ИНДУКЦИОННОЕ ЗОНДОВОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2001 года по МПК G01R33/16 G01N27/87 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для оперативного контроля качества железорудного сырья в конвейерных потоках и может быть использовано в горнообогатительном производстве.

В известных устройствах для измерения магнитной восприимчивости железорудного сырья в потоках в качестве информативных используются сигналы вторичных напряжений двух, удовлетворяющих условию дипольного приближения индукционных зондов различной эффективной длины с совмещенными максимумами геометрических факторов в магнитном поле объекта.

Наиболее близким к заявленному изобретению является известное из а.с. СССР N 516982, G 01 R 31/02, 1976. индукционное зондовое устройство, содержащее пару генераторных и пару приемных катушек. Техническим результатом изобретения является повышение надежностных характеристик устройства и точности индукционных измерений.

Он достигается тем, что индукционное зондовое устройство, содержащее генераторные и приемные катушки, согласно изобретению содержит пять пар приемных и генераторных катушек. Одна пара приемных катушек установлена по линии симметрии между парами генераторных катушек и вместе с ними образует первый индукционный зонд, две пары приемных катушек установлены по обе стороны от генераторных катушек и вместе с ними образуют второй индукционный зонд по условию совмещения геометрического фактора первого зонда с геометрическим фактором второго зонда. Причем, приемные катушки в каждой паре включены последовательно и согласно между собой. Генераторные катушки включены последовательно и встречно в каждой отдельной паре, при этом, пары генераторных катушек соединены последовательно и согласно между собой.

Заявленное изобретение наряду с существенным упрощением устройства и улучшением его надежностных характеристик обеспечивает наилучшие условия формирования диаграмм чувствительности первого и второго зондов при индукционных измерениях магнитной восприимчивости рудных объектов. Для скомпенсированного по первичному полю зонда, удовлетворяющего условию дипольного приближения, зависимость напряжения сигнала приемной катушки от магнитной восприимчивости объекта, представленного плоским полупространством, выражается известной формулой /3/ (Кудрявцев Ю.И. Индукционные методы измерения магнитной восприимчивости горных пород и руд в естественных условиях, Недра, 1978 г., 240 с.):
U' = U₀·G· æ′, (1)
где U' - напряжение, индуцированное на приемной катушке вторичным полем полупространства;
U₀ - первичное напряжение на приемной катушке нескомпенсированного зонда в немагнитной среде;
G = G(d/L) - геометрический фактор, являющийся функцией отношения расстояния d от оси зонда до поверхности полупространства к длине L зонда;
æ′ - кажущаяся магнитная восприимчивость полупространства.

Из формулы (1) следует, что диаграмма чувствительности индукционного зонда однозначно определяется функцией G = G(d/L), являющейся его основной метрологической характеристикой.

Согласно изобретению /3/ геометрический фактор двухкатушечного зонда при соосном расположении генераторной и приемной катушек определяется формулой:
G = [(d/L)² - 0,5]/{32[(d/L)² + 0,25]^2.5} (2)
Зависимость (2) имеет максимум на расстоянии d = d_о = L, т.е. при d/L = 1, поэтому зонд, установленный на оптимальном расстоянии d_о от исследуемого объекта, например поверхности дробленой руды на контакте с конвейерной лентой, имеет максимальную чувствительность с одновременной ее стабилизацией при неконтролируемых отклонениях расстояния d от оптимального значения d_о.

Заявленное устройство содержит два индукционных зонда различной эффективной длины для получения системы уравнений, согласованной с числом переменных, обусловленных спонтанными изменениями количества рудного материала в рудопотоке и концентрацией ферромагнитного компонента. При этом, главным условием обеспечения нормального режима функционирования зондового устройства является его установка на таком оптимальном расстоянии d_о от поверхности потока, при котором и первый и второй зонды с соосным расположением генераторных и приемных катушек имеют максимальную чувствительность, что достигается при совмещении максимумов геометрических факторов обоих зондов.

Сущность изобретения поясняется чертежом фиг. 1, 2, 3, где изображены:
фиг. 1 - конструктивная схема индукционного зондового устройства и его расположение относительно бесконечного плоского ферромагнитного слоя;
фиг. 2 - графики зависимостей геометрических факторов элементарных зондов в составе устройства от расстояния до поверхности плоского полупростравства;
фиг. 3 - графики зависимости оптимального расстояния от центра одной из пар приемных катушек приемных катушек второго зонда до центра ближайшей пары генераторных катушек от заданной длины зонда.

Устройство (фиг. 1) содержит массивное основание 1 из немагнитного материала, на котором установлены пять пар 2-2', 3-3', 4-4', 5-5', 6-6' одинаковых катушек - по одной основной 2, 3, 4, 5, 6 и одной компенсационной 2', 3', 4', 5', 6' соответственно в каждой паре. Пара 2-2' приемных катушек первого зонда установлена по линии симметрии O-O' точно между парами 3-3' и 4-4' генераторных катушек и вместе с ними образует первый индукционный зонд. Первая 5-5' и вторая 6-6' пары приемных катушек установлены соосно с парами генераторных катушек 3-3' и 4-4' и вместе с ними образуют второй индукционный зонд. Приемные катушки включены последовательно и согласно в каждой отдельной паре 2-2', 5-5' и 6-6', кроме того, 5-5' и 6-6' последовательно и согласно. Генераторные катушки включены последовательно и встречно в каждой отдельной паре 3-3' и 4-4', а сами пары соединены последовательно между собой.

Ферромагнитный слой 7 между поверхностями P и Q имитирует рудный материал на конвейере.

Принцип работы устройства заключается в следующем.

Взаимодействие ферромагнитного слоя 7 и индукционного зондового устройства может быть представлено, как разность действий двух плоских полупространств, ограниченных плоскостями P и Q, расположенных, соответственно, на фиксированном d_о и переменном d расстояниях от общей оси основных катушек 2, 3, 4, 5, 6 (фиг. 1). В отсутствие слоя 7 суммарное поле генераторных катушек 3 и 4 одного знака, действующее в контурах пар приемных катушек 2-2', 5-5' и 6-6, складывается с суммарным и равным ему полем компенсационных генераторных катушек 3 и 4 противоположного знака, поэтому результирующий сигнал приемных катушек 2-2' первого зонда и результирующий сигнал приемных катушек 5-5' и 6-6' второго зонда в воздухе будут равны нулю.

Вторичное магнитное поле слоя 7, намагниченного суммарным полем генераторных катушек 3-3' и 4-4', индуцирует на приемных катушках 2-2' вторичное напряжение информативного сигнала первого зонда. Ввиду симметричного равного действия пар генераторных катушек 3-3' и 4-4' на слой 7 значение информативного сигнала первого зонда согласно формуле (1) может рассматриваться как результат простого удвоения максимума геометрического фактора единичного зонда длиной L₁ (фиг. 1). Аналогично, вторичное магнитное поле слоя 7 индуцирует на приемных катушках 5-5' и 6-6' второго зонда равные вторичные напряжения информативного сигнала. Поэтому механизм формирования максимума геометрического фактора второго зонда следует рассматривать для одной пары приемных катушек второго зонда, например пары 5-5' и обоих пар генераторных катушек 3-3' и 4-4'.

Следовательно, суммарное действие слоя 7, намагниченного полем генераторных катушек 3-3', 4-4', на пару приемных катушек 5-5' представляет собой результат аддитивного сложения геометрических факторов элементарных зондов данной L₂ и L'₂ (фиг. 1).

Рассчитанные по формуле (2) значения геометрических факторов первого и второго зондов приведены в таблице, в графах которой указаны:
N - порядковый номер отроки;
d - расстояние от общей оси основных катушек зондового устройства до поверхности Q полупространства;
H - толщина слоя 7, определяемая разностью расстояний d и d_о;
G₁ - значения геометрического фактора первого зонда при L₁ = 100 мм;
G₂ - значения геометрического фактора элементарного зонда длиной L₂ = 87 мм;
G'₂ - значения геометрического фактора элементарного зонда длиной L'₂ = 287 мм;
G_2S - значения геометрического фактора второго зонда в целом, как суммы факторов G₂ и G'₂;
G_2S^* - значения геометрического фактора второго зонда в целом, как суммы факторов G₂ и G'₂ при L₂ = 80 мм и L'₂ = 280 мм;
G_2S^** - значения геометрического фактора второго зонда в целом, как суммы факторов G₂ и G'₂ при L₂ = 94 мм и L'₂ = 294 мм.

При расчете суммарных геометрических факторов второго зонда значения геометрических факторов элементарных зондов длиной L'₂ уменьшились на масштабный коэффициент, равный кубу отношения длин L'₂ к L₂.

Из таблицы, отрока 6, видно, что максимум суммарного геометрического фактора второго зонда G_2S, равный 0.00437, совмещается с максимумом геометрического фактора первого зонда, равного 0.00894, в то время как максимумы геометрических факторов G_2S^* и G_2S^** смешены в строки 5 (d = 90 мм) и 7 (d = 110 мм) соответственно. Указанным фактом подтверждается существование единственной пары длин L₂ и L'₂ элементарных зондов второго зонда, при которой происходит совмещение максимумов первого и второго зондов.

Механизм формирования геометрического фактора второго зонда, совмещенного с максимумом первого ясен из фиг. 2, где график 8 представляет зависимость G₁ = G₁(d) при L₁ = 100 мм, график 9 - зависимость G₂ = G₂(d) при L₂ = 87 мм, график 10 - зависимость G'₂ = G'₂(d) при L'₂ = 287 мм, а график 11 - суммарную зависимость G_2S = G_2S(d) второго зонда в целом.

При заданной длине L₁ первого зонда оптимальная длина L₂ элементарного зонда второго зонда может быть определена на основании зависимости L₂ = L₂(L₁) с использованием формулы:
L₂ = 0,705 · L₁ + 16,5, мм (3)
и, соответственно, графиком 12 фиг. 3.

Эффективность формулы (2) подтверждена экспериментальными данными для ряда длин первого зонда 44,5, 75 и 100 мм, при этом длина элементарного зонда длиной L'₂ определяется по выражению:
L'₂ = 2L₁ + L₂, (4)
При выборе расстояния D (фиг. 1) между осями основных и компенсационных катушек, равном 90 мм, как наиболее целесообразном для конвейерных рудопотоков, зависимость L₂ = L₂(L₁) определяется выражением:
L₂ = 0,85L₁, (5)
и, соответственно, графиком 13 фиг. 3, в которых учитывается влияние откликов слоя 7 (фиг. 1) на поле компенсационных генераторных катушек 3' и 4'.

Источники информации
1. Авт.свид. СССР, N 1246743, кл. G 01 R 33/16, 26.12.83.

2. Авт.свид. СССР, N 1501742, кл. G 01 R 33/16, 18.08.87, (прототип).

3. Кудрявцев Ю. М. Индукционные методы измерения магнитной восприимчивости горных пород и руд в естественных условиях. М.: Недра, 1978 г., 240 с.

Использование: для оперативного контроля качества железорудного сырья в конвейерных потоках в горнообогатительном производстве. Технический результат - повышение надежностных характеристик устройства и точности индукционных измерений за счет упрощения конструкции и технологичности изготовления. Индукционное зондовое устройство содержит пять пар одинаковых приемных и генераторных катушек по одной основной и одной компенсационной в каждой паре, образующих два скомпенсированных по первичному полю индукционных зонда с общими генераторными катушками, соосно расположенными с приемными катушками первого зонда. Приемные катушки второго зонда размещены на одинаковом расстоянии по обе стороны от генераторных по условию совмещения максимума геометрического фактора второго зонда с максимумом геометрического фактора первого зонда. Первая и вторая пары генераторных катушек размещены симметрично относительно приемных катушек первого зонда, установленных по линии симметрии. Первая и вторая пары приемных катушек второго зона установлены соосно с парами генераторных катушек. 3 ил., 1 табл.

Индукционное зондовое устройство, содержащее генераторные и приемные катушки, отличающееся тем, что оно содержит пять пар приемных и генераторных катушек, одна пара приемных катушек установлена по линии симметрии между парами генераторных катушек и вместе с ними образует первый индукционный зонд, две пары приемных катушек установлены по обе стороны от генераторных катушек и вместе с ними образуют второй индукционный зонд по условию совмещения геометрического фактора первого зонда с геометрическим фактором второго зонда, причем приемные катушки в каждой паре включены последовательно и согласно, а пары приемных катушек соединены последовательно и согласно между собой, генераторные катушки включены последовательно встречно в каждой отдельной паре, при этом пары генераторных катушек соединены последовательно и согласно между собой.