СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА И СОРТИРОВКИ ПОТОКА МАТЕРИАЛА Российский патент 2008 года по МПК G01N23/06 

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для анализа и сортировки потока материала. В частности, изобретение относится к способу и устройству для анализа и сортировки потока материала посредством рентгеновского излучения. С этой целью способ включает в себя этапы, упоминаемые в ограничительной части п.1 формулы изобретения.

В данной области техники известен такой способ. Для достижения вышеупомянутой цели облучают группу однотипных элементов с помощью рентгеновского излучения, имеющего два уровня мощности. Общее пропускание при излучении на этих двух уровнях определяют отдельно. На основании измеренного общего пропускания становится возможным определение типа группы элементов. Такого рода способ обладает весьма ограниченными возможностями. Он позволяет измерять только общее пропускание и непригоден для анализа отдельных элементов группы. Этот способ неприменим для одновременного, но раздельного анализа малых объектов.

Задача изобретения состоит в том, чтобы разработать усовершенствованный способ, с помощью которого можно исключить вышеупомянутые недостатки. Конкретная задача изобретения состоит в том, чтобы разработать усовершенствованный способ, с помощью которого объекты можно анализировать и обнаруживать отдельно. Задачей изобретения также является разработка усовершенствованного способа, с помощью которого можно анализировать, определять и, по выбору, разделять различные объекты, которые отличаются друг от друга.

Для решения этой задачи предложен способ, отличительные признаки которого соответствуют п.1 формулы изобретения. На основе измеренных значений пропускания способ, соответствующий изобретению, обеспечивает возможность, по меньшей мере, в каждом элементе отображения оценить толщину, коэффициент поглощения и средний эффективный атомный номер материала. Разделение можно проводить автоматически, а также вручную на основании информации, выдаваемой устройством.

В соответствии с предпочтительным конкретным вариантом осуществления датчик содержит множество, по существу, линейно ориентированных точечных чувствительных элементов датчика, а поток материала подается в направлении, по меньшей мере, примерно перпендикулярном ряду чувствительных элементов датчика, и пропускание при этом измеряется, по существу, непрерывно. Если поток материала подается через устройство непрерывно, а излучение испускается на первой стороне потока материала, то можно получить ясное изображение подаваемого материала. Меняя расстояние между соседними чувствительными элементами датчика, можно увеличивать или уменьшать разрешение.

В соответствии с дополнительным конкретным вариантом осуществления измерение пропускания можно проводить на предварительно выбранной частоте. Эта частота может составлять, например, по меньшей мере, 20 Гц, но в типичном случае составляет 200 Гц или более. Эта частота также зависит от скорости подачи потока материала. В предпочтительном варианте разрешение по горизонтали (т.е. в направлении, по существу, параллельном ряду чувствительных элементов датчика) примерно равно разрешению по вертикали (т.е. в направлении движения потока материала).

В соответствии с дополнительным конкретным вариантом осуществления способ отличается тем, что информацию о величине пропускания, получаемую для каждого точечного чувствительного элемента, подают в процессор для обработки изображений, и тем, что с помощью процессора изображений определяют, по меньшей мере, различия по составу, форме и размерам различных частиц, существующие между частицами в потоке материала. Это обеспечивает надлежащую и точную классификацию частиц. Например, создается возможность предусмотреть разделяющее устройство, которое располагают выше по технологической цепочке обработки потока материала и посредством которого можно отбирать желаемые материалы различных типов.

В соответствии с одной предпочтительной особенностью изобретение отличается тем, что пропускание каждого чувствительного элемента датчика определяют на протяжении последовательных единиц времени таким образом, что измерения можно проводить в точках, расположенных рядом в потоке материала в направлении его движения.

В соответствии с другой предпочтительной особенностью изобретение отличается тем, что поток материала движется на поверхности транспортера, причем данный поток материала с первой стороны этой поверхности облучают с помощью источника рентгеновского излучения, а пропускание излучения обнаруживают на противоположной стороне этой поверхности.

В соответствии с одной предпочтительной особенностью способ, соответствующий изобретению, сочетают с одним или более дополнительными способами бесконтактного обнаружения, например, основанными на излучении, выбранном из группы, состоящей из инфракрасного излучения, излучения видимого света, ультрафиолетового излучения или электромагнитного излучения, например, на основе датчиков, которые работают с низкочастотными электромагнитными полями (100-100000 Гц). Это приводит к получению преимущества, заключающегося в том, что становится возможным анализ материалов, которые по своему атомному составу мало отличаются друг от друга, с помощью других способов обнаружения.

В соответствии с еще одним предпочтительным конкретным вариантом осуществления поток материала выбирают из аналогичных материалов, которые отличаются по составу. Например, материал может содержать стекла различных типов, металлы различных типов, органические вещества и неорганические вещества различных типов, твердые ископаемые топлива различных типов, синтетику различных типов, смеси зольных остатков мусоросжигания или смешанные продукты сложного состава. Также возможно смешение этих материалов с загрязняющими веществами других типов, анализ которых можно успешно осуществлять посредством способа, соответствующего изобретению. Также возможным становится обнаружение областей загрязнения в пределах одной частицы. Например, становится возможной точная дифференциация между твердыми ископаемыми топливами и горными породами.

При осуществлении способа, соответствующего изобретению, излучение является рентгеновским излучением. В частности, предпочтительно использовать, по меньшей мере, два уровня излучения, имеющие среднюю разность энергий, по меньшей мере, 10 кэВ, предпочтительно - по меньшей мере, 20 кэВ, более предпочтительно - по меньшей мере, 40 кэВ, а еще более предпочтительно - по меньшей мере, 70 кэВ. В соответствии с дополнительным предпочтительным конкретным вариантом осуществления, излучение является рентгеновским излучением, при этом уровень энергии первой части излучения соответствует энергетическому уровню, находящемуся между примерно 10 и 100 кэВ, а другая часть имеет энергетический уровень между примерно 100 и 200 кэВ. В некоторых случаях применения эти уровни можно регулировать в соответствии накладываемыми требованиями.

Как упоминалось выше, изобретение также относится к устройству для анализа потока материала с помощью излучения, содержащему, по меньшей мере, одно средство подачи для обеспечения движения потока материала через устройство в первом направлении, средства испускания излучения для облучения материала и датчики для измерения излучения, пропускаемого через материал, отличающемуся тем, что средства испускания излучения испускают излучение, по меньшей мере, двух энергетических уровней, а датчики измеряют излучение различных энергетических уровней, причем эти датчики содержат множество, по существу, соседних точек измерения, которые расположены, по существу, в ряд, по существу, перпендикулярный направлению движения материала. Такое устройство обеспечивает возможность очень точного обнаружения отдельных объектов в потоке материала. Конкретная предпочтительная особенность такого устройства заключается в том, что оно содержит средство обработки изображений, обеспечивающее определение, по меньшей мере, формы и размера различных объектов в потоке материала. Можно также определять загрязняющие вещества в пределах частицы. Устройство предпочтительно содержит средство, при использовании которого можно анализировать поток материала с помощью одного или более дополнительных бесконтактных методов обнаружения, например, основанных на инфракрасном излучении, излучении видимого света, ультрафиолетовом излучении или электромагнитных полях.

Ниже будет приведено пояснение изобретения на нескольких примерах предпочтительных конкретных вариантов осуществления.

В соответствии с изобретением способ согласно первому конкретному варианту осуществления реализуют путем измерения пропускания рентгеновского излучения в двух разных диапазонах, выраженных в килоэлектронвольтах, и при разрешении примерно 2х2 мм. Это означает, что межцентровое расстояние между точечными чувствительными элементами датчиков составляет примерно 2 мм. Скорость движения анализируемого материала в плоскости, находящейся между источником излучения и датчиком, и частоту, на которой проводят измерение, определяет вышеупомянутое разрешение по вертикали. Если подачи материала не происходит, то замер соответствует максимальному пропусканию. Если между источником излучения и датчиком оказывается какой-либо материал, то измеренное значение излучения будет меньше упомянутого максимального значения.

На чертеже условно изображено устройство, с помощью которого можно осуществить способ, соответствующий изобретению. В изображенном конкретном варианте осуществления устройство содержит два так называемых линейных датчика 5 и 5' соответственно, а также источники 2 и 2' излучения, соответственно расположенные на некотором расстоянии от линейных датчиков. Как показано на чертеже, имеются два отдельных источника 2 и 2' излучения соответственно, которые испускают излучение в направлении датчиков 5 и 5' соответственно. Эти источники 2 и 2' излучения испускают излучение разных энергетических уровней. Каждый из двух линейных датчиков 5 и 5' чувствителен лишь к одному из энергетических уровней, на которых работают источники 2 и 2' излучения. Как видно на чертеже, анализируемый материал 3 подают в виде твердых частиц различного состава, показанных на чертеже разным цветом в окраске частиц, в одном направлении, отображенном стрелками 6, при этом подачу частиц осуществляют между линейными датчиками 5, 5' и источниками 2, 2' излучения в направлении, отображенном стрелками 7. Как показано на чертеже, линейные датчики 5, 5' расположены примерно перпендикулярно направлению движения частиц. Эти линейные датчики также могут быть расположены под углом к направлению движения потока материала.

Подачу частиц можно осуществлять между датчиками 5, 5' и источниками 2, 2' излучения в горизонтальной плоскости транспортировки, например, по ленте транспортера. Вместе с тем, можно также подавать частицы таким образом, что они будут падать, вертикально или под углом, но возможно и движение по наклонной плоскости. Скорость анализируемых частиц в предпочтительном варианте известна.

Значения пропускания, измеряемые линейными датчиками 5 и 5', подаются в процессор 1 изображений. Этот блок обработки, например - компьютер, выполнен с возможностью определения формы и размера частиц, обуславливаемой сочетанием частоты измерений и скорости транспортировки частиц, с одной стороны, и разрешением, получаемым с помощью множества отдельных датчиков 5 и 5', с другой стороны. Процессор изображений предпочтительно оснащен запоминающим средством для хранения получаемых данных.

Скорость частиц может находится в широком диапазоне, но предпочтительной является скорость, по меньшей мере, 5 см в секунду. Согласно дополнительному предпочтительному конкретному варианту осуществления, эта скорость составляет, по меньшей мере, 20 см в секунду, более предпочтительно - по меньшей мере, 0,5 м в секунду, еще более предпочтительно - по меньшей мере, 1 м в секунду, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере, 2 м в секунду. В зависимости от разрешения, т.е. от количества точечных чувствительных элементов в линейных датчиках 5 и 5', обеспечивается возможность обнаружения твердых частиц, имеющих размер, например, более 1 мм.

Как показано на чертеже, датчики являются неподвижными, а частицы подаются через устройство. Вместе с тем, возможен и вариант, в котором вдоль неподвижной плоскости, на которой находятся частицы, перемещаются датчики и - по выбору - источники излучения.

Ширина поверхности 4, на которой происходит подача частиц в изображенном конкретном варианте осуществления, по меньшей мере, равна ширине анализируемых частиц. В предпочтительном варианте ширина поверхности кратна ширине частиц.

Если подачу частиц осуществляют на ленте транспортера или по наклонной плоскости, должна быть по меньшей мере частичная, а предпочтительно полная проницаемость ленты или поверхности для излучения. В случае рентгеновских лучей уровень энергии излучения должен находиться предпочтительно в диапазоне от 20 до приблизительно 200 кэВ. Вместо использования двух датчиков, как показано, возможно использование одного линейного датчика, содержащего две линии: одну линию, чувствительную к относительно низкому энергетическому уровню, и другую линию, чувствительную к относительно высокому энергетическому уровню. Датчик также может быть выполнен попеременно чувствительным к низкому и высокому энергетическим уровням. В соответствии с дополнительным конкретным вариантом осуществления возможно использование датчиков, которые чувствительны к конкретному диапазону энергии излучения или которые чувствительны к более чем одному диапазону энергии излучения. В таком случае предпочтительно обеспечивается четкое разделение различных соответствующих частных зон.

Тогда, в зависимости от используемого процессора изображений, возможно измерение значений пропускания на уровне, по меньшей мере, 20 раз в секунду (20 Гц). В соответствии с предпочтительным конкретным вариантом осуществления возможно считывание на уровне, по меньшей мере, 100 раз в секунду, а в соответствии с дополнительным предпочтительным конкретным вариантом осуществления - на уровне, по меньшей мере, 200 раз в секунду.

Посредством изобретения возможно обнаружение различий в составе частиц, а в дополнение к тому, что возможно определение формы и размеров частиц, также возможно определение внутренней структуры частиц в рамках локальных различий в составе в пределах частицы.

Процессор 1 обработки изображений выполнен с возможностью определения размера, толщины, окружности, текстуры и т.д. подаваемых частиц. По выбору, также можно определять структуры частных областей в пределах одной частицы.

Измеряемое значение пропускания зависит от интенсивности (I₀) излучения источника, коэффициента (μ) поглощения, характерного для частицы (который является функцией длины λ волны), и толщины (d) идентифицируемого материала. Эта функция выражается следующей зависимостью: I=I₀·e^-μ(λ)·d. Проводя измерения на двух энергетических уровнях (один - низкий уровень, выраженный в килоэлектронвольтах, а другой - высокий уровень, выраженный в килоэлектронвольтах), можно аппроксимировать как толщину d материала, так и коэффициент μ поглощения, Поскольку толщина в обоих случаях одинакова, можно вычислить отношение μ_выс/μ_низ, которое является характеристическим параметром материала, не зависящим от толщины.

Поскольку материал движется в некотором направлении, которое известно, можно вычислить форму, а значит - и размер отдельных частиц с помощью последовательных измерений, проводимых с использованием датчиков и известного разрешения.

Возможно определение относительных различий в толщине частицы, даже если состав этой частицы не полностью однороден или постоянен. В таком случае измеренная интенсивность I излучения будет зависеть от толщины частицы.

Пользуясь параметром μ_выс/μ_низ, можно измерить не зависящие от толщины и существующие в материале различия между частицами.

Определяемые характеристики регистрируют посредством запоминающего устройства в процессоре 1 изображений, а после статистической обработки пользователь может получать к ним непосредственный доступ, и/или их можно использовать для управления исполнительным механизмом, который выполнен с возможностью разделения потока частиц, по меньшей мере, на две части потока. Этот механизм может содержать, например, источники сжатого воздуха, которые обеспечивают продувку частиц в желаемом направлении. Такие способы известны в данной области техники.

Эта система пригодна для контроля всего материала, имеющего вид твердых частиц, минимальный размер которых составляет примерно 1 мм. В частности, система пригодна для контроля сырьевых материалов первичного происхождения (например, получаемых горно-добывающей промышленностью) или вторичного происхождения (получаемых при разрушении разными способами, например, такими как снос, демонтаж или выделение из руды, или получаемых в форме потока отходов созидательной деятельности, например, такой как обработка материала, изготовление товаров и строительные работы), при этом минимальный размер частиц может составлять, например 1 мм или более, например, может составлять, по меньшей мере, около 5 мм).

Устройство согласно данному изобретению особенно подходит для следующих применений.

1. Идентификация и осуществляемое по выбору разделение смеси сплавов цветных металлов на отдельные конкретные металлы и сплавы, например отделение немагнитной фракции из отходов утилизации легковых автомобилей, электронных и иных утилизированных потребительских товаров. В частности, предложенная система пригодна для отделения различных сплавов алюминия от сплавов магния.

2. Идентификация и осуществляемое по выбору отделение некоторых типов стекла, которые оказывают вредное влияние на процесс переплавки, от рециркулируемого стекла (тарного стекла), особенно термостойкого и свинцового стекла.

3. Идентификация и осуществляемое по выбору отделение компонентов, которые оказывают вредное влияние на мусоросжигание, например синтетических компонентов, богатых хлором и бромом, тяжелых металлов, и т.д., от потоков смешанных вторичных органических топлив и отходов, например отходов дробления или измельчения, бытовых и других промышленных отходов.

4. Идентификация и осуществляемое по выбору разделение различных типов синтетики, например разделение синтетики одного типа на синтетику с наполнителем и синтетику без наполнителя, разделение полистирола и полиметилметакрилата или полиэтилентерефталата и поливинилхлорида.

5. Идентификация и осуществляемое по выбору отделение древесных остатков, гипсовых, асбестовых, синтетических материалов, металлов и других загрязняющих веществ от потоков материала, появляющегося в результате строительных работ и сноса сооружений.

6. Идентификация и осуществляемое по выбору отделение загрязняющих веществ, в частности сланца и других материалов, от добытого угля.

7. Управление термоустановкой для сжигания мусора на основании данных, получаемых посредством вышеописанной системы обнаружения из подаваемого потока материала.

8. Идентификация и осуществляемое по выбору отделение крупных кусков руды, имеющих низкое или высокое содержание металлосодержащих минералов.

9. Идентификация и осуществляемое по выбору отделение органических веществ, например древесины, от песка и гравия.

10. Идентификация и осуществляемое по выбору разделение промышленного текстиля и кожи разного качества и разных типов.

Должно быть очевидно, что устройство, соответствующее изобретению, не ограничивается применением лишь для вышеописанных процессов и не сводится к конкретному варианту осуществления, описанному и представленному на чертеже.

Использование: для анализа и сортировки потока материала. Сущность: заключается в том, что облучают материал рентгеновским излучением, имеющим, по меньшей мере, два энергетических уровня, и измеряют пропускание излучения через материал для каждого энергетического уровня отдельно, измеряют значения пропускания излучения посредством датчика и на основании значений пропускания, измеренных датчиком, проводят определение, по меньшей мере, толщины и эффективного атомного состава материала, при этом используют датчик, содержащий множество, по существу, примыкающих точечных чувствительных элементов, обеспечивая определение размеров и формы отдельных элементов в потоке материала, и на основе этих определений получают возможность отделения определяемого материала от потока материала с помощью сортирующих средств, также дополнительно, одновременно используют метод бесконтактного контроля для анализа подлежащего определению материала. Технический результат: получение возможности раздельного анализа малых объектов, которые по своему атомному составу мало отличаются друг от друга. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ анализа содержания ранее определенного материала в неоднородном потоке материала с помощью излучения для обеспечения определения и изменения содержания этого материала в потоке материала, заключающийся в том, что облучают материал рентгеновским излучением, имеющим, по меньшей мере, два энергетических уровня, и измеряют пропускание излучения через материал для каждого энергетического уровня отдельно, измеряют значения пропускания излучения посредством датчика и на основании значений пропускания, измеренных датчиком, проводят определение, по меньшей мере, толщины и эффективного атомного состава материала, характеризующийся тем, что используют датчик, содержащий множество по существу примыкающих точечных чувствительных элементов, обеспечивая определение размеров и формы отдельных элементов в потоке материала, и на основе этих определений получают возможность отделения определяемого материала от потока материала с помощью сортирующих средств, при этом одновременно используют метод бесконтактного контроля для анализа подлежащего определению материала.2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что подают данные, полученные с каждого чувствительного элемента на этапе определения, по меньшей мере, толщины и эффективного атомного состава материала, в процессор изображений и определяют с помощью процессора изображений, по меньшей мере, форму и размер отдельных частиц в потоке материала.3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что на протяжении последовательных единиц времени определяют пропускание с помощью каждого чувствительного элемента в точках, расположенных рядом в потоке материала в направлении его движения.4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что обеспечивают движение потока материала на первой поверхности транспортера, при этом поток материала облучают посредством источника рентгеновского излучения с первой стороны этой поверхности, а пропускание излучения определяют на противоположной стороне этой поверхности.5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что метод бесконтактного контроля включает инфракрасное излучение, излучение видимого света, ультрафиолетовое излучение или электромагнитные поля и преимущественно осуществляется с одновременным использованием процессора изображений.6. Способ по п.1, характеризующийся тем, что выбирают поток материала из аналогичных материалов разного состава.7. Способ по п.6, характеризующийся тем, что выбирают поток материала из группы, состоящей из смесей стекол различных типов, металлов различных типов, органических веществ и неорганических веществ различных типов, твердых ископаемых твердых топлив различных типов, руд различных типов, синтетики различных типов или остатков мусоросжигания, или из таких смесей, которые содержат загрязняющие вещества, или из продуктов сложного состава.8. Способ по любому из предыдущих пунктов, характеризующийся тем, что излучение является рентгеновским излучением, разность энергий, по меньшей мере, между двумя уровнями которого составляет, по меньшей мере, 10 кэВ, предпочтительно, по меньшей мере, 20 кэВ, более предпочтительно, по меньшей мере, 40 кэВ, а еще более предпочтительно, по меньшей мере, 70 кэВ.9. Способ по п.8, характеризующийся тем, что излучение содержит часть, имеющую энергетический уровень между примерно 10 и 100 кэВ, и часть, имеющую энергетический уровень между примерно 100 и 200 кэВ.10. Способ по п.1, характеризующийся тем, что датчик ориентирован, по существу, перпендикулярно направлению движения потока материала и, по существу, перпендикулярно источнику излучения, и при этом содержит, по меньшей мере, 25, предпочтительно, по меньшей мере, 100, более предпочтительно, по меньше мере, 500, а еще более предпочтительно, по меньшей мере, 2500 точечных чувствительных элементов.11. Устройство для анализа потока материала, содержащее средство подачи для обеспечения движения потока материала через устройство в первом направлении, средство испускания излучения для облучения материала и датчики для измерения излучения, пропускаемого через материал, характеризующееся тем, что средство испускания излучения выполнено с возможностью испускания излучения, по меньшей мере, двух энергетических уровней, а датчики выполнены с возможностью измерения излучения различных энергетических уровней, причем эти датчики содержат множество, по существу, примыкающих точек измерения, расположенных в ряд, по существу, перпендикулярный направлению движения материала, при этом устройство содержит средства, позволяющие анализировать поток материала с помощью, по меньшей мере, одного дополнительного бесконтактного метода контроля.12. Устройство по п.11, характеризующееся тем, что оно также содержит сортирующие средства для обеспечения избирательного удаления материала, определяемого в потоке материала с помощью датчиков.