影响电磁流量计的精度，是硬件测量的关键。主要由以下几个单元构成：1) 滤波预处理单元，主要利用阻容式 RC滤波器滤除高频干扰。2) 差动仪表放大器。仪表放

14、大器是一种精密差分电压放大器，它把关键元件集成在放大器内部，使其具有高共模抑制比、高输入阻抗（一般可达 10 9 欧姆）、低噪声、低线性误差、低失调漂移、增益设置灵活等优点。3) 高通、低通滤波单元。高通滤波器用以滤除 50Hz 的干扰，低通滤波器用以滤除高频信号的干扰。经过两次滤波后，可削弱大部分干扰信号。4) 后级放大电路。放大信号的幅值以满足 A/D 转换电路电压幅值的要求。（2）单片机系统单片机和 A/D 转换器相连，接收并处理调理后的信号。 单片机选用 ARM内核的 STM32 微处理器，其最高工作频率可达 72MHz，保证有足够的数据处理速度。单片机进行流速、浓度、温度信号的计算、

15、流量累加、 LCD显示等一系列数据处理和操作。同时，单片机作为下位机，又通过无线模块将数据发给上位机。中断入口开机程序初始化关中断A/D 采集计数停止？Y停止计数数据处理N流量累加Y计数清零？计数重置LCD显示N数据无线传送中断结束、开中断单片机系统软件流程图4. 无线通讯单片机系统作为下位机，需要将数据传送给上位机统一管理。若采用传统的有线连接方式的通讯，在矿区矿场布线十分不便，且线路暴露在野外环境下又易损坏。因此，我们采用无线通讯的方式。无线通讯模块则选择APC220-43.APC220-43模块是高度集成半双工微功率无线数据传输模块，其嵌入高速单片机和高性能射频芯片。创新的采用高效的循环

16、交织纠检错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高， 最大可以纠 24bits连续突发错误， 达到业内的领先水平。 APC220-43模块提供了多个频道的选择，可在线修改串口速率，发射功率，射频速率等各种参数。APC220-43 模块能够透明传输任何大小的数据，而用户无须编写复杂的设置与传输程序，同时小体积宽电压运行， 较远传输距离，丰富便捷的软件编程设置功能，使之能够应用与非常广泛的领域。5. 上位机系统上位机作为系统终端，界面友好，方便监管人员的监督使用。上位机接收各个下位机传来的信息后，将数据汇总、显示。同时，上位机还有数据保存、数据导出、打印、计量清零等功能。二、预期成果1制作一套钻井水溶法开采矿量自动计量装置。2发表论文一篇，申请专利一项。年度