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

(中國地質科學院　地球物理地球化學勘查研究所，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

(中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，廊坊065000)

摘要：為了更好地解決化探新技術新方法研究中土壤熱磁組分提取和分選問題，開發研制完成土壤熱磁組分分選儀。分選儀包括線性穩流電源和串聯磁路兩部分，通過改變電流大小，實現了對磁感應強度的連續調整。經過分選實驗驗證該分選儀穩定性好，分選精度高，能夠滿足科研需要。

關鍵詞：土壤熱磁組分； 分選儀； 磁路； 標準差

0前言

熱磁技術是上世紀70年代提出的一種偏提取技術[1]，其原理是經過熱磁化處理使土壤中的非晶質鐵錳氧化物轉變成具有磁性的物質(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行分析測試，目的是強化地球化學異常，解決覆蓋區地球化學勘查難題[2-3]。在土壤熱磁組分測量技術中，磁分選是一個關鍵技術環節，但是目前市場上尚沒有能夠滿足土壤熱磁組分測量技術研究的磁分選儀。為此根據地球化學勘查方法技術研究的實際需要，開發研制了土壤熱磁組分分選儀，分選試驗結果證實，分選儀分選穩定性好，不僅實現了項目預期研究目標，而且也滿足了地球化學勘查新技術研究和推廣的需要。

1分選儀的設計

分選儀主要包括線性穩流電源和串聯磁路兩部分，通過調節線性穩流電源改變電流大小，實現對串聯磁路中磁感應強度在500 Gs～20 000 Gs范圍內的連續可調。

1.1線性串聯穩流電源的設計

線性串聯穩流電源具有輸出電流范圍寬、結構簡單，響應快、電流波紋小等特點[4]，它可以增加分選儀的穩定性，減少干擾。項目中設計了一個輸出電流可調范圍為0 A～6 A的線性穩流電源。電源系統的結構框圖如圖1所示,系統主要由調壓器、變壓整流、濾波電路、比較器等組成。

圖1　電源系統結構框圖Fig．1　Block diagram of the power system

調壓器可以保證調整管在任意電流輸出情況下的壓降始終在允許范圍內，通過調整基準電壓的幅值，達到調節電流輸出的目的。

變壓器的作用是將調壓器輸出的電壓變為整流電路所需的輸入電壓,經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

經過整流濾波得到的電壓波紋還不能滿足設計要求，這時需要加入穩流電路來對電流波紋進行調整[6](圖3)。

圖3　穩流電路原理圖Fig．3　Steady flow circuit schematics

穩流電路包括采樣電阻、基準電壓、調整管、推動管、比較放大器、外部電源等幾部分。這樣的設計可以通過改變基準電壓的方式來調節電流輸出，使輸出電流達到設計需要。

1.2磁路的設計

設計磁路的磁感應強度B最大為 20 000 Gs( 2 T )，采用2組電磁鐵串聯磁場疊加方式，每組磁感應強度為 10 000 Gs( 1 T )。磁路采用工業純鐵，每組磁路長度L為0.14 m，其結構見圖4。

圖4　分選儀磁路結構圖Fig．4　Sorter magnetic structure diagram

根據軟磁材料性能可知，相對磁導率μr=150[7]，根據公式

(1)

可求得此時鐵磁材料的磁導率μ為式(2)。

μ=150μ0

(2)

其中μ0=4π×10-7H/m。

而鐵磁材料磁導率又符合公式：

(3)

變換后得到公式(4)。

(4)

然而在粗細均勻的磁路中，磁場強度可以表示為：

(5)

其中N為線圈匝數。

將式(5)帶入式(4)中可得式(6)。

(6)

將上述已知參數帶入式(6)可求得

基于以上設計，完成分選儀磁路的制作。

電流與磁感應強度之間的對應關系如圖5所示。由于漏磁等因素的影響，通過最大電流6 A時,磁感應強度略小于 20 000 Gs。

圖5　電流-場強關系曲線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度和無磁組分分離的“純凈”[8]，因此對分選儀的磁感應強度穩定性要求較高。

為了驗證磁分選儀的穩定性，進行了分選實驗。實驗樣品從內蒙古自治區東烏珠穆沁旗洛恪頓鐵礦試驗區采集的1 430件樣品中隨機抽取10件，經熱磁化處理后，每件樣品各取100 g進行分選實驗。

分選結果的精確度用標準差來衡量，標準差是反應一組數據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。實驗分別在5 600 Gs、10 600 Gs、15 600 Gs磁感應強度下進行分選，同一件樣品在同一磁感應強度下分別重復分選3次，然后計算3次分選重量的標準差,分選結果見表1。

表1　分選實驗結果統計表

從表1可以看出,各個磁感應強度下分選結果的標準差在0.10～0.21之間，分選儀穩定性較好，能夠在各種磁感應強度下比較精確地分選出對應的熱磁組分，實現了元素富集的目的，滿足了科研需要。

3結論

1) 項目中設計制作了一個輸出電流可調范圍為0 A～6 A的線性穩流電源和一個串聯磁路，通過調節線性穩流電源改變電流大小，可以實現對串聯磁路中磁感應強度在500 Gs～20 000 Gs范圍內的連續可調。

2)分選實驗對隨機抽取的10件樣品，在3種磁感應強度下分別進行了3次分選，并計算出各樣品在每種磁感應強度下分選重量的標準差。標準差范圍在0.10～0.21之間，說明分選儀精確度高，穩定性好，能夠在給定的磁感應強度下比較精確地分選出對應的熱磁組分，可以滿足科研需要。

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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

文獻標志碼：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，主要從事地質儀器研發工作，E-mail：dengyanlong@igge.cn。

基金項目:中國地質科學院地球物理地球化學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