Способ определения заданного класса по крупности в кусковом материале, перемещаемом в технологическом потоке

 

Изобретение относится к исследованию или анализу материалов с помощью отраженного рентгеновского или гамма-излучения и может быть использовано для автоматического контроля гранулометрических характеристик перемещаемого в технологическом потоке кускового материала. Технический результат, получаемый при использовании изобретения, состоит в повышении точности определения контролируемого параметра. Повышенная точность достигается за счет того, что в качестве меры содержания в кусковом материале кусков выше заданного класса по крупности принята дисперсия измеряемой интенсивности отраженного от поверхности кускового материала излучения. Суть способа состоит в многократном измерении интенсивности обратноотраженного излучения в течение определенного времени, расчете дисперсии измеряемой интенсивности и определении содержания заданного класса крупности по эталонировочному графику зависимости содержания от дисперсии. 3 ил.

Изобретение относится к исследованию или анализу материалов с помощью отраженного рентгеновского или гамма-излучения и может быть использовано для автоматического контроля гранулометрических характеристик перемещающегося в технологическом потоке кускового материала.

Известен способ автоматического контроля гранулометрического состава перемещаемых в технологическом потоке материалов, согласно которому перемещаемый материал облучается осветителем, создавая на поверхности световой рельеф в виде чередующихся освещенных кусков и затемненных участков между ними, сканируют полученный рельеф фотоприемником, выходные сигналы которого при постоянной скорости перемещения материала пропорциональны размерам кусков, пересекаемых линией сканирования. Далее сигналы селектируют по длительности и, пройдя соответствующие аппаратурные преобразования, выдают в виде процентного содержания кусков соответствующего интервала размеров.

Эффективность применения известного способа существенно зависит от состояния поверхности материала, влияющей на отражение света. Из-за текстурных особенностей часть кусковых материалов плохо отражает свет, куски имеют разный микрорельеф граней, на которые оседает пыль, что также приводит к большой вариации углов отражения света и самой отражательной способности. Влияние этих факторов снижает точность измерения.

Известен способ автоматического контроля гранулометрических характеристик кускового материала, движущегося на ленточном конвейере, в котором использовано направленное электромагнитное излучение. Над движущимся кусковым материалом устанавливают открытый колебательный контур, который в автогенераторном режиме излучает на поверхность материала ограниченный окном пучок электромагнитного излучения в диапазоне частот от 100 МГц и выше, включая оптический. Измеряя напряженность электрического поля и исследуя зависимость ее от характера распределения плотности и формы свободной поверхности материала, проходящего под контуром, судят о размере куска. При этом принимают, что напряженность поля изменяется за счет существенного изменения рельефа и мгновенной плотности вещества в зоне контроля. Размер окна электромагнитного контура, а значит и ширину пучка излучения, выбирают в соответствии с размером контролируемого куска.

Общими с предложенным техническим решением признаками являются облучение поверхности материала, измерение отраженного сигнала и определение градуировочной зависимости контролируемого параметра от выходного сигнала приемника отраженного излучения.

Недостаток способа в том, что в указанном диапазоне частот электромагнитное излучение не имеет четко обозначенных границ и один крупный или несколько мелких кусков, попавших в контролируемую зону, могут вызвать одинаковое изменение напряженности электрического поля. Также одинаковый физический эффект может получаться при изменении лишь одного фактора: плотности крупного куска или рельефа поверхности, составленной более мелкими кусками. Данные обстоятельства снижают точность определения размера куска, а зависимость размера окна электромагнитного контура от размера контролируемого куска является причиной невозможности применения контура одной конструкции при изменении крупности контролируемой фракции кускового материала.

С учетом недостатков известных способов задачу, решаемую предлагаемым способом, можно сформулировать как расширение функциональных возможностей. Технический результат, получаемый при использовании способа, состоит в повышении точности определения контролируемого параметра.

Указанный технический результат получают за счет того, что в известном способе автоматического контроля гранулометрических характеристик кускового материала, включающем облучение его поверхности направленным электромагнитным излучением, измерение интенсивности обратноотраженного излучения и расчет содержания с использованием результата измерения, зонд, содержащий источник коллимированного узкого пучка рентгеновского или гамма-излучения и детектор обратно отраженного излучения, устанавливают на расстоянии по вертикали от плоскости, проходящей через центры кусков верхнего слоя кускового материала, не ниже d_o + 0,5, где d_o - средний размер кусков при отсутствии в материале кусков выше указанного класса по крупности; - экспериментально определяемый коэффициент, характеризующий разрыхление материала, проводят несколько циклов измерений на эталонном материале с разным содержанием заданного класса по крупности, измеряя в каждом цикле многократно интенсивность обратноотраженного излучения за время, в течение которого кусок среднего по всем циклам размера пересекает пучок излучения, рассчитывают дисперсию измеряемой интенсивности излучения, строят эталонировочный график зависимости дисперсии от известного содержания заданного класса по крупности, а затем многократно измеряют интенсивность обратноотраженного излучения контролируемого кускового материала в течение времени, равного времени измерения на эталонном материале, рассчитывают дисперсию измеряемой интенсивности излучения и по эталонировочному графику определяют содержание заданного класса по крупности.

В предложенном способе мерой размера куска является дисперсия D_d, погрешность измерения которой _D выражается формулой где n - количество измерений, в то время как в известных способах, когда мерой размера куска является непосредственный замер интенсивности отраженного излучения, погрешность определяемого размера _d рассчитывается по формуле
Поэтому точность определения содержания заданного класса по крупности предложенным способом при одинаковом количестве измерений в раз больше, чем точность определения известным способом.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, на которых представлены: фиг. 1 - схема размещения зонда относительно перемещаемого в технологическом потоке кускового материала; фиг. 2 - график изменения дисперсии D_d интенсивности обратноотраженного от поверхности кускового материала излучения в зависимости от размера куска; фиг. 3 - эталонировочный график зависимости содержания заданного класса по крупности ₊, выраженного в процентах, от дисперсии D_d.

Теоретическое обоснование возможности реализации предлагаемого способа заключается в следующем.

Малый элемент dI интенсивности обратноотраженного от поверхности кускового материала узкого пучка рентгеновского или гамма-излучения, зарегистрированного детектором в точке, совмещенной с источником излучения (см. фиг. 1), представляется в виде

где
Q - активность источника излучения;
S - площадь детектора;
- эффективность регистрации излучения детектором;
₀ - массовый коэффициент обратноотраженного материалом излучения;
- плотность кускового материала;
, _S - массовые коэффициенты поглощения материалом соответственно падающего на него и отраженного излучения;
h - расстояние по вертикали от источника до поверхности материала;
z - расстояние по вертикали от поверхности материала до элемента его объема dV;
L - расстояние по горизонтали от элемента объема dV до вертикальной оси z, проходящей через источник.

В цилиндрической системе координат имеем
dV = LdLddz, где - угол видимости dV в горизонтальной плоскости, проходящей через элемент объема.

Обозначим угол между осью z и прямой, соединяющей источник и элемент dV. Для узкого пучка излучения при малом угле выполняются равенства L = (h+z), dL = (h+z)d. . Тогда получим dV = (h+z)²dddz. . Интегрируя в пределах малого угла ₀ по объему материала на глубину z₀, представим измеряемую интенсивность излучения равенством

в котором с учетом узости пучка излучения примем L пренебрежимо малой длиной по сравнению с (h+z). Кроме того, глубина проникновения излучения в материал составляет несколько миллиметров, что намного меньше размера ее куска. Поэтому результат интегрирования не изменится, если принять z₀ __ . Тогда получим выражение

результат интегрирования которого имеет вид

где
E_i{-h(+_S)} - интегральная показательная функция. В области энергии рентгеновского или гамма-излучения произведение h(+_S) намного больше единицы. Поэтому можно принять E_i{-h(+_S)} _ 0.
С учетом этого получаем

где
K - коэффициент пропорциональности,
Интенсивность излучения 1 измеряют в течение времени, за которое кусок среднего размера пересекает пучок излучения. Принимая размер куска приближенно одинаковым по всем направлениям и обозначив H - расстояние по вертикали от зонда, содержащего источник и детектор излучения, до плоского сечения, проходящего через центры кусков верхнего слоя материала, получим за время измерения h = H = d/2, где d - размер куска. При этом плотность кускового материала с учетом коэффициента разрыхления 1+d, определяется равенством = ₀/(1+d), где - экспериментально определяемый коэффициент, ₀ - минералогическая плотность куска. Тогда интенсивность излучения представляется в виде

Изменение интенсивности излучения I в связи с изменением размера куска на интервале d определяется после дифференцирования 1 формулой

в которой должно выполняться граничное условие I² 0. Приравнивая в последней формуле к нулю выражение в скобках и обозначив при этом условии размер куска d₀, получим соотношение для расчета расстояния зонда от поверхности материала H = d₀+1/2. Размеру d₀ соответствует средняя крупность кусков при отсутствии в материале кусков выше заданного класса по крупности. При увеличении содержания кусков с размерами выше заданного класса по крупности имеем d > d₀.

Дисперсия интенсивности излучения за счет изменения размера куска определяется равенством D_d = (I)². С учетом полученных соотношений имеем

Из последнего выражения следует, что по мере увеличения размера куска дисперсия D_d также увеличивается, а максимальный размер куска не должен превышать значения 2d₀+1/. При уменьшении размера куска и измерении в течение неизменного интервала времени или по мере увеличения времени измерения при неизменном размере куска расстояние от зонда до поверхности породы h усредняется по той части ее профиля, которая пересекла пучок излучения за время измерения. Усредненное h становится больше расстояния H - d/2, что равнозначно уменьшению d, и дисперсия интенсивности излучения уменьшается. При добавлении в кусковой материал кусков крупного размера и неизменяемом времени измерения дисперсия увеличивается. Дисперсия увеличивается тем больше, чем чаще повторяются измерения на крупных кусках, т.е. чем больше таких кусков в движущемся материале. Таким образом, дисперсия многократно измеряемой интенсивности обратно отраженного рентгеновского или гамма-излучения D_d является мерой содержания в таком материале кусков выше заданного класса по крупности. График зависимости D_d от d изображен на фиг. 2.

Способ осуществляется следующим образом.

На расстоянии по вертикали от плоскости, проходящей через центры кусков верхнего слоя кускового материала не ниже d₀+0,5, устанавливают зонд, содержащий (см. фиг. 1) источник 1 коллимированного узкого пучка рентгеновского или гамма-излучения и детектор 2 обратноотраженного излучения. Постоянство этого расстояния может быть обеспечено, например, при скольжении зонда на валках, катящихся по поверхности кускового материала, или путем автоматической стабилизации зазора между зондом и кусковым материалом по результатам периодических длительных измерений интенсивности отраженного рентгеновского или гамма-излучения.

Для установления зависимости дисперсии измеряемой интенсивности излучения от содержания заданного класса по крупности проводят несколько циклов измерений на эталонном кусковом материале, содержание заданного класса по крупности в котором известно. В каждом цикле на эталонном материале с известным содержанием заданного класса по крупности проводят в движении многократно n измерений интенсивности обратноотраженного рентгеновского или гамма-излучения. Продолжительность каждого измерения равна времени t, в течение которого средний по размеру с учетом всех циклов кусок пересекает пучок излучения. Время измерения определяется формулой

где
d^-- средний размер куска,
v - скорость перемещения материала под пучком излучения.

В каждом i-измерении регистрируется отсчет N_i, после чего рассчитывают интенсивность излучения I_i = N_i/t. По результатам измерений рассчитывают для каждого цикла стандартную дисперсию D

где
средняя по циклу интенсивность излучения;
I_i - интенсивность излучения рядового i-измерения;
знак суммирования по i от 1 до n.

Полученное значение дисперсии следует скорректировать на величину дисперсии, полученной за счет статистического характера отсчетов.

Строят график зависимости скорректированной дисперсии D_d от содержания заданного класса по крупности в эталонном материале. Эталонировочный график такой зависимости представлен на фиг. 3.

Имея эталонировочный график зависимости дисперсии от содержания заданного класса по крупности, можно определить содержание заданного класса в контролируемом материале. Для этого контролируемый материал перемещают под установленным стационарно зондом и многократно измеряют интенсивность обратноотраженного от поверхности материала излучения. Время измерения интенсивности излучения должно быть равным времени измерения на эталонном материале. По результатам измерения рассчитывают дисперсию интенсивности обратноотраженного излучения, корректируют ее на величину дисперсии, получаемой за счет статистического характера отсчетов, и по эталонировочному графику определяют содержание заданного класса по крупности.

Для каждого типа контролируемого кускового материала, отличающегося от других типов по плотности, текстурным особенностям и другим физико-механическим характеристикам, должен быть построен отдельный эталонировочный график.

Формула изобретения

Способ определения содержания заданного класса по крупности в кусковом материале, перемещаемом в технологическом потоке, включающий облучение его поверхности направленным электромагнитным излучением, измерение интенсивности обратноотраженного излучения и расчет содержания с использованием результата измерения, отличающийся тем, что зонд, содержащий источник коллимированного узкого пучка рентгеновского или гамма-излучения и детектор обратноотраженного излучения, устанавливают на расстоянии по вертикали от плоскости, проходящей через центры кусков верхнего слоя кускового материала, не ниже
d_o+ 0,5,
где d_o - средний размер кусков при отсутствии в материале кусков вышеуказанного класса по крупности;
- экспериментально определяемый коэффициент, характеризующий разрыхление материала,
проводят несколько циклов измерений на эталонном материале с разным содержанием заданного класса по крупности, измеряя в каждом цикле многократно интенсивность обратноотраженного излучения за время, в течение которого кусок среднего по всем циклам размера пересекает пучок излучения, рассчитывают дисперсию измеряемой интенсивности излучения, строят эталонировочный график зависимости дисперсии от известного содержания заданного класса по крупности, а затем многократно измеряют интенсивность обратноотраженного излучения контролируемого кускового материала в течение времени, равном времени измерения на эталонном материале, рассчитывают дисперсию измеряемой интенсивности излучения и по эталонировочному графику определяют содержание заданного класса по крупности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3