УСТРОЙСТВО И СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ НАВАЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2009 года по МПК B07C5/34 

Изобретение относится к устройству и способу разделения или сортировки навалочных материалов согласно ограничительным частям независимых пунктов формулы изобретения.

Устройства для разделения навалочных материалов требуют наличия большого количества датчиков, в особенности оптических и электромагнитных датчиков, например, описанных в документе ЕР В1-1253981 того же заявителя.

Помимо таких датчиков целесообразно использовать рентгеновское излучение для неразрушающего контроля физических характеристик всех возможных объектов, которые невозможно выявить с поверхности.

В патенте США №6122343 в этом отношении имеется только информация, данная во вводной части п.1 формулы, и только ссылка на то, что в качестве детекторных средств можно использовать наложенные матрицы, что указывает на возможное наличие фильтров в детекторах. Не приведены никакие дополнительные подробности в отношении обработки данных, а искомым результатом является просто получение изображения с повышенной контрастностью.

В частности, изображение с высоким разрешением, получаемое путем наблюдения двух уровней энергии рентгеновского излучения и математической оценки результирующего дифференциального изображения, позволяет получить информацию о составных частях отдельных частиц навалочного материала, однако никаких указаний в этом направлении патент США №6122343 не содержит.

Это представляет интерес, например, при разделении руд, когда решение относительно отбраковки или неотбраковки какой-либо частицы зависит от того, присутствует ли определенный материал в конкретной частице навалочного материала и, возможно, от того, какой именно материал там присутствует. Способ может также использоваться для разделения частиц отходов.

Для известных устройств, в которых используются источники рентгеновского излучения, вследствие весьма значительных пространственных размеров таких источников и детекторов, а также необходимых экранов или кожухов, требуется значительное пространство, что делает невозможной или значительно затрудняет точную пространственную оценку, которая необходима для управления выдувающими соплами, предназначенными для выдувания мелких частиц навалочного материала.

Целью настоящего изобретения является создание безопасного экономичного устройства, с помощью которого можно не только надежно обнаруживать малые частицы металла, например винты и гайки, но и обеспечивать их надежное отделение от потока остального навалочного материала благодаря позиционированию выдувающих сопел непосредственно после места наблюдения.

В настоящем изобретении эта задача решается посредством признаков, указанных в независимых пунктах формулы изобретения, с использованием двух фильтров рентгеновского излучения для различных уровней энергии, которые соответственно установлены перед детекторами, что позволяет получать различную информацию о частицах навалочного материала. Альтернативно фильтры могут быть установлены непосредственно после источника рентгеновского излучения, или можно использовать источники рентгеновского излучения с различными излучаемыми энергиями.

Пространственное расположение фильтров может быть фиксированным, так что при перемещении частиц навалочного материала можно получить подходящее отражение прошедшего фильтр рентгеновского излучения, например с помощью кристаллов, на линейку или ряд детекторов в случае сопоставления двух результатов измерений, регистрируемых в разные моменты времени для частиц навалочного материала, перемещаемых на конвейерной ленте.

Однако в другом варианте выполнения устройства можно работать также с двумя детекторами, которые расположены друг за другом и вытянуты поперек конвейерной ленты, например, под ней. С помощью подходящих математических циклов задержки можно связать последовательно получаемую видеоинформацию с отдельными частицами навалочного материала и после математической обработки использовать ее для управления выдувающими соплами.

Если разместить фильтры до конвейерной ленты, то можно также ограничить рентгеновское излучение определенным уровнем энергии по сравнению с источником, испускающим рентгеновское излучение в более широком спектре, еще до того, как оно попадет в частицы навалочного материала. При этом не требуется никакого дополнительного фильтра между частицами навалочного материала и расположенным после них детектором.

Кроме того, предложено, чтобы устройство было оборудовано экраном, который установлен, естественно, вокруг источника рентгеновского излучения, места облучения частиц навалочного материала и фактических детекторов и непроницаем для рентгеновского излучения и который проходит также над поверхностью конвейерной ленты для навалочного материала до подающего устройства, заполняющего конвейерную ленту через наклонный лоток. Это обеспечивает для обслуживающего персонала возможность находиться около этого сортирующего и разделяющего устройства. Крышки должны быть защищены так, чтобы при их удалении работа устройства была невозможна.

Согласно настоящему изобретению предложен способ разделения навалочных материалов при помощи выдувающего устройства, работающего с использованием выдувающих сопел, расположенных на участке падения после конвейерной ленты, причем работой выдувающих сопел управляет компьютерное средство оценки в зависимости от результатов обнаружения излучения, которое испускается источником рентгеновского излучения, проникает через поток навалочного материала на конвейерной ленте и регистрируется детекторным средством.

Фильтрация рентгеновского излучения, которое проходит через частицы навалочного материала, выполняется по меньшей мере в двух различных спектрах для позиционно-чувствительного обнаружения рентгеновского излучения, которое прошло через частицы навалочного материала, интегрированного по меньшей мере в одной линейке детекторов по заранее заданному диапазону энергий. Это может достигаться при использовании детекторного средства (длинной линейки, образованной множеством отдельных детекторов), когда излучение проходит через различные фильтры, а затем регистрируется, или предпочтительно при использовании двух детекторных линеек с различными фильтрами, которые пропускают различные спектры излучения, один из которых смещен в область мягкого излучения, а другой - в область жесткого излучения.

Для определения класса атомной плотности на основе сигналов обнаружения рентгеновских фотонов различных энергетических спектров, зарегистрированных по меньшей мере двумя детекторными линейками, используется Z-классификация и нормирование областей изображения.

Наконец, поставленная цель предпочтительно может быть достигнута сегментацией формирования характеристических классов для управления выдувающими соплами на основе как обнаруженного усредненного пропускания частицами навалочного материала рентгеновского излучения различных энергетических спектров, зарегистрированного по меньшей мере двумя детекторными линейками, так и данных о плотности, полученных путем Z-нормирования.

Дополнительные преимущества и особенности настоящего изобретения станут более понятны из последующего описания предпочтительного варианта его выполнения со ссылками на сопровождающие чертежи, где:

на фиг.1 на виде сбоку схематично показано устройство, выполненное согласно настоящему изобретению,

на фиг.2 показан в перспективе вид устройства согласно настоящему изобретению с удаленной защитой от излучения, располагаемой над конвейерной лентой,

на фиг.3 схематично показана структура рентгеновского детекторного средства,

на фиг.4 схематично показана обработка рентгеновского сигнала.

На фиг.1 схематично показано, как с помощью плоского детектора 10, расположенного под конвейерной лентой 20, и источника 12 рентгеновского излучения, расположенного над ней, а также с помощью расположенных далее выдувающих сопел 24 оказывается возможным разделить поток навалочного материала на отбракованный продукт и годный продукт, поместив их в две различные камеры. Наклон клиновидного разделительного элемента 26, установленного между двумя потоками продукта, можно отрегулировать так, чтобы его можно было легко приспособить для продуктов с различным весом и различными аэродинамическими характеристиками без значительной регулировки давления воздуха, выходящего из выдувающих сопел.

Для большинства металлических частей, которые должны быть отброшены струей воздуха, требуется по существу равномерная подача воздуха, но иногда значительные объемы воздуха нужно подавать одновременно, так что предложено осуществлять промежуточное хранение большого объема сжатого воздуха с использованием промежуточного средства 28 хранения, и этот объем связан с выдувающими соплами. Для последующей подачи сжатого воздуха в указанный объем используется воздушный насос непрерывного действия.

Кроме того, на фиг.1 показано, что над конвейерной лентой 20 имеется кожух 16, предназначенный для предотвращения выхода рентгеновского излучения, отраженного от продукта, из разделяющего устройства. Со стороны подачи коробка 16 конвейерной ленты закрыта посредством наклонного лотка 18, служащего для подачи материала на конвейерную ленту 20, так что излучение не может выйти в направлении, противоположном направлению перемещения конвейерной ленты параллельно ей.

Устройство для разделения навалочных материалов при помощи выдувающего устройства с выдувающими соплами 24, расположенными на участке падения после конвейерной ленты 20, включает компьютерное средство оценки, которым можно управлять в зависимости от результатов обнаружения двух рентгеновских изображений, созданных в проходящем излучении, испускаемом источником 12 рентгеновского излучения, проникающим сквозь поток навалочного материала на конвейерной ленте и регистрируемым детекторным средством 10. Кроме того, имеются два фильтрующих устройства (не показаны), предназначенные для пропускания рентгеновского излучения с различными энергетическими спектрами и установленные до по меньшей мере одного детекторного средства, которое представляет собой 10 линейных детекторов с множеством отдельных элементов, расположенных поперек конвейерной ленты 20. В частности, может иметься одна детекторная линейка для каждого фильтра.

Детекторная линейка, соответствующая ширине конвейерной ленты, сформирована линейными фотодиодными матрицами, активная поверхность которых покрыта флуоресцентной бумагой. Фильтры предпочтительно представляют собой металлические фольги, через которые передается рентгеновское излучение с различными уровнями энергии. Однако фильтры также могут быть образованы кристаллами, которые отражают рентгеновское излучение с разными диапазонами энергий под различными пространственными углами.

Кроме того, можно использовать более двух фильтров для использования более двух диапазонов энергий. Предпочтительно, чтобы фильтры были расположены ниже конвейерной ленты 20 до детекторного средства 10, а выше конвейерной ленты 20 была расположена рентгеновская трубка 12, предназначенная для создания тормозного излучения.

Устройство снабжено экранирующей коробкой 14, 16, расположенной над конвейерной лентой и окружающей последнюю, а также секцию 22 выдувания, причем кожух 16 закрывает конвейерную ленту на участке перед местом расположения источника рентгеновского излучения, а в начале ленты имеется наклонный лоток 16, закрывающий входной створ (как показано в перспективе на фиг.2). В показанном устройстве, помимо прочего, осуществляется отделение стеклокерамики от бутылочного стекла. Однако в устройстве согласно изобретению впервые можно осуществить разделение различных типов стекла, которые иногда имеют намного более высокую температуру плавления, чем "обычное" стекло и используются в трубках дисплеев и которые до настоящего времени было трудно отделить при утилизации битого стекла.

Для лучшего понимания процедуры разделения ниже дано техническое описание обработки сигнала рентгеновского излучения с использованием двух спектров пропускания рентгеновского излучения и разделения по характеристическим классам. Требуемый охват обеспечивается с использованием детекторного средства для рентгеновского излучения и фильтрующего устройства, имеющего спектральное разрешение.

При использовании подходящей фильтрации рентгеновского излучения перед определенным детектором двухканальной системы прежде всего обеспечивается спектральная селективность. При этом конструкция детекторных линеек обеспечивает независимую фильтрацию, так что удается достичь оптимальной селективности для заданной функции разделения.

В общем случае используются высокоэнергетический и низкоэнергетический спектры. Для этого в первом случае используется фильтр верхних частот, который значительно ослабляет низкие частоты, соответствующие меньшей энергии. Высокие частоты передаются с ограниченным ослаблением. Для этой цели можно использовать металлическую фольгу из металла с повышенным классом плотности, например медную фольгу толщиной 0,45 мм.

Для выделения низкоэнергетического спектра используется поглощающий фильтр, установленный до соответствующего детектора и подавляющий излучение определенного высокоэнергетического диапазона длин волн. Он сконструирован так, что поглощение происходит в непосредственной близости от вышеуказанных элементов с повышенной плотностью. С этой целью, в частности, можно использовать металлическую фольгу из металла с более низким классом плотности, например алюминиевую фольгу толщиной 0,45 мм.

Каждая из двух детекторных линеек S1.i и S2.i (где i меняется, например, от n×1 до n×64 для всех линейных матриц по ширине конвейерной ленты) содержит множество фотодиодных матриц, снабженных сцинтиллятором для преобразования рентгеновского излучения в видимый свет.

Типичная матрица включает 64 элемента (размещенных в одну строку) с элементарными растрами 0,4 или 0,8 мм. Как схематично показано на фиг.3, с помощью аналоговых усилителей и аналогово-цифровых преобразователей 32 сигнал интенсивности переводят в цифровую форму с 14-разрядным динамическим диапазоном и считывают построчно с использованием памяти типа FIFO ("первый пришел - первым вышел") и последовательного интерфейса 36. Строку изображения, первой "вырезанную" из сортируемого продукта при его перемещении в направлении движения ленты, задерживают до тех пор, пока не поступят квазиодновременные данные с аналогичной вырезанной строкой (с другим энергетическим спектром).

Такие данные с временной корреляцией преобразуются мультиплексором 38 в последовательный поток байтов данных и передаются через стандартный интерфейс соединительной линии 40 камеры на расстояние в несколько метров в электронное устройство оценки.

Путем размещения электронных модулей, каждый из которых перекрывает 300 мм ширины конвейера, по одной линии можно обеспечить максимальную полную ширину 1800 мм при двухканальной работе. С этой целью в каждом модуле заново генерируют необходимые рабочие напряжения и сигналы синхронизации также генерируют заново.

Обработка сигнала рентгеновского излучения производится для потока данных, идущих через соединительную линию 40 камеры (как схематично изображено на фиг.4), при этом сигнал вновь разделяется на два канала обнаружения с использованием демультиплексора 42.

С помощью электронного блока 44 для каждого канала по отдельности проводят коррекцию уровней черно/белого. При проведении измерений на этой стадии коррекции для каждого элемента матрицы определяют величину "черного" в отсутствие излучения и "белого" для 100% излучения и используют таблицу подстройки или компенсации. При обычной работе необработанные данные корректируют при помощи указанной таблицы. Для подавления шума в сигнале (блок 46) независимо для каждого канала с помощью буферного запоминающего устройства, временно хранящего несколько строк изображения, создают изображение и сглаживают его усредняющим фильтром, размер которого по строкам и столбцам можно регулировать. Это значительно уменьшает шум.

Z-преобразование (блок 50) позволяет создать из интенсивностей двух каналов изображения в различных спектрах n классов усредненной атомной плотности (сокращенно обозначаемой Z), которые по существу не зависят от пропускания рентгеновского излучения, а следовательно, от толщины материала.

Нормирование величин к усредненной атомной плотности одного или нескольких выбранных репрезентативных материалов позволяет по-разному классифицировать области изображения по обе стороны от нормировочной кривой. Калибровка, при которой в зарегистрированном спектре связь выявляется нелинейным способом, позволяет ослаблять влияние оборудования.

Класс атомной плотности, генерируемый при нормировании к конкретному значению Z (атомному числу элемента или, более широко, средней атомной плотности материала), представляет типичную плотность присутствующих материалов. Параллельно этому в блоке 48 вычисляют дополнительный канал, обеспечивающий результирующее среднее пропускание во всем спектре.

Путем компьютерного объединения атомного класса плотности с интервалом передачи (T_min, T_max) элементам изображения может быть назначен характеристический класс в модуле 52, что после морфологического фильтра 54 может использоваться для различения материалов в модуле 56.

Здесь снова временно формируют изображение высотой в несколько строк, чтобы подавить паразитную информацию с помощью двумерного фильтра. Например, можно подавить нежелательную ошибочную информацию на краях частиц, отсекая элементы изображения.

Поток данных характеристических классов обрабатывают как изображения. Характеристический класс "холостого хода" машины описывает состояние, когда источник рентгеновского излучения включен, но в секции измерения нет сортируемого материала. Все характеристические элементы изображения, отклоняющиеся от состояния "холостого хода", обрабатывают как "передний план" и объединяют путем разделения на участки линий и, наконец, поверхности. Характеристическое распределение по этим поверхностям описывается наборами данных объектов. Кроме того, указанные наборы данных содержат также информацию о положении, форме и размере связанных характеристических поверхностей.

В соотношениях количественной оценки характеристические элементы изображения, а также форма и размер объекта сравниваются с известными параметрами материала. На этой основе объект относят к специфическому классу материала.

Предложены устройство и способ разделения навалочных материалов с помощью выдувающего устройства, снабженного выдувающими соплами, расположенными на участке падения, который находится после конвейерной ленты. Выдувающими соплами управляют компьютерные средства оценки в зависимости от сигналов детекторов излучения, проникающего через поток навалочного материала на конвейерной ленте, которое испускается источником рентгеновского излучения и обнаруживается детекторными средствами. Рентгеновское излучение, которое проходит через частицы навалочного материала, фильтруется для разделения по меньшей мере на два спектра с различными диапазонами энергии перед позиционно-чувствительным обнаружением этого излучения, которое интегрируется по диапазону энергий, с помощью по меньшей мере одного детекторного средства. Изобретение обеспечивает надежное отделение нежелательных включений от потока сортируемого материала 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для разделения навалочных материалов с помощью выдувающего устройства с выдувающими соплами, расположенными на участке падения после конвейерной ленты (20), содержащее источник рентгеновского излучения, компьютерные средства оценки и детекторные средства (10), при этом компьютерные средства оценки управляют выдувающими соплами в зависимости от сигналов детекторных средств, возбуждаемых излучением, проникающим через поток навалочного материала на конвейерной ленте, которое испускается источником рентгеновского излучения и обнаруживается детекторными средствами, отличающееся тем, что до по меньшей мере одного из детекторных средств (10) установлены по меньшей мере два фильтрующих устройства, обеспечивающих прохождение рентгеновского излучения взаимно различных энергетических спектров, а в качестве детекторных средств использованы линейки детекторов, состоящие из множества отдельных элементов, расположенных поперек конвейерной ленты (20), при этом линейкой детекторов снабжен каждый фильтр.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что линейка детекторов, соответствующая ширине конвейерной ленты, сформирована линейными фотодиодными матрицами, активная поверхность которых покрыта флуоресцентной бумагой.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фильтры представляют собой металлические фольги, через которые проходит рентгеновское излучение с взаимно различными уровнями энергии.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фильтры расположены до детекторов под конвейерной лентой (20), а рентгеновская трубка (12), создающая тормозное излучение, расположена над конвейерной лентой (20).5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено экранирующей коробкой (14), расположенной по существу над конвейерной лентой (20) и окружающей последнюю и участок выдувания (22) в качестве кожуха (16), покрывающего конвейерную ленту на участке до источника рентгеновского излучения, а в начале ленты наклонный лоток (18) закрывает входной створ.6. Устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что оно включает более двух фильтров для использования более двух уровней энергии.7. Способ разделения навалочных материалов с помощью выдувающего устройства с выдувающими соплами, расположенными на участке падения после конвейерной ленты (20), при этом выдувающими соплами управляют с помощью компьютерных средств оценки в зависимости от результатов обнаружения излучения, проникающего через поток навалочного материала на конвейерной ленте, которое испускается источником рентгеновского излучения и обнаруживается детекторными средствами, отличающийся тем что рентгеновское излучение, которое прошло через частицы навалочного материала, фильтруют с получением по меньшей мере двух различных спектров с использованием металлических фольг для позиционно-чувствительного обнаружения рентгеновского излучения, которое прошло через частицы навалочного материала, интегрированного по меньшей мере в одной линейке детекторов для каждого фильтра по заранее заданному диапазону энергий.8. Способ по п.7, отличающийся тем, что производят Z-классификацию и нормирование областей изображения для определения класса атомной плотности на основе обнаруженных сигналов рентгеновских фотонов различных энергетических спектров, зарегистрированных по меньшей мере двумя линейками детекторов.9. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что производят сегментацию формирования характеристических классов для управления выдувающим соплом на основе как обнаруженного по меньшей мере двумя линейками детекторов усредненного пропускания рентгеновского излучения различных энергетических спектров частицами навалочного материала, так и информации о плотности, полученной путем Z-нормирования.