引用本文
柯丹, 吴国东, 刘洪军, 陈浩, 王勇. 便携式多功能地电化学供电装置的研制[J]. 物探与化探, 2016,40(6): 1211-1216.
KE Dan, WU Guo-Dong, LIU Hong-Jun, CHEN Hao, WANG Yong. Development of portable and multi-function electro-extraction device[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(6): 1211-1216.
Doi:10.11720/wtyht.2016.6.24  
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便携式多功能地电化学供电装置的研制
柯丹, 吴国东, 刘洪军, 陈浩, 王勇
核工业北京地质研究院 中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室,北京 100029

作者简介: 柯丹(1981-),男,博士,高级工程师,安徽怀宁人,主要从事铀矿勘查中地球化学方法技术研究工作。

收稿日期: 2016-04-07
基金: 中国核工业地质局铀矿地质科研项目(201495)
摘要

地电化学提取技术作为深穿透地球化学方法的重要组成部分,在国内外多种矿产资源勘查中取得了较好的找矿效果。在地电化学提取过程中,对埋置在土壤中的提取器持续稳定供电是进行金属离子有效提取的关键条件之一。研制了HD-2014型便携式多功能地电化学供电装置,尺寸为8.8 cm×8.8 cm×2.3 cm,重量仅为 140 g,能够实现4.5 V、6 V、9 V和14 V四档恒压以及10 mA恒流输出,同时具有1~99 h的定时调节以及实时显示工作状态和信息的功能。室内和野外测试结果表明,该装置恒压及恒流输出时最大误差率分别仅为1.38%和0.60%,能够保证各测点电场强度或电流强度的一致性。

关键词: 地电化学; 电提取; 矿产勘查; 深穿透地球化学
中图分类号:P632 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)06-1211-6 doi: 10.11720/wtyht.2016.6.24
Development of portable and multi-function electro-extraction device
KE Dan, WU Guo-Dong, LIU Hong-Jun, CHEN Hao, WANG Yong
CNNC Key Laboratory of Uranium Resources Exploration and Evaluation Technology, Beijing Research Institute of Uranium Geology, Beijing 100029, China
Abstract

Electro-geochemical extraction technique, as one part of the deep-penetrating geochemistry, has been widely used in the exploration for mineral resources and proved to be very useful. During the extracting process, it is critical that provide stable and continuous electricity power to the extracting electrodes. By now, it is still some problem remain to be solved. A kind of device called HD-2014 portable and multi-function electro-extraction is developed. It is 8.8 cm×8.8 cm×2.3 cm large and with a weight of 140 g. Four types of constant voltage output including 4.5 V, 6 V, 9 V and 14 V can be achieved using this device. And also, stable output of 10mA can be achieved. The extraction time can be set from 1 to 99 hours and the status can be showed in time. Test results acquired indoor and in field demonstrated that the maximum error of voltage and current are 1.38% and 0.60% respectively, which could assure the consistence of the electric field and current intensity.

Keyword: electro-geochemical extraction; electricity extraction; mineral exploration; deep-penetrating geochemistry

地电化学提取技术作为深穿透地球化学的重要组成部分, 自20世纪70年代被Ryss和Goldberg提出之后[1], 在国内外多种矿产勘查中取得了较好的应用效果, 能够较准确地预测和定位隐伏金属矿床[2, 3, 4]。地电化学提取利用人工电场将土壤中呈活动态的带电金属离子富集在电极上, 并对其进行分析测试, 发现与成矿相关的元素异常, 从而实现寻找深部隐伏矿产的目的。在提取过程中, 为了尽量保证提取条件的一致性, 需要借助于专门研制的供电装置来提供稳定的人工电场。供电装置由笨重向轻便转变, 一直在往逐渐小型化的方向发展。但目前轻便型供电装置还存在由于采用干电池供电而导致的电压衰减和对环境造成影响等问题。鉴于此, 笔者研制了一种便携式多功能地电化学提取供电装置。

1 地电化学供电装置的发展历程

在地电化学方法提出的初期, 学者们认为供电电流与所提取的深度是成正比的, 因此主要采用的是大功率、高电压的供电方式。20世纪70年代, 前苏联研制了用于地电提取的大功率CHIM-10型车载工作站, 该工作站最大输出电流为20 A, 各分道输出最大电流为600 mA, 一次可以同时完成28个测点的地电提取。

我国科研及生产单位自20世纪80年代中期开始引进地电化学提取技术, 并将其发展为高电压、低电流和长时间的激发方式, 形成了一套适合野外的快速提取理论和野外工作技术。1986年, 核工业部东北地勘局240研究所高云龙针对不同的工作目的, 共研制出DDHK-21、DT2-10、DT3-10、DT4-22和DT4-305种不同类型的地电化学提取电场控制仪[5], 其中DDHK-21型为车载式, 重85 kg, 最大输出电压为600 V, 总电流为20 A, 各分道输出最大电流为1 000 mA; 1988年, 地质矿产部地质经济技术研究中心的鲁光宇等研制出了轻便型地电化学探测仪, 采用的是小型汽油发电机组供电, 相对于前苏联及高云龙研制的采样装置更为轻便[6]; 2000年, 核工业北京地质研究院的伍岳等研制了DY-1 型电压调控仪, 解决了接地条件不好地区的地电提取问题[7], 与同类仪器相比, 体积和重量大大减小, 重量为10 kg, 输出总功率为1 200 W, 具备等电压提取功能。

在地电化学方法引进至2000年之前, 地电化学供电装置的研制总体受到“ 供电电流与所提取的深度是成正比” 这一认识的影响, 研制出的仪器主要特点是高电压、大功率, 因此装置较为笨重。20世纪90年代开始, 罗先熔等[3]开展了一系列低电压、小电流的独立供电偶极子地电化学提取试验工作。研究认为, 低电压、小电流供电同样能够取得较好的提取效果, 也逐渐改变了“ 供电电压(电流)与所提取的深度成正比” 的固有认知, 为供电装置的进一步小型化奠定了基础, 国内多家单位也开始研制小型便携式地电提取供电装置。

罗先熔等[3]开始采用9 V干电池作为供电装置, 一直沿用至今。2004年, 中国地质科学院物化探研究所的刘占元和陈志中共同研制了一种结构简单、功能实用的固体载体型元素提取器, 与之前的装置相比, 有效提高了地电化学野外采样的工作效率[8]; 2009年, 孙彬彬和刘占元在2004年研制的固体载体元素提取器的基础上, 进一步研制出了一种具有时间控制功能的固体载体元素提取器[9], 虽然能够保证各测点在提取时间上的一致, 但由于采用的是9 V干电池供电, 无法保证各测点电场强度的一致。自2014年开始, 柯丹和王勇等[10, 11, 12]陆续研制了采用锂电池供电的具有单独恒流、单独恒压以及同时具有恒压及恒流功能的一系列地电化学供电装置, 这些装置具有反复可充电功能, 使用寿命长, 避免了使用干电池对环境造成的影响。

独立供电偶极子地电化学技术体系的建立, 有效解决了传统地电化学方法设备笨重、可操作性差的问题。便携性、实用性、多功能性和环保性已成为独立供电偶极子地电化学技术体系的主要特点。

2 装置设计
2.1 结构设计

装置具有四档恒压输出、10 mA恒流输出、电量实时显示、可充电、工作状态实时监测和定时等功能。为了实现上述功能, 装置主要包括单片机主控系统、锂电池供电电路、D/A与A/D转换电路、OLED显示电路、RTC时间控制电路、操作面板和恒流/恒压源输出电路等组成部分(图1)。

图1 便携式多功能地电化学供电装置结构设计

1) 主控系统:采用的是Silicon Lab公司生产的C8051F021型单片机[13], 它是一款完全集成了单片复合信号系统的微控制器, 具有32个数字I/O引脚, 结合了高精密的模拟数据转换器和一个高吞吐量的8051 CPU。作为整个系统的核心部分, 采用8051F021位主控, 进行实时的键盘扫描、电压检测、oled显示输出、时钟芯片读取、电源控制芯片读取等一系列操作。

2) 电源系统:采用容量为3 000 mAh的锂电池为装置供电, 在提供稳定系统电源的同时也提高了采集设备连续工作的可靠性。同时采用电源管理芯片(Max17041)对供电锂电池剩余电量等信息进行实时监测, 对锂电池剩余电量与供电电压进行实时监测, 使采集到的数据存储在内置数据寄存器中, 并允许主控单片机通过寄存器的方式来获取实时的锂电池电源信息, 有助于设备的安全有效输出且提供过压欠压保护, 并设计有电源充电系统, 可实时对设备进行充电。

3) 操作面板:OLED显示模块能够实时显示档位、实时输出和电池电量等信息, 同时它与操作面板能够实现不同档位的恒压输出和恒流输出。

4) OLED显示:采用高亮12864OLED液晶模块, 可以保证在野外特殊工作环境下, 操作者能清晰、准确地读取液晶上的数据。同时液晶上实时显示电源输出模式、实时监测输出电压、剩余工作时间等主要信息。

5) D/A输出:8051F021单片机通过对输出恒压或恒流进行AD采样后, 与系统初始化设定的相关数值进行内部比较, 若输出低于预定值, 系统将提高D/A输出, 将恒流恒压输出值提高; 若输出高于预定值, 系统将降低D/A输出, 将恒流恒压输出降低; 从而达到实时动态检测, 以确保输出的恒流恒压值稳定、准确。

6) 恒流恒压输出:系统根据操作, 在工作时间内通过单片机控制将功率器件(IRF014)开关开通, 从而将恒流恒压输出至采样介质中; 同理在停止状态时, 也是通过单片机将功率器件关闭。

7) 调压电路:升压系统要将锂电池提供的3.7 V电压通过max1771升压芯片提升至4.5 V、6 V、9 V和14 V等不同电压档位, 并且可以通过单片机控制, 根据操作者需要提供上述4种不同档位的输出。上述4组电压由精密电阻调制后得到, 确保了输出电压的准确性。

8) A/D采样:为保证输出电源的稳定性与准确性, 需要对输出电压进行采样分析, 从而达到动态检测的目的。

9) 欠压保护:A/D采样电路同样对锂电池的输出电压进行实时采样。因为锂电池的输出电压会随着电量的降低而降低, 野外进行A/D采样时, 当锂电池输出电压低于预定值时进行报警, 以保证整个采集系统工作的有效性与可靠性。

2.2 软件设计

装置的软件流程如图2所示。系统初始化完成后, 主程序会不断扫描并检测是否有按键输入, 如果捕捉到键盘输入, 系统则会根据键值进行相应的处理, 并在OLED上显示相关信息。根据按键设定输出供电电源模式, 装置具有4.5 V、6 V、9 V与14 V四个恒压输出和10 mA电流输出。装置工作时间为1~99 h可调。根据A/D电压采样电路, 将采集到的测试电压在单片机内用软件进行解码后, 再由程序控制D/A电路, 调节输出电压以达到恒压与恒流效果。

图2 系统软件设计

2.3 操作面板设计

装置为8.8 cm× 8.8 cm× 2.3 cm大小的由PVC材料制成的方形小盒, 操作面板主要包括液晶模块、按钮和指标灯(图3)。液晶模块型号为12864P, 由128× 64点阵组成, 能够显示装置的基本信息和工作信息。面板上设置有模式、开始、显示、复位、时间增加和减少共6个按钮, 这些按钮的相互组合操作能够实现各种类型的输出。两个指示灯分别指示电源状态和工作状态。

图3 操作面板示意

3 装置性能测试

首先在室内对装置性能进行了测试, 测试时间为20 h, 采用电压电流记录仪每20 s记录一次输出值。从室内测试结果可以看出(表1), 恒压4.5 V输出时, 最大误差为1.38%, 最小误差为0.00%, 20 h时输出电压相对于开始输出时(时间为0 h)的电压衰减为0.029 V, 衰减率仅为1.70%; 恒压6 V、9 V和14 V输出时, 误差最大仅为0.68%, 衰减率最大也仅为0.48%; 10 mA恒流输出时, 误差最大仅为0.60%, 衰减率也仅为0.19%。

表1 装置室内性能测试结果

在二连盆地巴彦乌拉砂岩型铀矿床开展了9 V干电池和装置的对比测试。9 V干电池开始时的电压为9.58 V(图4), 在10 h后下降到8.89 V, 下降了0.7 V, 下降率达7.58%, 随后下降速度有所减缓, 到24 h时为8.76 V, 较开始供电时下降了8.56%。使用9 V干电池供时, 电流的变化与电压具有相似性, 在近2 h内有一个急剧的下降, 降幅达70%以上, 12 h后, 电流的变化趋于平缓。

图4 使用9 V干电池时电压及电流变化曲线

使用装置的恒压9 V档进行供电时(图5), 电压基本维持在8.95~9.05 V之间, 比较平稳。电流的变化与使用干电池时类似, 也是在2 h内有一个急剧的下降, 然后逐渐趋于平缓。

图5 使用装置时电压及电流变化曲线

从上述测试结果可以看出, 使用装置时, 电压的变化较小, 能够提供较为稳定的输出, 可以有效保证各测点电场场强的一致性。

4 应用实例

在鄂尔多斯盆地大营砂岩型铀矿床开展了装置的实际应用, 布置了11条测线, 共计682个测点。地电提取时采用9 V恒压输出, 提取时间设置为24 h, 将供电装置装入自封袋内并用土壤掩埋以防丢失。装置取出时相对于埋入时的变化率最大为 2.67%。整个提取过程中, 与9 V相比, 误差最大为 2.26%, 最小为0.12%。

采用电压、电流记录仪对部分测点的电压和电流进行了实时监测和记录, 每20 s记录一次电压和电流值。从D9-43(图6a)、D10-6(图6b)、D10-49(图6c)和D11-5(图6d)4个测点的电压和电流实时变化曲线可以看出, 提取过程中的电压均有小幅度的增加, 增加的幅度最大为1.07%, 最小为 0.30%。与9 V相比, 误差最大为2.04%。电流值的变化与在二连盆地巴彦乌拉铀矿床上的测试结果相似, 在2 h内有一个急剧的下降, 12 h后, 电流的变化趋于平缓。

图6 大营铀矿床4个测点上的电压及电流实时变化曲线

综上所述, 装置在实际应用中具有较好的稳定性和准确度, 能够保证各个测点在提取过程中电场强度的一致性。

采用该装置在二连盆地巴彦乌拉砂岩型铀矿床开展了地电化学测量。巴彦乌拉矿床为潜水叠加层间氧化型铀矿床, 矿体在平面上呈带状NE向展布, 长3.6 km, 宽200~500 m, 连续性较好; 剖面上形态以卷状、似卷状为主。矿体顶、底段埋深在120 m~160 m之间。E1线的铀矿体大致位于2 500~4 500 m范围内, 地电提取U形态呈现为跳跃的锯齿状高值, 能够指示隐伏砂岩型铀矿化位置(图7)。

图7 巴彦乌拉铀矿床E1线地电提取U含量剖面

5 结论

针对目前地电化学方法应用的实际需求以及现有供电装置的不足, 研制了多功能便携式地电化学提取供电装置。经过室内和野外测试, 供电装置性能稳定、电压及电流值精度较高, 有效保证了供电的一致性。此外装置的电路结构简单, 外壳由PVC材料制成, 具有较好的耐用性和抗震性, 适合野外恶劣环境下工作。研制的装置已在北方砂岩型沉积盆地和南方火山岩地区的铀矿勘查中得到了使用。同时, 研制的多功能地电化学提取供电装置已经获得专利授权, 成本低廉, 已经具备规模化生产和推广应用的条件。在使地电化学方法达到轻便化的同时, 该仪器还具有恒压、恒流、可充电和实时显示提取状态等功能, 能够满足大规模地电化学测量的需求。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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