一种用于矿浆元素分析标定过程中的自动取样装置及方法技术领域
本发明涉及一种矿浆自动取样装置及方法，具体说是涉及一种矿浆元素分析标定过程中的自动取样装置及方法。
背景技术
我国冶金、有色金属、矿山、建材等众多领域的生产过程中，原料中各种元素的配比对产品质量起着关键的作用。目前基于专利技术“在流检测多元素分析装置及方法”（专利号：200710010105.5）的仪器已经很好的实现了对料流的各组成元素含量的实时检测，摆脱了人工取样后再进行化学分析的烦琐程序，大大提高了生产效率。
但是由于在流元素分析仪器在正式投入使用之前需要对仪器进行标定，并且在使用一定期限后需要对仪器进行校准。具体的做法是将仪器安装于生产线的相关工艺点上后，通过对实际生产过程中的物料进行检测，仪器记录下相应的计数信息以及原数学模型的计算结果，与这些物料的化验室化学分析结果进行比对，逐步修正仪器的数学模型中的相关参数，使得仪器的最终使用误差满足现场的应用要求。
这就要求被取到化验室进行化学分析的物料样品，要与仪表所测量的物料具有很好的同一性和代表性，否则将严重损害仪表标定效果。尤其是化验室化学分析只能针对很少的量进行分析，而工业生产中往往物料的流量达到每小时几十立方米，如何取到同一性和代表性都很好的料样，一直是这类仪器标定过程中被困扰的难题。
目前在仪表的标定过程中，所采用的还是人工取样的方式，即在物料流动过程中用带柄容器多次舀取料流并收集到一起，经烘干后用于实验室化学分析。这一过程受人为因素影响较大，不同人员取样也存在一定差异，并且取样与测量的时间偏差也较大，导致在工业现场人工取样所带来的误差往往占整个分析过程累计误差的很大部分，远高于化验误差。因此对工业动态料流进行仪器自动取样非常必要。
虽然目前已经有自动取样装置的相关技术，例如《自动矿浆取样机的设计与应用》（《黄金科学技术》第12卷第2期，第46~48页）所描述。但是该类方法只能保证取样勺的匀速滑动。而在工业现场的实际生产过程中，矿浆的浓度是不稳定的，会存在一个合理的浓度变化区间，这样导致了实际取到的矿浆在烘干后，干样量的多少不稳定，量太少则不够分析用，量太多又造成浪费。
发明内容
本发明针对现有矿浆多元素分析仪器所存在的缺陷，提出一种针对于矿浆元素分析标定过程中的自动取样装置及方法。
本发明所采用的技术方案是：
在流槽24中装有前档板23及后档板8，将流槽24分隔成进矿仓25、测量仓26及排矿仓27三个空间。前挡板23的顶部向排矿仓27方向弯折，在前挡板23的上方分别装有一定高度的左橡胶挡板21和右橡胶挡板22。在进矿仓25的侧面位置制有进料管9，在测量仓26的底部制有排料口10，在排矿仓27的底部制有出料管11。在流槽24的上方制有框架18，框架18上装有取样电机14、减速机20、左同步带轮15、右同步带轮16、上圆柱滑轨4、下圆柱滑轨5、左限位开关1、右左限位开关2、防护罩19。取样电机14通过减速机20可以带动右同步带轮16顺时针或逆时针旋转。右同步带轮16与左同步带轮15之间通过同步带17传动。同步带17上固定有滑块3，滑块3制有二个横向通孔，嵌套在上圆柱滑轨4与下圆柱滑轨5上，并可在同步带7的带动下沿着上圆柱滑轨4与下圆柱滑轨5的方向自由滑动。滑块3上固定有摆杆6，摆杆6上固定有取样漏斗7，取样漏斗7处于排矿仓27内前挡板23折弯的下方，取样漏斗7接有橡胶软管13，橡胶软管13穿过流槽24的器壁，可以将取样漏斗7中的流体物质导流出，流进到取样桶12中。防护罩19保护取样传动部分，防止积尘。
在流槽24上方固定有探测腔体31，在探测腔体的头部中固定有放射源及X射线探测器，探测腔体的头部深入到测量仓26中，并低于前挡板23的上沿，保证能够浸入在矿浆中；探测腔体31的头部中固定的X射线探测器的信号通过信号电缆传输给多道能谱仪35。多道能谱仪35将接收到的信号转化为能谱后通过信号电缆传输给工控机36，工控机36连接电气控制柜37，电气控制柜37连接取样电机14。
平时取样系统不工作时，滑块3将停留在左极限位置或右极限位置，使取样漏斗7停在在左橡胶挡板21或右橡胶挡板22的下方，当矿浆从前挡板23的上方及左橡胶挡板21和右橡胶挡板22之间的区域溢流入排矿仓27时，将没有矿浆能够被取样漏斗7的狭口接到，没有矿浆流进取样漏斗7。
当取样系统工作时，滑块3将在左极限位置和右极限位置之间做往复滑动，滑块3通过摆杆6带动使取样漏斗7做同样的往复运动，当矿浆从前挡板23的上方及左橡胶挡板21和右橡胶挡板22之间的区域溢流入排矿仓27时，取样漏斗7将不断沿垂直于矿浆流的方向反复划过矿浆流，取样漏斗7的狭口迎向矿浆流，将有部分矿浆流通过取样漏斗7的狭口流入取样漏斗7，并经过橡胶软管13最终流入取样桶12。
整个取样系统的工作状态，由PLC控制。通过PLC及变频器等电气控制元件的配合，控制取样电机14的转速以及转向，实现对滑块3的移动速度及方向的控制，并过通过调节滑块3的移动速度来控制最终的取样量。通过左限位开关1及右限位开关2是否被触发判断取样漏斗7是否处于左极限位置或右极限位置。
对滑块3的移动速度的控制，是通过调节取样电机14的转速来实现的，具体方法如下：
探测腔体31的头部中固定的X射线探测器的信号通过信号电缆传输给多道能谱仪35。多道能谱仪35将接收到的信号转化为能谱后通过信号电缆传输给工控机36。工控机36对接收到的能谱进行寻峰、定道址（确定能量）、峰面积求和、扣除相应本底等相应处理后，计算出放射源射线散射峰面积S0，具体计算S0的方法在专利技术“在流检测多元素分析装置及方法”（专利号：200710010105.5）的公开文件中已有说明，已经是目前的公知技术。由于矿浆浓度与放射源射线散射峰面积S0存在函数关系，因此工控机36可以根据放射源射线散射峰面积S0计算得到合适的搅拌电机转速p（单位：转/分钟）。工控机36通过信号电缆将搅拌电机转速p的数值传输给电气控制柜37，电气控制柜37调节取样电机14的转速为p。
通过放射源射线散射峰面积S0计算得到搅拌电机转速p的公式为：
式中：p为搅拌电机转速，单位为“转/分钟”；S0为放射源射线散射峰面积；A、B、C、D为经验系数，这些系数的确定，可以在实际应用过程中逐步调整，直至达到一个满意的效果为止。
而如何通过PLC及变频器等电气控制器件的配合，实现使电机按照要求转速来进行工作的方法，是行业内有经验的人员所公知的。
当取样开始时，PLC通过变频器控制取样电机14以转速p正转或反转使滑块3通过摆杆6带动取样漏斗7在左极限位置及右极限位置之间向左或向右滑动，直到测量时间结束无需继续取样为止。取样结束后，滑块3处于左极限位置或右极限位置，取样漏斗7停在左橡胶挡板21或右橡胶挡板22的下方。
具体工作过程为：
当对在流X荧光多元素分析仪器进行标定或与化验室分析结果对比的工作中需要在测量的同时取样时，按下取样选择按钮，启动系统，当PLC判断在流X荧光多元素分析仪器开始对流槽24中的矿浆进行测量时，通过控制取样电机14正转使滑块3通过摆杆6带动取样漏斗7向左侧滑动并判断是否触发左限位开关1；若滑块3已经在左极限位置则直接触发左限位开关1；当PLC判断左限位开关1已触发则控制取样电机14停止转动。PLC继续判断测量时间是否结束，若测量时间已经结束则取样结束；若取样时间没有结束，则PLC继续控制取样电机14反转使滑块3通过摆杆6带动取样漏斗7向右侧滑动并判断是否触发右限位开关2，当PLC判断右限位开关2已触发时则控制取样电机14停止转动。PLC继续判断测量时间是否结束，若测量时间已经结束则取样结束；若取样时间没有结束，则PLC继续控制取样电机14正转使滑块3向左滑动并重复前述判断及步骤，直到测量时间结束为止。
本发明的有益效果是：实现自动取样，通过PLC及变频器进行自动控制，可通过机械对流动样品进行在线取样，避免了人工取样，节省人力成本；取样时间准确，通过PLC中定时器设定时间，能准确控制取样起始及结束时间，实现取样与仪器分析同步；根据矿浆浓度实时调节取样电机的转速，实现对取样漏斗的滑动速度的调节与控制，保证所取矿浆烘干后的干样量稳定，机械装置往复式取样相对于手工取样在设定时间内取样量更加稳定；通过该装置可有效降低仪器在取样建模、标定及对照过程中的取样误差。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图
图2是流槽的俯视图
图3是取样传动部分的结构剖视图
图4是取样漏斗的结构示意图
图5是取样漏斗的A-A视图
图6是取样漏斗的俯视图
图7是本发明的PLC输入端接线图
图8是本发明的PLC输出端接线图
图9是本发明的PLC电器控制系统流程图
图中：1左限位开关，2右限位开关，3滑块，4上圆柱滑轨，5下圆柱滑轨，6摆杆，7取样漏斗，8后挡板，9进料管，10排料口，11出料管，12取样桶，13橡胶软管，14取样电机，15左同步带轮，16右同步带轮，17同步带，18框架，19防护罩，20减速机，21左橡胶挡板，22右橡胶挡板，23前挡板，24流槽，25进矿仓，26测量仓，27排矿仓，31探测腔体，35多道能谱仪，36工控机，37电气控制柜。
具体实施方式
结合附图详细说明本发明的装置结构和使用方法。
如图1及图2所示，流槽24中装有前档板23及后档板8，将流槽24分隔成进矿仓25、测量仓26及排矿仓27三个空间，其中进矿仓25与测量仓26之间在后档板8的下方连通，测量仓26与排矿仓27之间在前挡板23的上方连通。在进矿仓25的侧面位置制有进料管9，在测量仓26的底部制有排料口10，在排矿仓27的底部制有出料管11。前挡板23的顶部向排矿仓27方向弯折，在前挡板23的上方分别装有一定高度的左橡胶挡板21和右橡胶挡板22，当矿浆由进料管9流入流槽24，按箭头所示方向，先流经进矿仓25，然后从后档板8的下方流入测量仓26，再从前挡板23的上方及左橡胶挡板21和右橡胶挡板22之间的区域溢流入排矿仓27，最后由出料管11流出流槽24。排料口10平时封堵，其作用是当矿浆断流时，可以通过打开排料口10将测量仓26及进矿仓25中的淤矿排空。
如图1所示，在流槽24上方固定有探测腔体31，在探测腔体的头部中固定有放射源及X射线探测器，探测腔体的头部深入到测量仓26中，并低于前挡板23的上沿，保证能够浸入在矿浆中；探测腔体31的头部中固定的X射线探测器的信号通过信号电缆传输给多道能谱仪35。多道能谱仪35将接收到的信号转化为能谱后通过信号电缆传输给工控机36，工控机36连接电气控制柜37，电气控制柜37连接取样电机14。
如图1及图3所示，在流槽24的上方制有框架18，框架18上装有取样电机14、减速机20、左同步带轮15、右同步带轮16、上圆柱滑轨4、下圆柱滑轨5、左限位开关1、右左限位开关2、防护罩19。取样电机14通过减速机20可以带动右同步带轮16顺时针或逆时针旋转。右同步带轮16与左同步带轮15之间通过同步带17传动，并使同步带17绷紧，同步带17为一环形带。同步带17上固定有滑块3，滑块3制有二个横向通孔，嵌套在上圆柱滑轨4与下圆柱滑轨5上，并可在同步带7的带动下沿着上圆柱滑轨4与下圆柱滑轨5的方向自由滑动。滑块3上固定有摆杆6，摆杆6上固定有取样漏斗7，取样漏斗7的具体结构如图4、图5、图6所示，为顶部开有狭口的条形中空容器，取样漏斗7处于排矿仓27内前挡板23折弯的下方。防护罩19保护包含取样电机14、减速机20、左同步带轮15、右同步带轮16、滑块3等器件在内的取样传动部分，防止积尘。
当取样电机14正转或反转时，可以通过减速机20带动右同步带轮16顺时针或逆时针旋转，进而由同步带17带动滑块3向右或左移动。当滑块3向左滑动到极限位置时刚好触发左限位开关1，并通过摆杆6带动使取样漏斗7位于左橡胶挡板21的下方。当滑块3向右滑动到极限位置时刚好触发右限位开关2，并通过摆杆6带动使取样漏斗7位于右橡胶挡板22的下方。
取样漏斗7接有橡胶软管13，橡胶软管13穿过流槽24的器壁，可以将取样漏斗7中的流体物质导流出，流进到取样桶12中。
平时取样系统不工作时，滑块3将停留在左极限位置或右极限位置，使取样漏斗7停在在左橡胶挡板21或右橡胶挡板22的下方，当矿浆从前挡板23的上方及左橡胶挡板21和右橡胶挡板22之间的区域溢流入排矿仓27时，将没有矿浆能够被取样漏斗7的狭口接到，没有矿浆流进取样漏斗7。
当取样系统工作时，滑块3将在左极限位置和右极限位置之间做往复滑动，滑块3通过摆杆6带动使取样漏斗7做同样的往复运动，当矿浆从前挡板23的上方及左橡胶挡板21和右橡胶挡板22之间的区域溢流入排矿仓27时，取样漏斗7将不断沿垂直于矿浆流的方向反复划过矿浆流，取样漏斗7的狭口迎向矿浆流，将有部分矿浆流通过取样漏斗7的狭口流入取样漏斗7，并经过橡胶软管13最终流入取样桶12。
当取样系统的工作结束后，将滑块3停留在左极限位置或右极限位置，使取样漏斗7停在左橡胶挡板21或右橡胶挡板22的下方。工作人员将盛有取到的矿浆样的取样桶12拎到化验室去即可。
具体应用方法如下：
如附图7所示，来自变频器的信号驱动取样电机14，通过交流接触器KM1进行控制。取样选择按钮按下时开关量信号就通过PLC的DCLDI1输入点输入到PLC内进行判断；当滑块3运行到左端触碰到左限位开关1时，开关量信号就通过PLC的DCLDI2输入点输入到PLC内进行判断；当滑块3运行到右端触碰到右限位开关2时，开关量信号就通过PLC的DCLDI3输入点输入到PLC内进行判断。开关量DCLDI1、DCLDI2、DCLDI3为+24V，COM表示负极。
如附图8所示，PLC通过DCLDO1输出开关量信号控制继电器KA1，当其吸合时通过变频器控制取样电机14正转；通过DCLDO2输出开关量信号控制继电器KA2，当其吸合时通过变频器控制取样电机14反转；通过DCLDO3输出开关量信号控制继电器KA3，当其吸合时交流接触器KM1吸合，取样电机14启动。继电器KA1和继电器KA2互相锁定，不能同时吸合。继电器KA1、KA2、KA3输入均为24V，GND表示24V电源负极；交流接触器KM1输入为220V，图中L表示火线，N表示零线。
如附图9所示，如对在流X荧光多元素分析仪器进行标定或与化验室分析结果对比的工作中需要取样时，按下取样选择按钮，取样系统启动，输入开关量信号到PLC的DCLDI1。当PLC判断为在流X荧光多元素分析仪器开始对流槽内的矿浆进行测量时，PLC的DCLDO1输出开关量信号使继电器KA1的常开点吸合，变频器驱动取样电机14正转，使滑块3左行。
当滑块3触碰到左限位开关1后，输入开关量信号到PLC的DCLDI2，PLC内程序进行测量时间是否结束的判断，如果到达测量时间结束则PLC的DCLDO1及DCLDO3停止输出开关量信号，继电器KA1和KA3的常开点断开，交流接触器KM1断开，取样电机14停止；否则PLC的DCLDO1停止输出开关量信号使继电器KA1的常开点断开，PLC的DCLDO2输出开关量信号使继电器KA2的常开点吸合，变频器驱动取样电机14反转，使滑块3右行。
当滑块3触碰到右限位开关2后，输入开关量信号到PLC的DCLDI3，PLC内程序进行测量时间是否结束的判断，如果到达测量时间结束则PLC的DCLDO2及DCLDO3停止输出开关量信号，继电器KA1和KA3的常开点断开，交流接触器KM1断开，取样电机14停止工作；否则PLC的DCLDO2停止输出开关量信号使继电器KA2的常开点断开，PLC的DCLDO1输出开关量信号使继电器KA1的常开点吸合，变频器驱动取样电机14正转，使滑块3左行。
若尚未到达测量时间结束，则滑块3将往复循环运动，直到到达测量时间结束，取样电机14停止运行，滑块3停在左极限位置或右极限位置，取样过程结束。
其中对滑块3的移动速度的控制，是通过调节取样电机14的转速来实现的，具体方法如下：
探测腔体31的头部中固定的X射线探测器的信号通过信号电缆传输给多道能谱仪35。多道能谱仪35将接收到的信号转化为能谱后通过信号电缆传输给工控机36。工控机36对接收到的能谱进行寻峰、定道址（确定能量）、峰面积求和、扣除相应本底等相应处理后，计算出放射源射线散射峰面积S0，具体计算S0的方法在专利技术“在流检测多元素分析装置及方法”（专利号：200710010105.5）的公开文件中已有说明，已经是目前的公知技术。由于矿浆浓度与放射源射线散射峰面积S0存在函数关系，因此工控机36可以根据放射源射线散射峰面积S0计算得到合适的搅拌电机转速p（单位：转/分钟）。工控机36通过信号电缆将搅拌电机转速p的数值传输给电气控制柜37，电气控制柜37调节取样电机14的转速为p。
通过放射源射线散射峰面积S0计算得到搅拌电机转速p的公式为：
式中：p为搅拌电机转速，单位为“转/分钟”；S0为放射源射线散射峰面积；A、B、C、D为经验系数，这些系数的确定，可以在实际应用过程中逐步调整，直至达到一个满意的效果为止。
应用实例：
限位开关选用“欧姆龙”品牌，型号为“LW01CA12”。
流槽、圆柱滑轨、摆杆、取样漏斗、框架、防护罩等为委托机械加工单位定制。
减速机选购山东博山新特电机厂的“5IK120A1-S3F/NMRV030-15-DZ”型涡轮减速机，取样电机由减速机厂家配套提供。
同步带轮及同步带选用宁波贝递同步带有限公司产品，其中左同步带轮型号为“25L100WF-45”，右同步带轮型号为“25L100WF-33”，同步带型号为“300L100”。
PLC选用西门子品牌的“6ES7216-2AD23-0XB8”型CPU及“6ES7232-0HB22-0XA8”型模拟量扩展模块。
变频器选用ABB品牌产品，型号为“ACS350-03E-01A2-4”。
经过在某选矿厂的实际应用，设置参数如下：
A=－0.03；
B=3.7；
C=11；
D=13500。