УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ПОЛЕЗНОГО КОМПОНЕНТА В МИНЕРАЛЬНОМ СЫРЬЕ Российский патент 1998 года по МПК G01N23/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в горнодобывающей и горноперерабатывающей отрасли народного хозяйства для контроля содержания полезного компонента в горных выработках, массивах, дробленой и измельченной горной массе, преимущественно для руд с неравномерно распределенным полезным компонентом и сложной структурно-текстурной характеристикой.

В качестве аналогов предложенного устройства авторы принимают а.с. N 1004830, кл. 01 N 23/00, 1980, "Способ рентгеновского анализа и рентгеновский аппарат для его реализации, содержащий датчик, выполненный на базе рентгеновской трубки, выход которого соединен с усилителем-нормализатором, подсоединенным к счетчику импульсов, выход которого подсоединен к входу блока индикации".

Несмотря на высокую точность данного устройства, которая достигается при идеально усредненной горной массе, оно не пригодно для эксплуатации в условиях шахт и карьеров, т. к. анизотропность горных пород в массиве и во взорванной горной массе очень сильно влияет на точность контроля содержания полезного компонента. Кроме того, глубина информационного слоя облучаемого материала составляет всего 2 - 3 мм, что также ограничивает область применения этого устройства с учетом сложной структуры-текстуры горных пород и наличия множества разновидностей.

Другим наиболее близким аналогом может служить переносной рентгенофлюоресцентный анализатор (см. описание проспекта переносного анализатора X-MET фирмы, Финляндия, 1986, с. 10), содержащий источник и пропорциональный приемник ионизирующего излучения, присоединенный через блок ввода к усилителю-нормализатору, выход которого через счетчик импульсов соединен с 16-разрядным процессором, оперативную и постоянную память, блок вывода результатов измерений, подсоединенный к жидкокристаллическому блоку индикации.

Известное устройство позволяет регистрировать характеристическое излучение от облучаемой горной массы, что ограничивает глубинность получаемой полезной информации на уровне трех миллиметров.

Учитывая, что в рудах со сложной структурой-текстурой ширина чередующихся слоев рудных и вмещающих пород достигает до 12 мм, очевидно, что подобные устройства непригодны для автоматического контроля содержания полезного компонента в минеральном сырье со сложной структурой-текстурой.

Прототипом является устройство для контроля содержания полезного компонента в горных породах (см. Пшеничный Г.А., Очкур О.С. и др. Гамма-гамма метод в рудничной геологии", Атомиздат, 1971, с. 60), содержащее источник и приемник гамма-излучения, усилитель-нормализатор, счетчик импульсов, таймер и блок индикации.

В известном устройстве регистрируется интегральный поток рассеянного гамма-излучения и по эталонировочной зависимости определяется содержание полезного компонента в контролируемой горной массе. Множество разновидностей руд требует снятия эталонировочных зависимостей для каждой разновидности. При этом происходит суммирование погрешностей: построение графиков, снятие показаний устройства и ошибок при определении содержания полезного компонента по графикам. Очевидно, что чем больше разновидность руд в контролируемой горной массе, тем ниже точность и оперативность контроля.

Целью изобретения является повышение точности контроля путем обеспечения соответствия между интенсивностью рассеянного гамма-излучения, магнитной восприимчивостью и содержанием полезного компонента в различных разновидностях горных пород, в том числе со сложной структурой-текстурой за счет предварительной оценки разновидностей руд путем задания верхней и нижней граница интенсивности рассеянного гамма-излучения, магнитной восприимчивости, непосредственной обработки результатов контроля содержания полезного компонента и выдачи его на блок индикации. Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство дополнительно введены датчик магнитной восприимчивости, второй усилитель-нормализатор и второй счетчик импульсов, а также блок ввода информации, блок вывода информации, блок задатчика разновидностей руд, микропроцессор, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, причем выход датчика магнитной восприимчивости через второй усилитель-нормализатор подсоединен к первому входу второго счетчика импульсов, при этом выход таймера дополнительно подсоединен к второму входу второго счетчика импульсов, микропроцессор, оперативное запоминающее устройство и постоянное запоминающее устройство соединены с блоком ввода информации, блоком вывода информации и размером, а выход блока вывода информации соединен с блоком индикации.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - алгоритм его работы; на фиг. 3 - функциональная схема задатчика разновидностей руд; на фиг. 4 - градуировочные зависимости интенсивности рассеянного гамма-излучения и магнитной восприимчивости от содержания полезного компонента.

Устройство содержит источники гамма-излучения 2, размещенные в свинцовом контейнере с коллимационными отверстиями, приемник гамма-излучения 3, выход которого подсоединен через усилитель-нормализатор 4 к одному входу счетчика импульсов 5, блок индикации 6, блок задатчика разновидностей руд 7, блок ввода информации 8, таймер 9, блок ввода информации 10, микропроцессор 11, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 12, постоянное запоминающее устройство 13, соединенные через шины управления (ШУ) 14, шины данных (ШД) 15 и шины адресов (ША) 16 с блоками ввода, вывода информации и с таймером датчик магнитной восприимчивости с задающим генератором 17, второй усилитель-формирователь 18 и второй счетчик импульсов 19.

Блок 7 (см. фиг. 3) представляет собой электронный ключ, собранный на базе двух элементов 2 И-НЕ (например, серии К155ЛАЗ). Первый вход первого элемента 2 И-НЕ через резистор R₁и ключ K₁ подсоединен к шине "Земля", второй вход которой подсоединен к первому входу второго элемента 2 И-НЕ и через резистор R₂ и ключ K₂ подсоединен к шине "Земля", второй вход второго элемента подсоединен к выходу первого элемента 2 И-НЕ, а выходы элементов 2 И-НЕ подсоединены к входу блока ввода.

В зависимости от физико-химического состава и класса крупности контролируемой горной массы количество источника может меняться от 2 до 8 шт., их энергия - от 60 до 300 кэВ, а активность - от 6 до 25 мКи.

Устройство работает следующим образом. В исходном положении снимаются градуировочные зависимости интенсивности рассеянного гамма-излучения и магнитной восприимчивости от содержания полезного компонента для всех разновидностей руд данного месторождения. Затем по зависимостям определяются верхние и нижние граничные значения интенсивности рассеянного гамма-излучения и магнитной восприимчивости в соответствии с максимальным и минимальным значениями содержания полезного компонента. В блок памяти ПЗУ записываются граничные значения содержания полезного компонента в соответствии с градуировочными зависимостями, верхние N_Bi, B_Bi, средние N_Oi, B_Oi, нижние N_Hi, B_Hi значения интенсивности рассеянного гамма-излучения и магнитной восприимчивости для всех разновидностей руд, а также время одного цикла измерения T.

Для контроля содержания полезного компонента в горной массе в блоке 7 предварительно задают разновидность руды следующим образом. В исходном положении ключи K₁ и K₂ разомкнуты и на выходе блока 7 формируется код 01, что соответствует первой разновидности руд. В зависимости от состояния ключей K₁ и K₂ меняется выходной сигнал блока 7 (01, 10, 11), что позволяет осуществить предварительный выбор разновидностей руд. По выходному сигналу блока 7 осуществляется выборка из ПЗУ граничных значений интенсивности рассеянного гамма-излучения и магнитной восприимчивости в соответствии с разновидностями руд), автоматически записывается в ОЗУ, подготавливая тем самым устройство к работе. Свинцовый контейнер с источниками гамма-излучения 2, с приемником 3 и датчиком магнитной восприимчивости размещают в контролируемой точке горного массива, куска горной породы или же над кюветой с измельченной горной массой. В результате взаимодействия гамма-излучения с горной массой происходит обратное рассеяние. Обратно рассеянное гамма-излучение регистрируется приемником 3, а магнитная восприимчивость - приемником 17 и подается на вход первого 4 и второго 18 усилителей-нормализаторов соответственно, где принятый сигнал усиливается и ограничивается по амплитуде. Первый счетчик, импульсов 5 регистрирует интенсивность рассеянного гамма-излучения, а второй - магнитную восприимчивость за время одного цикла T, который задается таймером 9.

С выхода первого и второго счетчиков 5, 19 импульсы N₁ и B₁ поступают через шину данных 15 в микропроцессор 11, где проверяется соответствие данной интенсивности и магнитной восприимчивости содержанию полезного компонента в разновидностях руд (см. фиг. 2, блоки 25, 26, 27). Эти блоки реализуются программно при помощи микропроцессора 11. Например, условия блока 25 на алгоритмическом языке реализуются и имеют следующий вид:
IF N(I) ≤ NH(I) AND N(I) ≥ NH(I)
AND B(I) ≤ BH(I) AND B(I) ≥ BH(I)
Аналогично реализуются логические условия блоков 26, 27 в микропроцессоре 11.

Если условие логического блока 25 выполняется, то в процессе 11 определяется наиболее чувствительная зона полезного сигнала. Из фиг. 4 видно, что по мере увеличения содержания полезного компонента интенсивность рассеянного гамма-излучения (1) падает по экспотенциальному закону, а магнитная восприимчивость (2) наоборот. При этом результирующий сигнал (3) имеет форму параболы и состоит из двух составляющих. В первой зоне (доинверсионной) преобладает интенсивность рассеянного гамма-излучения, а во второй (заинверсионной) преобладает магнитная восприимчивость. Причем точка инверсии результирующего сигнала (3) совпадает с точкой пересечения двух зависимостей (N_i,B_i = f(P_i)), что предопределяет среднюю точку интенсивности рассеянного излучения (N_oi), магнитной восприимчивости B_oi) и содержания полезного компонента (P_oi).

Как видно из зависимостей 1, 2 наиболее слабой зоне чувствительности сигнала интенсивности рассеянного излучения соответствует содержание полезного компонента P_Hi - P_oi, а магнитной восприимчивости соответствует диапазон содержания полезного компонента P_oi - P_bi. Следовательно, в зависимости от физико-химических свойств горных пород чувствительность метода меняется и зависит от производной функции M_i и B_i в дисперсионной заинверсионной зоне, значение которых вычисляются в микропроцессоре 11 (см. фиг. 2, блоки 30 - 37). Далее в соответствии с N_i, B_i осуществляется выборка из ПЗУ содержания полезного компонента P_ij. Через блок вывода информации 10 выбранное содержание полезного компонента передается на цифровое табло блока индикации 6.

Если же условие логического блока 25 не выполняется, то проверяется логическое условие следующей разновидности руды (блок 26) и принимается решение, аналогичное описанному выше. Процесс повторяется до тех пор, пока не будут проверены условия всех разновидностей руды. Если же не выполняется ни одно логическое условие, то микропроцессор запускает таймер 9, который разрешает новый цикл измерений интенсивности рассеянного гамма-излучения и магнитной восприимчивости. После завершения второго цикла снова проверяются логические условия. Если условия логических блоков не выполняются, то микропроцессор 11 разрешает выход из цикла и прекращает дальнейшие измерения в данной контрольной точке.

Если же условия выполняются, то аналогично вышеизложенному определяется содержание полезного компонента в контролируемой горной массе и результат передается на цифровое табло. Количество контрольных циклов K может быть и больше двух. Наличие контрольных циклов измерения в предлагаемом устройстве позволяет исключить случайные ошибки и тем самым повышает точность контроля.

Рассмотрим пример реализации.

Источники гамма-излучения америций-241, в количестве 3 шт., активностью по 6 мКц каждый, расположены в свинцовом контейнере, который расположен относительно нормали под углом 15^o и имеет коллимационное отверстие диаметром 3 мм. В качестве приемника гамма-излучения используется серийно выпускаемый детектор радиометра СРП-68.

В качестве датчика магнитной восприимчивости используется феррозонд, который одновременно является колебательным контуром задающего генератора, входящего в состав датчика 17. Феррозонд и зондовое устройство приемника гамма-излучения совмещены.

Функции датчика магнитной восприимчивости используется выполнить датчики типа АКИ-1, АКИ-2 (см. Арш Э.И., Лазаревич А.Г., Строканов В.Я., Твердоступ Н. И. , и др. Автогенераторный каротажный измеритель магнитной проницаемости сред, Геофизическая аппаратура, - Л.: Недра, N 73, 1981, с. 122 - 129).

Блоки ввода и вывода информации обеспечивают ввод исходной информации и выдачу результатов измерений на блок индикации.

В зависимости от конфигурации устройства блок ввода индикации может быть реализован на отдельных элементах (трансформаторах или же интегральных микросхемах), где блок ввода информации служит интерфейсом (согласующим звеном) между сигналом датчика и пультом управления. Пульт управления включает все блоки устройства, кроме приемника, гамма-излучения (3) и датчика магнитной восприимчивости (17).

Можно также использовать в качестве блока ввода-вывода стандартный серийный интерфейс RS-232C.

Приемник гамма-излучения 3 и датчик магнитной восприимчивости 17, для удобства работы в условиях шахт и карьеров, совмещены в одном корпусе, на выходе которого имеются два сигнала: сигнал гамма-излучения, поступающий на вход усилителя-нормализатора 4 и сигнал магнитной восприимчивости, поступающий на вход третьего усилителя-нормализатора 18. В качестве рассеивателя используются три разновидности руд: железные, хромовые и марганцевые.

При этом железные руды представлены тремя разновидностями со сложной структурой-текстурой. Первая разновидность железных руд - это руды с достаточно сильной магнитной восприимчивостью, вторая - окисленные руды, где связь между магнитными свойствами и содержанием железа отсутствует, третья - слабомагнитные железные руды, где корреляционная связь между содержанием железа и магнитными свойствами не превышает 0,71. Хромовые руды слабомагнитные с равномерным распределением содержания полезного компонента. Марганцевые руды имеют среднюю магнитную восприимчивость и анизотропную структуру.

По заранее снятым градуировочным зависимостям определяем верхние, средние и нижние значения интенсивности рассеянного излучения и магнитной восприимчивости в соответствии с граничными значениями содержания полезного компонента (см. табл. 1).

Записываем в ПЗУ устройство табличные значения функции N_i,B_i = f(P_i,j) зависимостей интенсивности рассеянного излучения и магнитной восприимчивости от содержания железа, хрома и марганца соответственно, где i - характеризует индекс разновидности руд, а j - индекс содержания полезного компонента. Кроме того, записываем верхние, средние и нижние значения магнитной восприимчивости и интенсивности рассеянного излучения (см. табл. 1) и время одного цикла измерения в блок 13 ПЗУ устройства, собранный на интегральных микросхемах (например, КР573РФ2) (см. блок 20, фиг. 2). Одновременно в блоке 7 предварительно задаем код разновидности контролируемой горной массы, по которому граничные значения интенсивности и магнитная восприимчивость данной разновидности руд записывается из ПЗУ в блок 12 ОЗУ устройства, что исключает случайные ошибки и тем самым повышает точность контроля. Принадлежность горной массы к той или иной разновидности повторно устанавливается при помощи логических условий блока 25, 26, 27 (см. фиг. 2), что также исключает случайные ошибки в процессе контроля качества горных пород.

Контроль содержания полезного компонента по отдельным разновидностям руд позволяет повысить точность особенно в области слабой чувствительности (см. фиг. 4 область, расположенная ниже точки пересечения зависимостей 1, 2).

В таблице 2 приведены результаты экспериментальной работы по установлению чувствительности устройства.

Эффективность применения предлагаемого устройства особенно ощутимо для тех руд, где известные устройства, основанные на гамма-излучении, либо на магнитных свойствах, дают большие погрешности, либо непригодны для оперативного контроля качества. К таким относятся железные руды Кривбасса, где, кроме сложной текстуры имеет место не менее сложная структура, чередуются рудные и нерудные включения (полосы), ширина которых достигает 12 мм.

Таким образом, из табл. 2 видно, что использование дополнительно магнитной восприимчивости в сочетании с ионизирующим излучением расширяет область применения и увеличивает чувствительность устройства оперативного контроля качества содержания полезного компонента в среднем в 1,55 раза.

Оперативность в предлагаемом устройстве достигается за счет непосредственной обработки результатов контроля содержания полезного компонента и выдачи их на блок индикации в процентах. Время одного замера не более 10 с.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет:
- осуществить раздельный автоматический контроль качества минерального сырья в естественном залегании, в дробленой измельченной горной массе и в рудах со сложной структурой-текстурой;
- осуществить селективную выемку горных пород, что снижает разубоживание и потери рудных кусков;
- повысить точность и оперативность контроля качества минерального сырья по сравнению с известными устройствами в среднем более чем в 1,55 раза.

Расчет экономической эффективности выполняется по формуле:
Э = ((C₁ - C₂) - Е_н • К_доп)А,
где
C₁, C₂ - себестоимость анализа одной пробы до и после внедрения установки, руб; А - объем продукции по новому варианту, тыс. тонн в год; Е_н - нормативный коэффициент (0,15); Е_доп - дополнительные расходы, тыс. руб.

Поставляя значения в формулу получим:
Э = (0,89 - 0,035) - 0,15 • 0,3 • 64,2 • 10⁴ = 520 млн. руб.

Таким образом, годовой экономический эффект от внедрения предлагаемого устройства составит 520 млн. рублей.

Возможный масштаб использования изобретения в народном хозяйстве определяется объемом добываемого минерального сырья.

Ориентировочно количество устройства для Донского ГОКа и Кривбасса составит около 200 единиц, следовательно, ожидаемый годовой экономический эффект составит более двадцати миллиардов рублей.

Использование: в горнодобывающей и горноперерабатывающей промышленности, в частности для контроля состава минерального сырья. Сущность изобретения: устройство автоматического контроля содержания полезного компонента в минеральном сырье содержит источник 2 и приемник 3 гамма-излучения, два усилителя-нормализатора 4, 18, два счетчика импульсов 5, 19, датчик магнитной восприимчивости 17, блок 7 задатчика разновидностей руд, таймер 9, блок 6 индикации и ЭВМ, включающая блок 6 ввода информации, блок 10 вывода информации, микропроцессор 11, 03У 12 и ПЗУ 13. Первые усилитель-нормализатор 4 и счетчик импульсов 5 связаны с приемников 3 гамма-излучения и ЭВМ, а вторые усилитель-нормализатор 18 и счетчик импульсов 19 связаны с датчиком магнитной восприимчивости 17 и ЭВМ. 2 табл., 4 ил.

Устройство автоматического контроля содержания полезного компонента в минеральном сырье, содержащее источник и приемник гамма-излучения, усилитель-нормализатор, счетчик импульсов, таймер и блок индикации, выход приемника гамма-излучения через усилитель-нормализатор подсоединен к первому входу счетчика импульсов, выход таймера подсоединен к второму входу счетчика импульсов и к входу блока индикации, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит датчик магнитной восприимчивости, второй усилитель-нормализатор, второй счетчик импульсов, блок задатчика разновидностей руд, блок ввода информации, блок вывода информации, микропроцессор, оперативное запоминающее устройство и постоянное запоминающее устройство, причем выход датчика магнитной восприимчивости через второй усилитель - нормализатор подсоединен к первому входу второго счетчика импульсов, при этом выход таймера дополнительно подсоединен к второму входу второго счетчика импульсов, микропроцессор, оперативное запоминающее устройство и постоянное запоминающее устройство соединены с блоком ввода информации, блоком вывода информации и таймером, а выход блока вывода информации соединен с блоком индикации.