CN102319620A - 一种全自动带反馈的微粉筛选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动带反馈的微粉筛选方法，该方法采用微控制处理器生成满足标准的微粉粒度的一个正态分布的随机数统计，控制电控调节阀的开度，然后根据实时粒度分析设备反馈回来的当前粒度分布数据，利用微控制处理器统计当前收到的粒度分布统计，计算出当前的正态分布统计的均值和标准差，与标准的正态分布统计进行比对，重新生成一组新的随机数序列用来校正当前收到的正态分布统计。通过这样循环控制系统，使得分选出来的粒度精确尽量满足标准的正态分布统计的均值和标准差。当实时粒度传感器反馈回来的当前微粉浓度已经低于预设的临界值，控制系统可以自动切换到下一个微粉粒度的设定，从而实现覆盖整个微粉粒度范围的全自动筛选。

Description

一种全自动带反馈的微粉筛选方法

技术领域

本发明涉及到一种筛选微分的方法，就是将不同颗粒度微粉分选出来的方法，具体涉及一种全自动带反馈的碳化硅微粉的筛选方法。 

背景技术

在自然界中，碳化硅的硬度仅次于天然金刚石和一种黑刚玉，经粉碎后碳化硅颗粒是磨料磨具行业优质原材料。碳化硅颗粒业内习惯称之为“碳化硅微粉”，通过水力按其粒径精密分级后可作为生产晶体管、集成电路和太阳能电池所需的硅晶片线切割加工用磨削材料。硅晶片线切割所需的碳化硅微粉产品对于分级精度高低和一致性要求性很高，碳化硅微粉分级精度直接决定了微粉产品的等级、档次，不同等级的碳化硅微粉的价格相差很大，精密分级后的碳化硅微粉的国际市场价格通常为普通碳化硅微粉统料价格的10倍以上。因而碳化硅微粉统料经过水力精密分级后，可大大提高产品的附加值。 

当前国内外碳化硅微粉粗分级通常采用气流分级方法，而精密分级工艺均采用的是水溢流分级的方式；其主要原理是通过调节溢流罐的进水流量，借助自下而上的溢出水流的浮力实现对不同碳化硅微粉颗粒粒度进行筛选，达到微粉粒度精密分级的目的。在这种工艺下对于水流浮力的要求很高，不同的水压、水溢流的流量下，溢出的微粉颗粒的粒径不同，所以在其它因素可以得到控制的情况下，水流的稳定性和水流流速的控制精度直接决定了碳化硅微粉溢流分级的产品质量。 

对于碳化硅微粉水溢流分级工艺来说，一个批次的待分级碳化硅微粉原料，往往存在多种粒径的微粉颗粒，通过水溢流分级工艺可以把统料中颗粒大小相近的微粉颗粒筛选出来，不同粒度区间的微粉需 要按相应溢流流量区间进行分级筛选，在实际的分级过程中就是根据粒度区间的粒度范围确定溢流流量范围、实现该目标粒度区间的溢流分级。 

以广泛用于硅晶片线切割加工通常选用的2000目(国际常用标准：JIS R6001-1998)碳化硅微粉磨料为例，简要介绍一下水溢流分级合格微粉产品颗粒粒度的分布要求(如附图1所示)。该标号的合格颗粒粒度的上限(以D₀表示)为19μm，粒度为17μm(以D₃表示)至19μm颗粒不得超过3％，粒度为4.0μm(以D₉₄表示，习惯亦称为合格颗粒下限)至19μm的颗粒应大于94％；颗粒粒度中位值(以D₅₀表示)，2000目碳化硅微粉合格产品的D₅₀为6.7±0.6μm(意即粒径大于6.7+0.6μm颗粒数和粒径小于6.7-0.6μm的颗粒数大约各占50％)。一批合格产品其粒度D在D₃≥D_i≥D₉₄区间内颗粒数量应大于94％，且应符合正态分布(中位值D₅₀附近的微粉颗粒最集中)。如溢流出的颗粒中检出有粒径大于D₀以上颗粒，或检出的粒径大于D₃、小于D₉₀、D₀颗粒数量大于3％、或粒径小于D₉₄以下颗粒数量大于6％，则一律认定该批溢出料全部为不合格产品、需重新分级。 

因此，在实际生产中需确保控制溢流水流量在D₉₄～D₃对应的允许流量区域内运行，为了满足粒度D在D₃≥D_i≥D₉₄区间内颗粒数量大于94％且符合正态分布，溢流流量的控制应当满足复合正态分布统计数据的一个随机数控制序列，来控制电动调节阀的开度的不同来实现粒度的分选符合上述要求。 

其次，在微粉原料(浆料)溢流生产过程中应当避免溢流水流量滞留在某一个值过久，否则易造成溢流罐底部浆料的逐渐板结，从而造成分级时间增加、及D₃～D₉₄合格范围内微粉颗粒溢出率降低，即出品率降低。 

一般来说，溢流的过程总是先经过除细(过细的粉料)，然后是8000目、6000目、4000目、3000目、2500目、2000目、1500目、 1200目、1000目、800目......240目从细到粗逐档分级过程。标号愈高的碳化硅微粉其粒度愈细，溢流控制难度愈大，微粉的单价愈高。 

目前碳化硅微粉最高标号是8000目，通常在实验室用非工业化的方法获得；据悉，当前碳化硅微粉水溢流工艺工业化生产的国际最先进高水平为4000目；我国碳化硅微粉行业目前工业手动控制水溢流分级最高水平为2000目，粒度小于2000目的细粉(统料)只能作为下脚料廉价处理。 

我国碳化硅微粉行业目前普遍采用手动方式的水力溢流精细分级设备进行碳化硅微粉水溢流分级，其系统结构的示意图如附图2所示。整个系统主要由存贮软化处理水的蓄水池1、供水水泵3、机械式泄压阀2、手动闸阀4、玻璃转子流量计5、手动调节阀6、防止碳化硅微粉浆料回流的止回阀7、指针式压力表8、水溢流罐9、主供水管道10等装置组成。 

整个系统主要包括两个部分，一是供水部分，主要是通过水泵3，泄压阀2、压力表8三者结合通过人工调节获得所需的压力。二是流量调节部分，由操作工人人工观察玻璃转子流量计5上的读数然后通过调节手动调节阀6来获得所需流量，进而进行碳化硅微粉的水力分级。 

具体来说，当碳化硅微粉原料(浆料)泵入水溢流罐9中后，首先全部打开手动闸阀4(配置此阀是为日后溢流罐、玻璃转子流计等设备发生故障需要维修或更换时用于切断该溢流罐管路和供水主管路连通所用)，并把手动调节阀6打至起始开度(通常取当前分级微粉标号D₅₀粒径对应流量的开度)附近，接着启动供水水泵3，水泵以额定速率从蓄水池1抽水向溢流罐供水主管道供水，如果供水水压小于所需设计水压，那就再打开一台水泵，两台水泵并行供水；供水主管道10内水压如达到泄压阀2设定压强，则泄压阀2自动打开，让部分出水回流，使供水主管道水压保持在泄压阀2设定压强值附近；此时 供水主管路10中从蓄水池1泵入的软化水通过玻璃转子流量计5和手动调节阀6、止回阀7进入水溢流罐9，此时操作工一边细心观察玻璃转子流量计5上的读数，一边缓慢调整调手动节阀门6的开度，直到玻璃转子流量计5上的读数与选定溢流流量十分接近，则停止微调，然后借助水的浮力把合适粒径的微粉颗粒逐步与水一起溢出，经沉淀、收集、干燥后即成为目标标号的碳化硅产品。 

上述手动控制碳化硅微粉水溢流分级方法存在如下问题： 

由于玻璃转子流量计5转子上下运行区域及相应标尺长度有限，且存在示值(人工目视)读数误差，故其实际精度等级低；又因人工手动调节阀门6的开度，全凭操作工经验，受经验、情绪、体力等影响大，调节阀准确度差，且因人而异，工人为了确保水溢流流量不因调节过冲而误出颗粒D₃(对应标准差上边界)以下，或者颗粒D₉₄(对应标准差下边界)以上而就导致本次水溢流分级失败，操作工人在实际生产中普遍的做法是选择正态分布统计数据的均值即D₅₀作为固定值进行恒流量控制，这样做又将造成如下两个缺陷： 

①在水溢流分级过程中不能遍历分级标号粒度允许流量范围，势必导致D₃～D₉₄合格范围内微粉颗粒没有充分筛选、溢出，从而造成资源浪费、出品率低下； 

②水溢流分级过程中恒流量控制极易导致微粉浆料形成分层，容易造成微粉浆料逐渐板结，从而加大水溢流分选的时间，导致能耗、水耗比例增加。 

经过改进，微粉行业目前出现了半自动方式的通过电子系统控制的水力溢流精细分级设备进行微粉水溢流分级，该系统结构示意图如附图3所示。 

该改进系统主要由存贮软化处理水的蓄水池1、变频器2、供水水泵3、控制器(通用可编程序控制器或专用嵌入式系统)4、含水溢流智能化精密分级应用软件(专家系统)的监控计算机5、可远传信号的 压力变送器6、高精度电动调节阀7、可含远传信号的电子式流量计8、水溢流罐10和防止碳化硅微粉浆料回流的止回阀11、手动闸调节阀9(手动闸调节阀平时全开，仅在安装或拆卸电动调节阀、电子式流量计时关闭)、主供水管12等装置组成。主供水管道12的一端通过供水水泵3接蓄水池1的供水口，n级水溢流支路并列设置于主供水管道12的另一端。微控制器4与监控计算器5双向通信连接，微控制器4串接变频器2后接供水水泵3的输入端，压力变送器6设置于主供水管道12的另一端，n级水溢流支路与微控制器4双向连接，压力变送器6的输出端接微控制器4的输入端，其中n为自然数。每级水溢流支路都由第一手动调节阀9依次串接电动控制阀7、(能输出电信号)电子流量计8、第二手动调节阀9、止回阀11、溢流罐构成，其中第一手动调节阀9的输入端接主供水管道12的另一端，电动调节阀7的输入端接微控制器4的输出端，电子流量计8的输出端接微控制器4的输入端。 

在该改进设备中，每个水溢流罐10均配置一台可含远传信号的电子式流量计8和一台高精度电动调节阀7，控制器不断采集电子式流量计的瞬时流量(即溢流罐的溢流流量)，对照分级标号允许粒度范围所对应允许流量区间，周期性地对电动调接阀7的开度进行最小变化开度(阀门的最小动作值)，按照“阶梯状锯齿”形状进行单调(上升或者下降)的改变流量大小，当流量到达允许溢流流量值的上、下限时，在保证不超越极限允许流量的前提下，以最短时间内进行调节改变电动调接阀7开关的方向，从而达到遍历目标规格内所有流量，并且设定每一步的停留时间。 

上述改进的半自动控制碳化硅微粉水溢流分级设备存在如下三个缺陷： 

1、上述系统周期性地对电控阀门开度按照“阶梯状锯齿”形状进行单调(上升或者下降)的改变流量，使得流量可以遍历目标规格内所 有流量，然而这样的周期性变化流量所对应的微粉粒度分布并不是严格的正态分布，而是更接近于在D₃和D₉₄之内的一个平均分布统计，并不能将微粉筛选粒度集中在中心均值D₅₀附近，从而造成微粉分选粒度分布质量的下降； 

2、上述方法在系统初始工作参数中设定好了期望筛选的粒度分布范围，包括D₃，D₅₀，D₉₄等参数，然后系统就默认分选出来的微粉是符合设定的范围的；然而在某些特殊的工作环境下，譬如溢流罐出水口拥堵或者溢流罐入水管道破损，系统的固定工作状态就会被打破，从而会造成分选的微粉不符合预先的设定值。 

3、上述系统按照固定设置好的分级时间来判断是否当前筛选的粒度已经全部完成，该分级时间是根据以前做实验的该粒度分级时间作为参考而设置的；然而，在工业内环境下每次的工作参数都可能会有差异，从而会造成实际需要的分级时间与给定的参考分级时间的差异；这时，给定分选时间设置的如果偏短，当前分选就会不完全，造成微粉的浪费；如果设置偏长，又会降低系统的筛选效率。 

发明内容

本发明的目的在于解决了上述的手动、半自动控制微粉水溢流分级的缺陷，提供一种完全符合正态分布的，可以实时监测溢流罐溢流液中微粉粒度变化的，一种全自动带反馈的微粉粒度精确筛选的方法。 

为实现上述目的，本发明的技术方案是提供了一种全自动带反馈的微粉筛选方法，所述方法为湿法分离，所述湿法分离是通过控制微粉分离装置中溢流罐内液体的流速，将微粉中粒度不同的颗粒分离；其特征在于，所述微粉分离装置通过控制系统控制微粉的分离，所述控制系统控制被分离出的各种标号微粉的粒度呈正态分布；所述控制系统包括微控制处理器，所述微控制处理器的输入端通过转换电路与输出反馈信号的溢流传感器联接，所述溢流传感器经溢流电动调节阀 及管路连至溢流罐的溢流口，用于采集溢流罐的溢流信息作为反馈信号提供给微控制处理器；所述微控制处理器的输出端联至用于控制溢流罐内液体流速的电动调节阀，所述电动调节阀一端经液泵连接蓄液池，另一端经流量传感器连接至溢流罐的下端；所述微控制处理器通过数据线或无线网络与工控服务器联接，所述工控服务器通过数据线或无线网络与终端计算机联接；在所述工控服务器和/或终端计算机内设有微粉的各种标号粒度的标准正态分布均值、标准差及相应的正态分布统计数据，所述微控制处理器将溢流传感器采集到的某一种标号溢流反馈信号转换成正态分布均值、标准差及相应的正态分布统计数据，所述微控制处理器将转换成的正态分布均值、标准差及相应的正态分布统计数据与相应标准的正态分布均值、标准差及相应的正态分布统计数据进行比较，然后生成一新的正态分布均值、标准差及相应的正态分布统计数据，所述微控制处理器依据所述新的正态分布均值、标准差及相应的正态分布统计数据输出控制指令，所述控制指令控制所述电动调节阀的开度，从而实现控制由溢流罐中分离出来的某一种微分粒度呈正态分布；当溢流传感器反馈回来的当前微粉浓度已经低于预设的临界值后，所述微控制处理器将切换到另一种标号微粉粒度分离的控制程序，从而实现覆盖整个微粉粒度范围的全自动筛选。 

其中，所述微控制处理器会根据实时采集到的反馈信号，即当前溢流液中微粉粒度的尺寸分布信息，通过内部比例、积分、微分(PID)算法自适应的调节电动调节阀的开度来匹配新的工作状态。 

在所述微控制处理器的输入端连接有水压传感器的输出信号端，所述水压传感器设置在溢流罐的液体输入管路上；所述微控制处理器检测到液体输入管路上的压力稳定后，开始控制所述电动调节阀的开度。 

所述溢流传感器为光电模块，所述光电模块包括激光器、光学器 件和光电探测器；所述光电模块通过激光器照射从溢流罐内分流出来的循环流动的样品管，所述光学器件接收样品管内激光照射到颗粒上的散射光，并将该散射光传送到光电探测器上，所述光电探测器将代表样品颗粒分布的强度不等的散射光转换成相应的电信号输出。 

所述转换电路包括依次连接的模拟放大器、多路模拟开关、信号调理器和模数转换器；所述模拟放大器用于放大光电探测器输出的电信号；所述多路模拟开关用于选择不同溢流罐输出的检测信号；所述信号调理器用来做信号噪声抑制，提高信号的信噪比。 

所述微控制处理器可同时控制若干个溢流罐内液体的流速。 

每个所述溢流罐都包括由溢流罐、电动调节阀、样品管、电动调节阀串接而成的循环回路。 

所述流量传感器串接在溢流罐与电动调节阀之间的管路上。 

将所述若干个溢流罐的液体流入管并联在一起，经过液体压力电动调节阀与总阀门连接至蓄液池。 

所述微粉筛选方法的具体操作步骤如下： 

步骤一：将微粉各种标号粒度的标准正态分布均值、标准差及相应的正态分布统计数据参数存入终端计算机或者工控服务器；然后由工控服务器内的软件模块将上述参数实时发送到微控制处理器中进行初始参数的设置，并在终端计算机或者工控服务器屏幕上回显当前系统初始工作参数； 

步骤二：操作人员通过登陆终端计算机或者工控服务器，选择开始筛选后，终端计算机通过数据线或无线网络向微控制处理器传输分选启动命令，并且终端计算机或者工控服务器进入微粉筛选在线实时监控状态； 

步骤三：微控制处理器采集压力传感器的输出信息得到当前液体压信息并与设定水压进行比较，基于PID算法，微控制处理器通过调节压力电动调节阀的开度来平衡液体压为一个稳定的值； 

步骤四：微控制处理器在系统初始化阶段，首先按照标号由大到小按顺序排好等待自动分级的各个标号的微粉列表，在运行阶段标记当前要完成的微粉分级和已经完成的微粉分级，刷新新的等待自动分级的各个标号的微粉列表；然后根据标准的微粉各个分级的均值，标准差参数，分别计算出每个分级对应的正态分布统计数据的均值和标准差；在系统第一次初始化阶段正态分布统计数据的均值对应为中心值(D₅₀)，标准差对应为70％-90％的(D₉₄)，以保持一定的余量；在系统每次运行完一组正态分布统计数据的电动调节阀开度后，并且没有分级完成前，比较上一组正态分布统计数据的电动调节阀开度，所对应的微粉粒度分布与标准设定的均值标准差之间的偏差，通过PID算法生成新的均值和标准差以用来校准微粉粒度分布更接近于系统初始化分级标准值； 

步骤五：微控制处理器获取当前系统时间作为随机种子，生成平均分布的随机数，然后根据上述的几何直观面积的方法生成满足上述得到的均值和标准差的正态分布统计数据的随机数； 

步骤六：将步骤五得到的满足正态分布统计数据的随机数与预设水压做线性计算，该线性计算的斜率和截距是通过离线粒度分析仪器精确校准得到的两个系数，即可得到满足正态分布的电动调节阀的开度系数表； 

步骤七：微控制处理器按照设定的电动调节阀切换最小时间，逐次的按照得到的一组满足正态分布的电动调节阀开度系数表控制电动调节阀，来达到实现满足正态分布液体流量的目的； 

步骤八：微控制处理器根据水流量传感器反馈的信息，按照PID算法，使瞬时液体流量在电动调节阀切换最小时间内保持稳定不变； 

步骤九：微控制处理器循环打开每组溢流罐对应的电动调节阀，使样品管内开始循环有水溢流得到的微粉液体； 

步骤十：微控制处理器打开激光粒度分析中的光电探测器，多路 模拟开关，通过模数转换器读取所有的微粉粒度分布，并做出粒度分布统计；判断是否超出工作异常报警门限；若超出则停止工作并报警，正常情况下记录数据到内部存储器中，与下一次的粒度分布数据再做一个新的粒度分布统计； 

步骤十一：循环步骤七到步骤十，直到上述提到的一组满足正态分布的开度系数表运行完成；判断当前微粉粒度分布浓度是否低于预设粒度浓度筛选结束门限，若低于则标记当前微粉筛选结束，返回步骤四重新开始新的微粉粒度筛选；若仍然高于预设粒度浓度筛选结束门限，表面当前微粉筛选还未结束，返回步骤四重新计算需要校准的均值和标准差； 

步骤十二：当步骤十一已经出现微粉筛选结束并且在该微粉粒度是最后一个筛选粒度，则全自动的微粉筛选结束。 

本发明的优点和有益效果在于：通过上述方法与相应的控制系统，本发明可完全按正态分布统计数据规律将碳化硅微粉中各种标号粒度的颗粒筛选出来。采用该方法及控制系统筛选碳化硅微粉具有，筛分等级齐全，筛选出各种规格碳化硅微粉的质量较高，筛选的效率也较高，同时还可以减少原料的损耗。由于上述优点可是生产企业的经济效益得到大幅度的提高，同时还能满足一些生产企业的特殊需求。 

附图说明

图1是水溢流分级合格微粉产品颗粒粒度分布的示意图； 

图2是现有手动方式的水力溢流精细分级设备的结构示意图； 

图2中：1、蓄水池；2、机械式泄压阀；3、供水水泵；4、手动闸阀；5、玻璃转子流量计；6、手动调节阀；7、防止碳化硅微粉浆料回流的止回阀；8、指针式压力表；9、水溢流罐；10、主供水管道； 

图3是现有半自动电子控制的水力溢流精细分级设备结构的示意 图； 

图3中：1、蓄水池；2、变频器；3、供水水泵；4、控制器；5、监控计算机；6、压力变送器；7、电动调节阀；8、电子式流量计；9、手动闸调节阀；10、水溢流罐；11、止回阀；12、主供水管。 

图4是本发明全自动带反馈的微粉筛选设备结构的示意图； 

图4中：1、总阀门；2、水压力电动调节阀；3、水压力传感器；4、微控制处理器；5、电动调节阀；6、水流量传感器；7、溢流罐；8、工控服务器；9、终端计算机；10、模/数转换器；11、信号调理器；12、多路模拟开关；13、模拟放大器；14、样品管；15、激光粒度分析光电模块；16、溢流电动调节阀；17、溢流电动调节阀。 

图5是正态分布的概率密度函数曲线示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。 

如附图4所示，本发明是一种全自动带反馈的微粉筛选方法，所述方法是采用湿法将碳化硅微粉分离成不同标号的产品，所述湿法分离是通过控制微粉分离装置中溢流罐内液体的流速，将微粉中粒度不同的颗粒分离出料；所述微粉分离装置通过控制系统控制微粉的分离，所述控制系统可控制被分离出的各种标号微粉的粒度呈正态分布；所述控制系统包括微控制处理器4，所述微控制处理器4的输入端通过转换电路与输入反馈信号的溢流传感器联接，所述溢流传感器经溢流电动调节阀16、17及管路连至溢流罐7上部的溢流口，用于采集溢流罐7的溢流信息作为反馈信号，该反馈信号用于提供给微控制处理器4；所述微控制处理器4的输出端联至用于控制溢流罐4内液体流速的电动调节阀5，所述电动调节阀5一端经液泵连接蓄液池，另一端经流量传感器6连接至溢流罐7的下端；所述微控制处理器4通过数据 线或无线网络与工控服务器8联接，所述工控服务器8通过数据线或无线网络与终端计算机9联接；在所述工控服务器8和/或终端计算机9内设有微粉的各种标号粒度的标准正态分布均值(D₅₀)、标准差(D₃和D₉₄)及相应的正态分布统计数据，所述微控制处理器4将溢流传感器采集到的某一种标号，如1200目碳化硅微粉的溢流反馈信号转换成正态分布均值、标准差及相应的正态分布统计数据，所述微控制处理器将转换成的正态分布均值、标准差及1200目的正态分布统计数据与1200目标准的正态分布均值、标准差及1200目的正态分布统计数据进行比较，然后生成一新的1200目正态分布均值、标准差及1200目的正态分布统计数据，所述微控制处理器4依据所述新的1200目正态分布均值、标准差及1200目的正态分布统计数据输出控制指令，所述控制指令控制所述电动调节阀5的开度。其中所述新的1200目正态分布均值、标准差及1200目的正态分布统计数据与溢流传感器采集到的1200目标号溢流反馈信号转换成正态分布均值、标准差及1200目的正态分布统计数据是相对于标准1200目正态分布均值、标准差及1200目的正态分布统计数据对称设置的，即对于采集到的信息偏离标准分布的一种补偿分布的控制量。从而实现控制由溢流罐7中分离出来的1200目微分粒度呈正态分布；当溢流传感器采集到的信号出超出1200目正态分布的标准差后，所述微控制处理器4将切换到另一种标号微粉粒度分离的控制程序如1500目，从而实现覆盖整个微粉粒度范围的全自动筛选。由于溢流传感器采集溢流罐的溢流信息是一种实时信息如每隔30秒采集一次，这样控制溢流罐4内液体流速的电动调节阀5也就会30秒改变一次开度，从而使溢流罐4内液体流速改变一次，这样形成了对溢流罐各个微粉分层的一种“随机”搅拌，使得罐内微粉难以形成固定的分层，避免了微粉的板结，从而提高了分级效率。 

在本发明中，所述微控制处理器4会根据实时采集到的反馈信号，既当前溢流液中微粉粒度的尺寸分布信息，通过内部比例、积 分、微分(PID)算法自适应的调节电动调节阀5的开度来匹配新的工作状态。 

在本发明中，在所述微控制处理器4的输入端连接有水压传感器3的输出信号端，所述水压传感器3设置在溢流罐7的液体输入管路上；所述微控制处理器4检测到液体输入管路上的压力稳定后，开始控制所述电动调节阀5的开度。 

在本发明中，所述溢流传感器为光电模块15，所述光电模块15包括激光器、光学器件和光电探测器；所述光电模块通过激光器照射从溢流罐内分流出来的循环流动的样品管14，所述光学器件接收样品管内激光照射到颗粒上的散射光，并将该散射光传送到光电探测器上，所述光电探测器将代表样品颗粒分布的强度不等的散射光转换成相应的电信号输出。 

在本发明中，所述转换电路包括依次连接的模拟放大器13、多路模拟开关12、信号调理器11和模数转换器10；所述模拟放大器13用于放大光电探测器输出的电信号；所述多路模拟开关12用于选择不同溢流罐7输出的检测信号；所述信号调理器11用来做信号噪声抑制，提高信号的信噪比。 

在本发明中，所述微控制处理器4可同时控制若干个溢流罐7内液体的流速。 

在本发明中，每个所述溢流罐7都包括由溢流罐7、电动调节阀16、样品管14、电动调节阀17串接而成的循环回路。 

在本发明中，所述流量传感器6串接在溢流罐7与电动调节阀5之间的管路上。 

在本发明中，将所述若干个溢流罐7的液体流入管并联在一起，经过液体压力电动调节阀2与总阀门1连接至蓄水池。 

本发明所述的微粉筛选方法的具体操作步骤如下： 

步骤一：将微粉各种标号粒度的标准正态分布均值、标准差及相 应的正态分布统计数据参数存入终端计算机9或者工控服务器8；然后由工控服务器8内的软件模块将上述参数实时发送到微控制处理器4中进行初始参数的设置，并在终端计算机9或者工控服务器8屏幕上回显当前系统初始工作参数； 

步骤二：操作人员通过登陆终端计算机9或者工控服务器8，选择开始筛选后，终端计算机9通过数据线或无线网络向微控制处理器4传输分选启动命令，并且终端计算机9或者工控服务器8进入微粉筛选在线实时监控状态； 

步骤三：微控制处理器4采集压力传感器3的输出信息得到当前液体压信息并与设定水压进行比较，基于PID算法，微控制处理器4通过调节压力电动调节阀2的开度来平衡液体压为一个稳定的值； 

步骤四：微控制处理器4在系统初始化阶段，首先按照标号由大到小按顺序排好等待自动分级的各个标号的微粉列表，在运行阶段标记当前要完成的微粉分级和已经完成的微粉分级，刷新新的等待自动分级的各个标号的微粉列表；然后根据标准的微粉各个分级的均值，标准差参数，分别计算出每个分级对应的正态分布统计数据的均值和标准差；在系统第一次初始化阶段正态分布统计数据的均值对应为中心值(D₅₀)，标准差对应为70％-90％的(D₉₄)，以保持一定的余量；在系统每次运行完一组正态分布统计数据的电动调节阀5开度后，并且没有分级完成前，比较上一组正态分布统计数据的电动调节阀5开度，所对应的微粉粒度分布与标准设定的均值标准差之间的偏差，通过PID算法生成新的均值和标准差以用来校准微粉粒度分布更接近于系统初始化分级标准值； 

步骤五：微控制处理器4获取当前系统时间作为随机种子，生成平均分布的随机数，然后根据上述的几何直观面积的方法生成满足上述得到的均值和标准差的正态分布统计数据的随机数； 

步骤六：将步骤五得到的满足正态分布统计数据的随机数与预设 水压做线性计算，该线性计算的斜率和截距是通过离线粒度分析仪器精确校准得到的两个系数，即可得到满足正态分布的电动调节阀5的开度系数表； 

步骤七：微控制处理器4按照设定的电动调节阀5切换最小时间，逐次的按照得到的一组满足正态分布的电动调节阀5开度系数表控制电动调节阀5，来达到实现满足正态分布液体流量的目的； 

步骤八：微控制处理器4根据水流量传感器反馈的信息，按照PID算法，使瞬时液体流量在电动调节阀5切换最小时间内保持稳定不变； 

步骤九：微控制处理器4循环打开每组溢流罐7对应的电动调节阀16、17，使样品管14内开始循环有水溢流得到的微粉液体； 

步骤十：微控制处理器4打开激光粒度分析中的光电探测器，多路模拟开关12，通过模数转换器10读取所有的微粉粒度分布，并做出粒度分布统计；判断是否超出工作异常报警门限；若超出则停止工作并报警，正常情况下记录数据到内部存储器中，与下一次的粒度分布数据再做一个新的粒度分布统计； 

步骤十一：循环步骤七到步骤十，直到上述提到的一组满足正态分布的开度系数表运行完成；判断当前微粉粒度分布浓度是否低于预设粒度浓度筛选结束门限，若低于则标记当前微粉筛选结束，返回步骤四重新开始新的微粉粒度筛选；若仍然高于预设粒度浓度筛选结束门限，表面当前微粉筛选还未结束，返回步骤四重新计算需要校准的均值和标准差； 

步骤十二：当步骤十一已经出现微粉筛选结束并且在该微粉粒度是最后一个筛选粒度，则全自动的微粉筛选结束。 

本发明特征在于通过微处理控制器4产生一组完全符合正态分布的电动调节阀开度的控制系数，从而实现水溢流出来的微粉尺寸分 布也完全符合预设的正态分布统计数据。 

下面介绍一下如何产生一组符合正态分布的随机数，从而实现符合正态分布的电动调节阀的开度控制系数。 

随机数原理： 

随机数在实际运用中非常之多，通常我们很容易得到平均分布的随机数，比如抛硬币，得到的头像和文字的概率各为50％。在标准C语言库函数里面，提供了根据线性同余法编写的可以生成平均分布的随机数的库函数rand()。需要注意的是随机数的产生需要有一个随机的种子，因为用计算机产生的随机数是通过递推的方法得来的，必须有一个初始值，也就是通常所说的随机种子，如果不对随机种子进行初始化，那么计算机有一个缺省的随机种子，这样每次递推的结果就完全相同了，因此需要在每次程序运行时对随机种子进行初始化，可以通过调用标准C语言库函数srand()这个函数，其参数就是随机种子，但是如果给一个常量，则得到的随机序列就完全相同了，因此可以使用系统的时间作为随机种子，因为系统时间可以保证它的随机性。 

下面提出了一种已知概率密度函数的分布的随机数的产生方法，以典型的正态分布为例来说明任意分布的随机数的产生方法。 

在得到了产生满足平均分布随机数的方法后，就可以通过下面的方法得到满足正态分布的随机数。 

如果一个随机数序列服从一维正态分布，那么它有如下的概率密度函数： 

$f\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π\σ}}}{e}^{-\frac{{(x-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}$

其中μ，σ(＞0)为常数，它们分别为数学期望和标准差。 

如果取μ＝0，σ＝0.2，则其统计如图5所述，在图5正态分布的概率密度函数曲线的大矩形中随机产生点，这些点是平均分布的，如果产生的点落在概率密度统计的下方，则认为产生的点是符合要求 的，将它们保留，如果在概率密度统计的上方，则认为这些点不合格，将它们去除。如果随机产生了一大批在整个矩形中均匀分布的点，那么被保留下来的点的横坐标就服从了正态分布。可以设想，由于在μ处的f(x)的值比较大，理所当然的在μ附近的点个数要多，远离μ处的少，这从面积上就可以看出来。需要产生的满足正态分布的随机数就是这里的横坐标。 

基于以上思想，就可以用程序实现在一定范围内服从正态分布的随机数。 

本发明的特征在于包括了一个激光粒度分析子系统来实时反馈当前采集到的微粉粒度尺寸分布信息，用于当前微粉粒度尺寸监测和判断是否当前微粉粒度分级已完成。 

下面再介绍一下激光粒度分析的基本原理。 

激光粒度分析是根据光的散射原理测量粉颗粒大小的，是一种比较通用的粒度分析方法。其特点是测量的动态范围宽、测量速度快、操作方便，尤其适合测量粒度分布范围宽的粉体和液体雾滴。 

激光粒度分析方法是根据颗粒能使激光产生散射这一物理现象测试粒度分布的。由于激光具有很好的单色性和极强的方向性，所以在没有阻碍的无限空间中激光将会照射到无穷远的地方，并且在传播过程中很少有发散的现象。 

米氏散射理论表明，当光束遇到颗粒阻挡时，一部分光将发生散射现象，散射光的传播方向将与主光束的传播方向形成一个夹角θ，θ角的大小与颗粒的大小有关，颗粒越大，产生的散射光的θ角就越小；颗粒越小，产生的散射光的θ角就越大。即小角度(θ)的散射光是有大颗粒引起的；大角度(θ)的散射光是由小颗粒引起的。进一步研究表明，散射光的强度代表该粒径颗粒的数量。这样，测量不同角度上的散射光的强度，就可以得到样品的粒度分布了。 

为了测量不同角度上的散射光的光强，需要运用光学手段对散射 光进行处理。在光束中的适当的位置上放置一个富氏透镜，在该富氏透镜的后焦平面上放置一组多元光电探测器，不同角度的散射光通过富氏透镜照射到多元光电探测器上时，光信号将被转换成电信号，通过数据采集系统对这些电信号进行处理，就会准确地得到粒度分布了。 

上面介绍的是激光粒度分析中用到的核心模块：光电模块，包括激光器、光学器件和光电探测器。随着对激光粒度测量研究的不断深入，国外和国内已经有不少公司已经可以提供商用的光电模块作为激光粒度分析的核心模块。 

如图4所示，上述光电模块通过激光照射从溢流罐内分流出来的循环流动的样品管14，就可以输出代表样品14粒度分布的散射光强度，后面通过一级放大电路13，将微弱的电信号放大到后端电路可以处理的电压量程；然后通过模拟多选开关12，将从光电探测器返回的多路模拟电压进行模拟切换，在经过低通滤波等信号调理模块11，被后端的高速采样的A/D模数转换器10进行采样，逐一得到当前样品管14内的多路模拟采样值，采样得到的数字微粉粒度信息被微控制处理器4进行粒度分布统计计算，即可得到当前溢流罐7筛选出来的颗粒的中心均值。 

实施完全符合正态分布统计数据的全自动带反馈的微粉粒度精确筛选的实际系统架构如图4所示。 

整个系统主要由连接主供水管道的总阀门1、水压力电动调节阀2、水压力传感器3、微控制处理器4、电动调节阀5、水流量传感器6、溢流罐7、工控服务器8、终端计算机9、模/数转换器10、信号调理器11、多路模拟开关12、模拟放大器13、样品管14、激光粒度分析光电模块15、溢流电动调节阀16、溢流电动调节阀17。 

总阀门1左侧一端接总供水水管，压力电动调节阀2右侧一端接并列的n(n为自然数)级水溢流支路，压力电动调节阀2右侧一端还接 了水压传感器3用来实时监测当前水压变化，如果水压有变动，则微处理控制器通过调节压力电动调节阀2的开度来平衡水压为一个稳定的值。 

每级水溢流支路都由电动调节阀5、水流量传感器6、溢流罐7构成，其中电动调节阀5的数字输入端接微控制处理器4的数字输出端，流量计6的数字输出端接微控制处理器4的数字输入端。 

微控制处理器4可以是通用可编程逻辑控制器或者其他的嵌入式可编程系统。 

每一个溢流罐都包括了由溢流罐7、溢流电动调节阀16、样品管14、溢流电动调节阀17组成的循环回路；其中，溢流罐7的输出会被溢流电动调节阀16和溢流电动调节阀17进行选择从哪一个溢流罐进行循环，溢流电动调节阀16和溢流电动调节阀17的数字输入端是共用同样的微控制处理器4的数字输出信号的，样品管14被所有溢流罐共用，通过切换控制不同的电动调节阀5输入来选择当前是采样哪一个溢流罐的微粉粒度分布。 

激光粒度分析光电模块15包括了激光器、光学器件和多组光电探测器来采集同一个样品管14的多个样本，以用来统计当前样品管14的粒度分布统计。在结构图上标记了多组光电探测器符号来注明每一个样品是有多个模拟输出电压值的。 

激光粒度分析光电模块15的多路模拟输出电压中的每一路都要经过信号放大器13，放大到后端信号调理器11和模/数转换器10可以处理的电压范围。 

多路模拟开关12将用于切换经过放大的激光粒度分析光电模块15的多路模拟输出电压，使得后端只需要有一路信号调理器11和模拟到数字转换器10就可以完成数据的采集。 

信号调理器11是模拟电路或者模拟芯片，用来做信号噪声抑制，提高信号的信噪比。 

模/数转换器10是一个高速的模拟到数字转换芯片，被微控制处理器4的数字输出信号进行控制，并且输出采样结果给微控制处理器4的输入，从而获得当前样品管14中的实时粒度分布统计。 

工控服务器8采用GE组态软件Cimplicity Machine Edition6.0(或其他常用工控机组态软件)，用于快速构造全自动的满足正态分布的带反馈的微粉粒度分选软件系统。该软件系统支持两种模式：本地模式和远程模式；本地模式允许用户通过工控服务器8的人工输入接口(键盘，鼠标或者触摸屏)来直接输入控制参数启动系统；远程模式将允许终端计算机9在远程通过密码登陆工控服务器8，允许上述全自动的满足正态分布的带反馈的微粉粒度分选软件系统，进行方便的远程工业控制。 

系统设置参量包括：供水水压，微粉各个分级的D₅₀，D₉₄，D₃参数，系统阀门切换最小时间，微粉各个分级的粒度浓度结束门限，工作异常报警门限。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种全自动带反馈的微粉筛选方法，所述方法为湿法分离，所述湿法分离是通过控制微粉分离装置中溢流罐内液体的流速，将微粉中粒度不同的颗粒分离；其特征在于，所述微粉分离装置通过控制系统控制微粉的分离，所述控制系统控制被分离出的各种标号微粉的粒度呈正态分布；所述控制系统包括微控制处理器，所述微控制处理器的输入端通过转换电路与输出反馈信号的溢流传感器联接，所述溢流传感器经溢流电动调节阀及管路连至溢流罐的溢流口，用于采集溢流罐的溢流信息作为反馈信号提供给微控制处理器；所述微控制处理器的输出端联至用于控制溢流罐内液体流速的电动调节阀，所述电动调节阀一端经液泵连接蓄液池，另一端经流量传感器连接至溢流罐的下端；所述微控制处理器通过数据线或无线网络与工控服务器联接，所述工控服务器通过数据线或无线网络与终端计算机联接；在所述工控服务器和/或终端计算机内设有微粉的各种标号粒度的标准正态分布均值、标准差及相应的正态分布统计数据，所述微控制处理器将溢流传感器采集到的某一种标号溢流反馈信号转换成正态分布均值、标准差及相应的正态分布统计数据，所述微控制处理器将转换成的正态分布均值、标准差及相应的正态分布统计数据与相应标准的正态分布均值、标准差及相应的正态分布统计数据进行比较，然后生成一新的正态分布均值、标准差及相应的正态分布统计数据，所述微控制处理器依据所述新的正态分布均值、标准差及相应的正态分布统计数据输出控制指令，所述控制指令控制所述电动调节阀的开度，从而实现控制由溢流罐中分离出来的某一种微粉粒度呈正态分布；当溢流传感器反馈回来的当前微粉浓度已经低于预设的临界值后，所述微控制处理器将切换到另一种标号微粉粒度分离的控制程序，从而实现覆盖整个微粉粒度范围的全自动筛选。

2.如权利要求1所述的全自动带反馈的微粉筛选方法，其特征在于，所述微控制处理器会根据实时采集到的反馈信号，即当前溢流液中微粉粒度的尺寸分布信息，通过内部比例、积分、微分(PID)算法自适应的调节电动调节阀的开度来匹配新的工作状态。

3.如权利要求2所述的全自动带反馈的微粉筛选方法，其特征在于，在所述微控制处理器的输入端连接有水压传感器的输出信号端，所述水压传感器设置在溢流罐的液体输入管路上；所述微控制处理器检测到液体输入管路上的压力稳定后，开始控制所述电动调节阀的开度。

4.如权利要求3所述的全自动带反馈的微粉筛选方法，其特征在于，所述溢流传感器为光电模块，所述光电模块包括激光器、光学器件和光电探测器；所述光电模块通过激光器照射从溢流罐内分流出来的循环流动的样品管，所述光学器件接收样品管内激光照射到颗粒上的散射光，并将该散射光传送到光电探测器上，所述光电探测器将代表样品颗粒分布的强度不等的散射光转换成相应的电信号输出。

5.如权利要求4所述的全自动带反馈的微粉筛选方法，其特征在于，所述转换电路包括依次连接的模拟放大器、多路模拟开关、信号调理器和模数转换器；所述模拟放大器用于放大光电探测器输出的电信号；所述多路模拟开关用于选择不同溢流罐输出的检测信号；所述信号调理器用来做信号噪声抑制，提高信号的信噪比。

6.如权利要求5所述的全自动带反馈的微粉筛选方法，其特征在于，所述微控制处理器可同时控制若干个溢流罐内液体的流速。

7.如权利要求6所述的全自动带反馈的微粉筛选方法，其特征在于，每个所述溢流罐都包括由溢流罐、电动调节阀、样品管、电动调节阀串接而成的循环回路。

8.如权利要求7所述的全自动带反馈的微粉筛选方法，其特征在于，所述流量传感器串接在溢流罐与电动调节阀之间的管路上。

9.如权利要求8所述的全自动带反馈的微粉筛选方法，其特征在于，将所述若干个溢流罐的液体流入管并联在一起，经过液体压力电动调节阀与总阀门连接至蓄液池。

10.如权利要求1至9中任意一项所述的全自动带反馈的微粉筛选方法，其特征在于，所述微粉筛选方法的具体操作步骤如下：

步骤一：将微粉各种标号粒度的标准正态分布均值、标准差及相应的正态分布统计数据参数存入终端计算机或者工控服务器；然后由工控服务器内的软件模块将上述参数实时发送到微控制处理器中进行初始参数的设置，并在终端计算机或者工控服务器屏幕上回显当前系统初始工作参数；

步骤二：操作人员通过登陆终端计算机或者工控服务器，选择开始筛选后，终端计算机通过数据线或无线网络向微控制处理器传输分选启动命令，并且终端计算机或者工控服务器进入微粉筛选在线实时监控状态；

步骤三：微控制处理器采集压力传感器的输出信息得到当前液体压信息并与设定水压进行比较，基于PID算法，微控制处理器通过调节压力电动调节阀的开度来平衡液体压为一个稳定的值；

步骤四：微控制处理器在系统初始化阶段，首先按照标号由大到小按顺序排好等待自动分级的各个标号的微粉列表，在运行阶段标记当前要完成的微粉分级和已经完成的微粉分级，刷新新的等待自动分级的各个标号的微粉列表；然后根据标准的微粉各个分级的均值，标准差参数，分别计算出每个分级对应的正态分布统计数据的均值和标准差；在系统第一次初始化阶段正态分布统计数据的均值对应为中心值(D₅₀)，标准差对应为70％-90％的(D₉₄)，以保持一定的余量；在系统每次运行完一组正态分布统计数据的电动调节阀开度后，并且没有分级完成前，比较上一组正态分布统计数据的电动调节阀开度，所对应的微粉粒度分布与标准设定的均值标准差之间的偏差，通过PID算法生成新的均值和标准差以用来校准微粉粒度分布更接近于系统初始化分级标准值；

步骤五：微控制处理器获取当前系统时间作为随机种子，生成平均分布的随机数，然后根据上述的几何直观面积的方法生成满足上述得到的均值和标准差的正态分布统计数据的随机数；

步骤六：将步骤五得到的满足正态分布统计数据的随机数与预设水压做线性计算，该线性计算的斜率和截距是通过离线粒度分析仪器精确校准得到的两个系数，即可得到满足正态分布的电动调节阀的开度系数表；

步骤七：微控制处理器按照设定的电动调节阀切换最小时间，逐次的按照得到的一组满足正态分布的电动调节阀开度系数表控制电动调节阀，来达到实现满足正态分布液体流量的目的；

步骤八：微控制处理器根据水流量传感器反馈的信息，按照PID算法，使瞬时液体流量在电动调节阀切换最小时间内保持稳定不变；

步骤九：微控制处理器循环打开每组溢流罐对应的电动调节阀，使样品管内开始循环有水溢流得到的微粉液体；

步骤十：微控制处理器打开激光粒度分析中的光电探测器，多路模拟开关，通过模数转换器读取所有的微粉粒度分布，并做出粒度分布统计；判断是否超出工作异常报警门限；若超出则停止工作并报警，正常情况下记录数据到内部存储器中，与下一次的粒度分布数据再做一个新的粒度分布统计；

步骤十一：循环步骤七到步骤十，直到上述提到的一组满足正态分布的开度系数表运行完成；判断当前微粉粒度分布浓度是否低于预设粒度浓度筛选结束门限，若低于则标记当前微粉筛选结束，返回步骤四重新开始新的微粉粒度筛选；若仍然高于预设粒度浓度筛选结束门限，表面当前微粉筛选还未结束，返回步骤四重新计算需要校准的均值和标准差；

步骤十二：当步骤十一已经出现微粉筛选结束并且在该微粉粒度是最后一个筛选粒度，则全自动的微粉筛选结束。

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