鄧艷龍， 魏建山， 李　可， 王曉剛， 趙志華

(中國地質(zhì)科學(xué)院　地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊　065000)

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土壤熱磁組分分選儀的研制

鄧艷龍， 魏建山， 李可， 王曉剛， 趙志華

(中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊065000)

摘要：為了更好地解決化探新技術(shù)新方法研究中土壤熱磁組分提取和分選問題，開發(fā)研制完成土壤熱磁組分分選儀。分選儀包括線性穩(wěn)流電源和串聯(lián)磁路兩部分，通過改變電流大小，實現(xiàn)了對磁感應(yīng)強(qiáng)度的連續(xù)調(diào)整。經(jīng)過分選實驗驗證該分選儀穩(wěn)定性好，分選精度高，能夠滿足科研需要。

關(guān)鍵詞：土壤熱磁組分； 分選儀； 磁路； 標(biāo)準(zhǔn)差

0前言

熱磁技術(shù)是上世紀(jì)70年代提出的一種偏提取技術(shù)[1]，其原理是經(jīng)過熱磁化處理使土壤中的非晶質(zhì)鐵錳氧化物轉(zhuǎn)變成具有磁性的物質(zhì)(土壤熱磁組分)，然后利用磁力將土壤熱磁組分從土壤中分選出來進(jìn)行分析測試，目的是強(qiáng)化地球化學(xué)異常，解決覆蓋區(qū)地球化學(xué)勘查難題[2-3]。在土壤熱磁組分測量技術(shù)中，磁分選是一個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，但是目前市場上尚沒有能夠滿足土壤熱磁組分測量技術(shù)研究的磁分選儀。為此根據(jù)地球化學(xué)勘查方法技術(shù)研究的實際需要，開發(fā)研制了土壤熱磁組分分選儀，分選試驗結(jié)果證實，分選儀分選穩(wěn)定性好，不僅實現(xiàn)了項目預(yù)期研究目標(biāo)，而且也滿足了地球化學(xué)勘查新技術(shù)研究和推廣的需要。

1分選儀的設(shè)計

分選儀主要包括線性穩(wěn)流電源和串聯(lián)磁路兩部分，通過調(diào)節(jié)線性穩(wěn)流電源改變電流大小，實現(xiàn)對串聯(lián)磁路中磁感應(yīng)強(qiáng)度在500 Gs～20 000 Gs范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)。

1.1線性串聯(lián)穩(wěn)流電源的設(shè)計

線性串聯(lián)穩(wěn)流電源具有輸出電流范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快、電流波紋小等特點(diǎn)[4]，它可以增加分選儀的穩(wěn)定性，減少干擾。項目中設(shè)計了一個輸出電流可調(diào)范圍為0 A～6 A的線性穩(wěn)流電源。電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,系統(tǒng)主要由調(diào)壓器、變壓整流、濾波電路、比較器等組成。

圖1　電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig．1　Block diagram of the power system

調(diào)壓器可以保證調(diào)整管在任意電流輸出情況下的壓降始終在允許范圍內(nèi)，通過調(diào)整基準(zhǔn)電壓的幅值，達(dá)到調(diào)節(jié)電流輸出的目的。

變壓器的作用是將調(diào)壓器輸出的電壓變?yōu)檎麟娐匪璧妮斎腚妷?經(jīng)過整流電路后輸出的電壓波紋仍然比較大。將整流后的電壓輸入濾波電路，以降低輸出電壓波紋，保留其中的直流部分[5]。圖2為單相橋式整流濾波電路原理圖。

圖2　單相橋式整流濾波電路原理圖Fig．2　Single-phase bridge rectifier filter circuit schematics

經(jīng)過整流濾波得到的電壓波紋還不能滿足設(shè)計要求，這時需要加入穩(wěn)流電路來對電流波紋進(jìn)行調(diào)整[6](圖3)。

圖3　穩(wěn)流電路原理圖Fig．3　Steady flow circuit schematics

穩(wěn)流電路包括采樣電阻、基準(zhǔn)電壓、調(diào)整管、推動管、比較放大器、外部電源等幾部分。這樣的設(shè)計可以通過改變基準(zhǔn)電壓的方式來調(diào)節(jié)電流輸出，使輸出電流達(dá)到設(shè)計需要。

1.2磁路的設(shè)計

設(shè)計磁路的磁感應(yīng)強(qiáng)度B最大為 20 000 Gs( 2 T )，采用2組電磁鐵串聯(lián)磁場疊加方式，每組磁感應(yīng)強(qiáng)度為 10 000 Gs( 1 T )。磁路采用工業(yè)純鐵，每組磁路長度L為0.14 m，其結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4　分選儀磁路結(jié)構(gòu)圖Fig．4　Sorter magnetic structure diagram

根據(jù)軟磁材料性能可知，相對磁導(dǎo)率μr=150[7]，根據(jù)公式

(1)

可求得此時鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ為式(2)。

μ=150μ0

(2)

其中μ0=4π×10-7H/m。

而鐵磁材料磁導(dǎo)率又符合公式：

(3)

變換后得到公式(4)。

(4)

然而在粗細(xì)均勻的磁路中，磁場強(qiáng)度可以表示為：

(5)

其中N為線圈匝數(shù)。

將式(5)帶入式(4)中可得式(6)。

(6)

將上述已知參數(shù)帶入式(6)可求得

基于以上設(shè)計，完成分選儀磁路的制作。

電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。由于漏磁等因素的影響，通過最大電流6 A時,磁感應(yīng)強(qiáng)度略小于 20 000 Gs。

圖5　電流-場強(qiáng)關(guān)系曲線Fig．5　Current - field intensity curve

2分選實驗

磁分選的原則是以提高磁性較強(qiáng)部分的回收率和滿足分析要求為前提，盡量保證磁性組分的強(qiáng)度和無磁組分分離的“純凈”[8]，因此對分選儀的磁感應(yīng)強(qiáng)度穩(wěn)定性要求較高。

為了驗證磁分選儀的穩(wěn)定性，進(jìn)行了分選實驗。實驗樣品從內(nèi)蒙古自治區(qū)東烏珠穆沁旗洛恪頓鐵礦試驗區(qū)采集的1 430件樣品中隨機(jī)抽取10件，經(jīng)熱磁化處理后，每件樣品各取100 g進(jìn)行分選實驗。

分選結(jié)果的精確度用標(biāo)準(zhǔn)差來衡量，標(biāo)準(zhǔn)差是反應(yīng)一組數(shù)據(jù)離散程度最常用的一種量化形式，是表示精確度的重要指標(biāo)。實驗分別在5 600 Gs、10 600 Gs、15 600 Gs磁感應(yīng)強(qiáng)度下進(jìn)行分選，同一件樣品在同一磁感應(yīng)強(qiáng)度下分別重復(fù)分選3次，然后計算3次分選重量的標(biāo)準(zhǔn)差,分選結(jié)果見表1。

表1　分選實驗結(jié)果統(tǒng)計表

從表1可以看出,各個磁感應(yīng)強(qiáng)度下分選結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差在0.10～0.21之間，分選儀穩(wěn)定性較好，能夠在各種磁感應(yīng)強(qiáng)度下比較精確地分選出對應(yīng)的熱磁組分，實現(xiàn)了元素富集的目的，滿足了科研需要。

3結(jié)論

1) 項目中設(shè)計制作了一個輸出電流可調(diào)范圍為0 A～6 A的線性穩(wěn)流電源和一個串聯(lián)磁路，通過調(diào)節(jié)線性穩(wěn)流電源改變電流大小，可以實現(xiàn)對串聯(lián)磁路中磁感應(yīng)強(qiáng)度在500 Gs～20 000 Gs范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)。

2)分選實驗對隨機(jī)抽取的10件樣品，在3種磁感應(yīng)強(qiáng)度下分別進(jìn)行了3次分選，并計算出各樣品在每種磁感應(yīng)強(qiáng)度下分選重量的標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)差范圍在0.10～0.21之間，說明分選儀精確度高，穩(wěn)定性好，能夠在給定的磁感應(yīng)強(qiáng)度下比較精確地分選出對應(yīng)的熱磁組分，可以滿足科研需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳玉明，邱郁文. 找金屬礦床的一種新方法——熱磁地球化學(xué)法[J].國外地質(zhì)勘查技術(shù)，1992(4)：29-31.

CHEN Y M, QIU Y W. A new method to find the metal deposits - the thermomagnetic geochemical method [J]. Foreign geoexploration technology,1992(4): 29-31.(In Chinese)

[2]胡樹起,史長義,馬生明，等.熱磁技術(shù)在覆蓋區(qū)找礦中的應(yīng)用[J]. 物探與化探，2010(05)：622-626.

HU S Q, SHI C Y, MA S M, et al. The application of thermomagnetic technique to ore prospecting in coverage areas[J]. Geophysical and geochemical exploration, 2010(05): 622-626.(In Chinese)

[3]丁汝福，張西平. 熱磁地球化學(xué)方法試驗研究[J].有色金屬礦產(chǎn)與勘查,1996，5(2)：102-106.

DING R F, ZHANG X P. Experimental Study of the thermomagnetic geochemical methods[J]. Geological exploration for non-ferrous metals,1996, 5(2): 102-106.(In Chinese)

[4]萬中波.基于單片機(jī)控制的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源[J]. 湖南科技學(xué)院學(xué)報， 2007(04)：31-33.

WAN Z B. Digital DC voltage-stabilized power source based on single chip microcomputer[J]. Journal of Hunan University of Science and Engineering, 2007, 28(4): 31-33.(In Chinese)

[5]江海鷹，孫王強(qiáng)，孫杰. 實用高精度數(shù)控直流電流源[J]. 濟(jì)南大學(xué)學(xué)報，2006，20(3)：249-251.

JIANG H Y, SUN W Q, SUN J. Design of applied high precision numerical controlled DC current/voltage source[J]. Journal of Jinan University, 2006, 20(3): 249-251.(In Chinese)

[6]陳明杰,王向喬,蔡忠見.一種高精度數(shù)控直流電流源的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 微計算機(jī)信息， 2008(04)：178-179.

CHEN M J, WANG X Q, CAI Z J. Design and realization of a high-precision numerical control current source[J]. Microcomputer information, 2008, 24(4): 178-179.(In Chinese)

[7]付文智,李明哲,鄧玉山. 直流電磁鐵磁場和牽引力的數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2005(2)：100-103.

FU W Z, LI M Z, DENG Y S. Numerical simulation for electromagnetic field and its traction used in multipoint forming machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2005, 36(2): 100-103.(In Chinese)

[8]胡樹起,馬生明,劉崇民,等.熱磁技術(shù)方法條件實驗及相關(guān)問題[J]. 物探與化探,2011(02)：212-217.

HU S Q, MA S M, LIU C M, et al. Experiments on technical conditions of the ther- momagnetic technology and some related problems[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2011, 35(2) : 212-217.(In Chinese)

Study of the soil thermomagnetic sorter

DENG Yan-long， WEI Jian-shan， LI Ke， WANG Xiao-gang， ZHAO Zhi-hua

(Institute of Geophysical &Geochemical Exploration，CAGS，Langfang065000, China)

Abstract:In order to better solve geochemical study of a new techniques and methods of soil thermomagnetic component extraction and separation issues, the soil thermomagnetic component sorter is developed. Sorter including two parts of linear constant current power supply and series connection magnetic circuit. Adjusted by changing the current size of the magnetic induction intensity, after sorting experiments verified the sorter high stability and sorting accuracy can meet research needs.

Key words:soil thermomagnetic component； sorter； magnetic circuit； standard devia-tion

中圖分類號：P 631.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.01.16

文章編號：1001-1749(2016)01-0108-04

作者簡介：鄧艷龍(1981-)，男，工程師，主要從事地質(zhì)儀器研發(fā)工作，E-mail：dengyanlong@igge.cn。

基金項目:中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所所長基金科研計劃(AS2011P07)

收稿日期：2014-07-09改回日期：2014-12-20