Способ измерения состава веществ Советский патент 1993 года по МПК B03B13/06 G01N23/203 

ел

с

Сущность изобретения заключается в том, что по способу измерения состава вещества, включающему отбор по п (п 3) проб каждого 1-го заданного сорта с составом де, измерение трех сигналов, зависящих от состава Хц, YII и 2, в каждой 1-й пробе 1-го сорта, определение средних значений сигналов этих сигналов для проб каждого 1-го сорта, измерение трех сигналов Ха, У а и Za о составе неизвестного сорта и определение двух ближайших трехмерных расстояний dj и dj + 1 от измеренных сигналов Ха, Ya и а до соответствующих средних значений сигналов в пробах j-ro и (J + 1)-го с составами qi и ад 4 1, определяют размеры и положения эллипсоидов рассеяния сигналов в пробах каждого сорта, определяют относительные расстояния djo и d(j + i)0 в единицах эллипсоидов рассеяния сигналов в пробах J-ro и 0 + 1)-го сорта Aq, а о составе вещества судят по величинам djo. do +1)0 и Др. 1 ил.

Изобретение относится к горной автоматике, а более конкретно к способам и устройствам измерения качества полезных ископаемых, и может быть использовано для измерения зольности угля, содержания железа в руде и т, д. Область применения - угольные шахты и обогатительные фабрики, железорудные шахты и карьеры, горно-обо- гатительные комбинаты.

Целью изобретения является повышение точности за счет одновременного устранения влияния неодинаковых флуктуации в пробах разных сортов и нелинейной зависимости состава вещества от измеренных сигналов.

На чертеже показаны эллипсоиды рассеивания сигналов X, Y и Z для двух соседних сортов вещества 3j и 3j + 1 и показана точка А, имеющая координаты измеренные сигналы Ха, Y8 и Za при неизвестном составе вещества, Там же показаны прямые AOj и

АО 1, соединяющие измеренную точку А с центрами эллипсоидов рассеяния сигналов Oj и Oj+1, а также точки пересечения прямых AOj и АО j 4-1 с поверхностями эллипсоидов 3j и 3j + 1. т. е. точки В и С.

Способ измерения состава вещества реализуется следующей последовательностью операций.

Из контролируемого вещества отбирают по п 3 проб каждого J-ro сорта с неизменным измеряемым содержанием и с произвольными значениями неконтролируемых веществ компонентов.

В каждой 1-й пробе 1-го сорта измеряют сигналы Хц, YH и 2ц.

По значениям nl сигналов определяют параметры I эллипсоидов рассеяния сигналов в пробах каждого 1-го сорта.

Измеряют сигналы Ха, Y8 и Za в пробе вещества неизвестного состава.

VJ ю ю о ю ел

Определяют расстояния от измеренной точки А (Ха, Ya, Za) до центров каждого из эллипсоидов рассеяния сигналов в пробах каждого сорта вещества.

Выделяют два наименьших расстояния от измеренной точки А до эллипсоидов рассеяния сигналов AOj и AOj + 1,

Определяют координаты точек пересечения прямых AOj w AOj + 1 с поверхностями эллипсоидов рассеяния сигналов соответственно 3j и 3j + 1, т. е. координаты точек В и С.

Определяют длины отрезков BOj и СО) .+ 1, т. е. размеры эллипсоидов рассеяния сигналов в направлениях к измеренной точке А.

Определяют относительные значения наименьших расстояний от измеренной точки А до эллипсоидов рассеяния сигналов 3j и 3j.+ 1, т. е. величины AOj (BOj) и AOj + 1 (COj + . .

Определяют разность составов вещества в пробах j-ro и (j + 1}-ro сортов вещества Aq I qj-qj + 1 I .

Определяют состав вещества, сигналы с которого имеют значения Ха, Ya и Za:

qa (qj + A qdjo (dj0 + do + i)0)1) do +1)0 + +(qj + 1 - A qd(j + 1)0 (dj0 +dn + 1)0)

x (djo + do + 1)0)

V

Сущность способа измерения состава вещества заключается в следующем.

Перед собственно измерением состава из всей массы контролируемого вещества отбирают по n (n 3) проб.вещества с различным, но постоянным в пределах каждого сорта содержанием определяемого компонента вещества и с произвольно варьируемыми содержаниями неконтролируемых компонентов. Если количество выбранных для градуировки сортов вещества равно I, то общее количество отобранных для градуировки проб равно nl. В каждой j-й пробе 1-го сорта измеряют сигналы Хм, YII и ZH при qi const. По результатам каждых n измерений сигналов в пробах одного j-ro сорта определяют средние значения сигналов (их математические ожидания МО).

«. -1Л Xji; 2 YJI:

Т - -1v 7 Zj n 2- Zji.

| us i

Определяют элементы ковариационной матрицы рассеяния сигналов в пробах каждого j-ro сорта

0

(n-1) 1 i (Xji-Xj)2; 1

,(n-ir1 SCYji-Yj)2;

i 1 (n-1)-1 i(Zj,-Zj)2; (2)

I 1:

Kxyj (n - 1Г1( | (X,, -Xj)(Yji - YJ);

Kxzj (n - I)1 2 (Xj, - Xj)(3i -Zj);

i 1

Kyzj (n -Ч) i (Yj, - Yj) (3, - Zj) ,

l 1

находят определитель ковариационной матрицы рассеяния сигналов в пробах j-ro сорта

DJ

XXj KxYj KXZJ

KXYJ KYYJ KYZJ KXZJ KYZJ KZZJ i

(3)

По результатам вычисленных элементов ковариационной матрицы и определителя находят размеры и положения эллипсоидов рассеяния сигналов в пробах каждого j-ro сорта, т. е. уравнения эллипсоидов рассеяния

ацХ2 + 322Y2 + аззг2 + 2 312XY+ +2 313XZ + 2 323YZ + 2 AiX + 2 AaY +

+ 2 AsZ + A4 0,(4)

где a ii (KYYJ KZZJ - ) 322 (Kxxj KZZJ- - Kxzj2) азз (Kxxj KYYJ - KXYj2) 312 (Kxzj KYZJ -Kxyj KZZJ) aw (KXYJ KYZJ- Kxzj KYYJ) Dj T; 323(Kxy - Кад Ai - - Xj (KYYJ KZZJ - Kvzj2) - Yj (Kxzj KYZJ - .

-Kxvj „Kzzj) -2| (KXYJ KYZJ - KXZJ KYVJ) A2 - Yj (KXXj KZZJ - KXZJ j (Kxzj KYZI - -KXYJ KZZJ) - 2j (KXYJ Kxzj - KXXJ KYZJ) Аз I- Xj (XYJ KYZJ - Kxzj KYYJ) - VJ,(KXYJ.KXZJ --KxviKzzj)-Zj(KxxjKwj-K zi)J. 4 Xj2 (KYYJ Kzlj - KYZJS) + 2 XjYj (Kxzj KYZJ A4

-KXYJ KZZJ) + 2 XjZj (KXYJ KYZJ - Kxzj KYYJ) + + 2 VjZj (KXYJ KXZJ - KXXJ KYZJ) + Yj2 (Kxxj KZZJ - -KXZj2)4- Zj2 (KXXJ KYYJ - Kxvj2) . (5)

Поступая аналогично, получим подо- ™ бное (4) уравнению эллипсоида рассеяния сигналов в пробах (J + 1)-го сорта

bnX2 + b22Y2 + b33Z2 + 2 bi2XY + 2 bisXZ +

+ 2 b23YZ + 2 BiX + 2 B2Y + 2 BsZ + 64 0,

55(6)

ГДв Ь11 (KYYb KzZb - KYZb2) Dj + 1

-1.

51799625 &

b22(KxxbKzzb-Kxzb2),tb33(KxxbKvYb- поступают так. Записывают уравнение пря- КХУЪ ) DJ+1 . bi2 (Kxzb Kvzb- КХУЬ Kzzb) Dj + 1 ,- мой, проходящей через точки А и QJ:

bia (Kxvb Kxzb - Kxzb KYYb) Dj + Г1;

b23-(KxYbKxzb-KxxbKYZb)Dj + r1; Bi X$-Ycq+ 5j 0; Хи-Zq+q-O,

Xb (Kvvb Kzzb - Kvzb2) - Yb (Kxzb Kvzb - 5(10)

-Kxvb Kzzb) - Zb (KxYb Kvzb - Kxzb KvYb) Dj + Г V

B2 t- Yb (Кххь Kzzb - Kxzb2) - Xb (KXZb KYzb - где a j - Xj - X.; 0 j - Yj - Ya; и - Zj-Za;

-KxYb Kzzb) - 2ь (KxYb Kxzb - Kxxb,Kvzb) Dj + Г;d j - Xj Ya - XaYj; Ј j - XjZa - XaZj. (11)

63 t- Xb (KxYb KXZb - KXZb KYYb) - Yb (KXYb KxZb

- Кххь Kvzb)-2b(Kxxb Кууъ-KxYb2) 10 Аналогично записывают уравнение

(KYYb KzZb- KYZb)+2XbYb(KXZb KYZb прямой AOj -i- t:

- KxYb KzZb) + 2 XbZb (KXYb KYZb - KYYb) +

+2YbZb(KxYbKxzb-KxxbKYZb)+Yb2(KxxbKzzb-X Јj + i-Y aj + i + d/+i 0;

- Kxzb2) + 2V2 (Кххь KYYb - KxYb2) Dj+f1; (7)X у j +1 - Z «j +1 + e j +1 - 0, (12)

lo -.

Кххь, КХУЬ. Kxzb, KvYb, Кугь и Kzzb - элемен-где a + 1 Xj i - Xa; ft + 1 7j + i - Ya;

ты ковариационной матрицы рассеиванияу, + , 2j + i - Z8; б j + 1 Xj + iYa - XaYj + i;

сигналов в пробах (j + 1)- ro сортаe j + i Xj + iZa - XaZj -n.

Решая совместно уравнение эллипсоиКххь KxYb Kxzb 20дов (4) и уравнения прямой AOj (10), находят

Dj +i - КХУЬ KYYb Kyzb (7)координаты точки В (Хь, Yb и Zb):

KXZb KYZb KzZb..,

На этом процесс градуировки (калиб- в 2 (-N+ N - 4MQ); ровки) способа заканчивают. В результате 25

градуировки получают I уравнений эллип- +Д(2а1М) (-м-f № -4MQ); соидов рассеяния сигналов с десятью ко- ; .

эффициентами для каждого, .которыеZe eiaj +(2щм) (-N+VN2-4MQ), запоминают. Запоминают также по три МО

сигналов для каждого из эллипсоидов. 30ГдеМ ац « 2+а22/ 2 + азз yj2+2ai2 a fl +

- Теперь измеряют значения трех сигна-+2 ais «jyj + 2 323 fti yy, N 2(a22 /9j 5j +

лрв Хэ, Ya и Za в оробе вещества неизвест-+азз yj Јj + ai2«j j+ aw «jЈj + a23 /Sj Јj +

ногосостава qa. Пусть, например, значения+a23 yi $. + Al a&+ д2 а в + Ьа a Vj)измеренных сигналов дают точку А на чер-Q ЈГ + 2а23 д Б1 + 2Аг ffi ij+

теже, которая наиболее близка к эллипсои- 35+2 Азспе} А$ at2,

дам 3j и 3j + i смежных сортов, вещества..

После измерения трех сигналов Ха, Ya и ZaРешая совместно уравнение эллипсоиопределяют все I расстояний от точки А додов э + , (6) и урав„ения прямой AOj ч-1 (12).

центров всех эллипсоидов рассеяния сигна-находят координаты точки С: лов. Для j-ro расстояния формула имеет вид 40

dj V(Xa -х,)2 +(Ya - Yj)2 +(Za -Zj)2 .(-Nc+Vi-4McQc);

()V A 4- ft, о. л 4- /, j. i On, a. i МЛ 1 v

Yc 5j +10j -f i -f-Д +1 (2q +1 Mc)

Теперь все I расстояний di. d2, ... di

iciiepb BOB i pdi;t;iu«HHn ui, uz, ... u| -../ 2 .... n

сравнивают между собой и выделяют двах(-Nc + Nc - 4McQc). наименьших расстояния, например dj и

dj + 1. как это показано на чертеже. Наи-Zc fij + ictj + i + Ч-1 (2«j +1 Mc) 1 x

меньшими будут расстояния

dl-AO,:dl,,-ACV,- Mx(-Nc+VN -4McQc).

.ГдеМс Ь11 «j + 12 + + b33 Xj+12+

eV -xj+ -i-Cc.-Yj + i +CZe-Zi-fir fqr+2 bi2 aj-(-1 / j-n+2bi3 «j + i yj + i+

w 55+2b23-/9j+i yj + i;

После этого определяют координаты то-Nf°2 22 JA A1+ XJ V ЈJ11+

чек пересечения эллипсоидов 3j и 3j + i с. J2 J +1 J 1 +bJ3 J лJ 11

прямыми AOj и AOj + i. т. e, находят коорди-. + 23 ftj +1 e j + i + tea у j + i «5 j + i +

. наты точек В и С соответственно Для этого+ Bt a j + А В2 «, +1 / j +1 + Вз a j -м у j i);

V A 4- ft, о. л 4- /, j. i On, a. i МЛ

Yc 5j +10j -f i -f-Д +1 (2q +1 Mc)

5j+12 + D33 6j + 12 + 2b23 5j+1

ej + 1 + 2 82 aj + 1 5j+ 1 + 2 83 «j + 1 ej + 1 + BA ctj + 1 .

По координатам точек В (Хв, YB, ZB) и С (Хс, Yc, Zc) определяют расстояния OjB de и Qj + 1 С + dc:

dB V(Xj - Хв)2 + (Yj - Ув)2 + (Zj - YBf.

dc v(xj +1 - Xc)2 + (YJ/f, - Yc)2 + ft + - Zc)2

Теперь определяют относительные значения расстояний dj и dj + 1, выраженные в единицах размеров эллипсоидов 3j и 3j + 1 соответственно, т. е. в единицах OjB и Oj + iC;

,-1.

-1

djo dj dB , do + 1)0 dj +1 dc

Сумма относительных расстояний djo и do + 1)0 do djo + d(j + 1)0 характеризует разность значений состава вещества в пробах j-ro и 0 + 1)-го сортов Д q I qj + 1 - qj . Тогда состав (содержание контролируемого компонента), соответствующий значениям измеренных сигналов Хд, Ya, Za, определяется по формулам . ....

оа qj + Aqdjo (djo + d(| + i)o)V ., qa -qj-м- Aqd(j4-i)o(djO+d(j + i)o) .

Так как значения qa и qa определены с соответствующими погрешностями, то их необходимо скорректировать. Если два наиболее близких к точке А эллипсоида рассеивания сигналов имеют неодинаковые размеры и неодинаково ориентированы в пространстве сигналов X, Y и Z, то более точным будет то значение, которое определено по меньшему расстоянию. Поэтому уточненное скорректированное значение неизвестного состава qa определится по значениям qa и , взятым с весами (коэффициентами важности), пропорциональными относительным расстояниям от точки А то точек Oj и Oj + 1:

qa (qa do + 1)0 + qa djo) ( djo + d(j + 1)0)1 (qj + Д qdjo (djo + dQ +1)0) } do + i)o + + (qj -n - Aqdo + 1)0 (dQ +1)0 + djo) ) djo x x(djo+ d(|-n)o)r1.

Способ измерения состава веществ пригоден при любых принципах и методах измерений, поэтому в нем не конкретизированы типы измеряемых сигналов. Это могут быть напряжения или токи в электрических методах, интенсивности излучения в гамма- методах, напряженности электромагнитного поля в радиоволновых методах,

плотности потоков в ультразвуковых методах, световые потоки в оптических, и инф- ракрасных методах и т, д. Способ предусматривает только новые операции

над полученными сигналами (т. е. над материальными объектами), которые никак не зависят от природы самих сигналов.

Пример реализации способа. Способ использовался при определении зольности,

влажности, плотности и содержания серы в угле на ленте конвейера по интенсивности рассеянного углем гамма-излучения BV обратном направлении в диапазонах энергий 50-70,15(М 75 и 230-310 кэВ. Погрешности

определения зольности, влажности, плотности и содержания серы в угле в способе по сравнению с прототипом уменьшены соответственно в 4, 2, 3 и 5 раз. Кроме того, за счет учета неодинакового рассеяния сигналов в пробах разных сортов и за счет исключения влияния видов зависимостей сигналов от измеряемых составов было уменьшено количество отбираемых для градуировки проб.

Формула изобретения

Способ измерения состава веществ, включающий отбор по п (п.3)проб каждого 1-го1 заданного сорта с составом qi, определение трех зависящих от состава сигналов

Хи, YIJ и Zn в каждой 1-й пробе каждого 1-го сорта и их средние значения для проб каж-.

дого 1-го сорта, измерение трех сигналов о составе неизвестного сорта Ха, Ya и Za и определение двух ближайших трехмерных

расстояний dj и dj + 1 от измеренных сигналов Ха, Ya и Za до соответствующих средних значений сигналов в пробах j-ro и 0 + 1)-го сортов с составами qt и qi + 1, о т л и ч а ю- щ и й с я тем, что, с целью повышения

точности за счет одновременного устранения влияния неодинаковых флуктуации сигналов в пробах разных сортов и нелинейной зависимости состава вещества от измерен- . ных сигналов, по каждым Зп сигналам в составе вещества определяют размеры и положения эллипсоидов рассеяния сигналов в пробах каждого 1-го сорта, по которым .определяют относительные значения расстояний dj и dj + i в единицах эллипсоидов

рассеяния сигналов в; пробах j-ro и (j + 1)Чо сортов djo и do + 1), определяют величину изменения состава в пробах j-ro и (j + 1)-го сортов A q, а состав неизвестного сорта определяют по формуле

qa (qj + A qdjo (djo + dfl +i)o) 1 dfl + i)- + + (qo + 1) Aq do + i)o (djo + dn + 1)0) x x djo (djo + do + i)c) .