автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка радиоизотопного способа определения параметров потока горной массы на ленточном конвейере

На правах рукописи

005045650

ВОЙТЮК Ирина Николаевна

РАЗРАБОТКА РАДИОИЗОТОПНОГО СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА ГОРНОЙ МАССЫ НА ЛЕНТОЧНОМ КОНВЕЙЕРЕ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 7 и Ю: ] 2012

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Проскуряков Руслан Максимович

Официальные оппоненты:

Катушкин Владимир Петрович доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), заведующий кафедрой электротехники и электроники

Балюбаш Виктор Александрович доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, профессор кафедры автоматики и автоматизации пищевых производств

Ведущее предприятие - ОАО «НИИ Горной геомеханики и маркшейдерского дела - межотраслевой научный центр ВНИМИ».

Защита состоится 19 июня 2012 г. в 12 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 18 мая 2012 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

ГАБОВ В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Главной целью работы горнодобывающего предприятия является получение прибыли за счет максимальной добычи полезного ископаемого при минимальных издержках. При этом необходима гарантия получения продукции необходимого количества и заданного качества. Следует отметить, что от точного учета количества и оценки качества угля зависит как эффективность и рентабельность работы всей шахты, так и эффективность, и надежность функционирования отдельных видов технологического оборудования, в частности ленточного

конвейерного транспорта.

В повседневной практике деятельности угольной шахты учет продукции ведется обычно по производительности магистрального конвейерного транспорта. Однако как показывает практика, наряду с полезным ископаемым к скипам угольной шахты поступает доля пустой породы, вследствие чего учет количества материала заданного качества не всегда точен и эффективен.

Промышленность пока не располагает номенклатурой приборов для точного учета полезного ископаемого непосредственно на ленточном конвейере с одновременным контролем его качества и соответствия товарному продукту, а имеющиеся отдельные методы измерения объемной плотности, массового расхода и показателей качества не обладают удовлетворяющей точностью и имеют основные относительные погрешности измерений, значительно превышающие допустимые пределы ±5-10 %.

В связи с этим учет и оценку качества продукции горной отрасли при транспортировании ленточным конвейером целесообразно проводить с использованием радиоизотопного метода измерения объемной плотности, обеспечивающего возможностью бесконтактного контроля и селективного измерения объемных плотностей отдельных компонентов и оценки качества гетерогенного потока, простотой, надежностью и точностью измерений.

Цель работы: повышение точности технологического учета потока горной массы путем измерения ее объемной плотности и

минеральной зольности горной массы методом селективного змерения объемных плотностей отдельных составляющих горной массы при транспортировании ленточным конвейером.

Идея работы: для повышения точности технологического учета потока горной массы необходимо минимизировать случайные и систематические погрешности прибора и повысить точность измерения объемной плотности и определения массового расхода и минеральной зольности исследуемого потока при транспортировании ленточным конвейером.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

• провести анализ существующих методов измерения параметров гомогенных и гетерогенных потоков сыпучих материалов;

• обосновать выбор радиоизотопного метода для измерения объемных плотностей потока горной массы и отдельно пустой породы, а также определения массового расхода и минеральной зольности;

• подтвердить на имитационных математических моделях для потоков угля и горной массы с массовыми концентрациями угля 70%, пустой породы 30% зависимости изменения объемной плотности исследуемых сред от распределения интенсивностей прямого и рассеянного гамма-излучений;

• провести статистическую обработку стробированных случайных процессов и на ее основе разработать алгоритм автоматической корректировки градуировочных характеристик;

• разработать метод снижения случайных и систематических погрешностей измерений за счет увеличения частоты измерений и усреднения полученных результатов;

• обосновать и разработать метод измерения объемной плотности угольного потока и метод селективного измерения объемной плотности пустой породы в составе гетерогенного потока горной массы и связанную с ней минеральную зольность и дать принцип построения радиоизотопной измерительной системы (РИИС) для реализации этих методов;

• разработать инженерную методику и исследовательский стенд для статической градуировки прибора по объемным плотностям угля, пустой породы и горной массы, а также по минеральной зольности горной массы, связанной с массовой концентрацией пустой породы;

• разработать алгоритм снижения систематических погрешностей прибора автоматической корректировкой градуировочных характеристик;

• разработать макет грузопотока ленточного конвейера и градуировочного стенда для измерения объемной плотности материалов на ленточном конвейере; произвести оценку погрешности и точности РИИС.

Защищаемые научные положения:

1. Анализ взаимодействия заряженных частиц с образцом гетерогенного потока горной массы, определяющего объемную плотность и линейный коэффициент ослабления образца, входящих в качестве сомножителей в отрицательный показатель степени экспоненциальной зависимости интенсивностей прямого и рассеянного гамма-излучений, позволяет рассчитать массовый расход потока горной массы на ленточном конвейере, а также определить селективно объемную плотность одного компонента в составе двухкомпонентного потока горной массы и массовую концентрацию минеральной зольности с использованием метода прицельной регистрации интенсивности рассеянного излучения из фокуса ионизации другого компонента.

2. Выделение полезного сигнала статистическим пульсационным методом из информативного параметра при наличии в угольном потоке пустой породы во всем динамическом диапазоне осуществляется переключением градуировочной характеристики передним фронтом корреляционной функции, при этом уменьшение случайных погрешностей обеспечивается за счет увеличения частоты дискретизации измерений до 200с"1 с последующим усреднением значений, а минимизация систематических погрешностей достигается автоматической корректировкой градуировочных характеристик путем усреднения вычисленных и измеренных значений информативного параметра.

Методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием математических методов анализа физических процессов взаимодействия гамма-излучения с веществом, теории потоков, теории случайных процессов и пульсационных измерений для имитационного математического моделирования случайного процесса изменения информативного параметра РИИС. В работе использовались экспериментально-аналитические методы исследований, а именно, теория планирования эксперимента, статистической обработки результатов измерений, теории погрешностей и экспериментальные исследования, оценка метрологических свойств РИИС на основе энергоинформационной теории измерительных устройств. Научная новизна работы:

-разработана принципиальная основа и рекомендации к технической реализации метода селективного контроля компонентов гетерогенного потока горной массы путем прицельного детектирования из фокуса ионизации рассеянного излучения;

-предложен метод статистических пульсационных измерений, обеспечивающий наименьшие погрешности непрерывных измерений характеристик потока и осуществления селективного измерения физических характеристик потока;

- разработаны метод снижения случайной погрешности РИИС после выделения информативного параметра в виде дискретных статистических значений, а также алгоритм снижения систематических погрешностей измерений при автоматической корректировке градуировочных характеристик РИИС во всем динамическом диапазоне с использованием методов Монте-Карло и скользящего среднего, путем усреднения вычисленных и измеренных значений информативного параметра, причем частота корректировки выбирается не меньше частоты дискретности по теореме Котельникова

Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций Доказаны на основе удовлетворительной сходимости результатов функционального и системного анализа процессов взаимодействия гамма-излучения с потоком горной массы, расчетов

отдельных физических показателей исследуемой транспортируемой среды, определяющих расчетные соотношения для проходных характеристик системы «первичный преобразователь контролируемый поток», которые достаточно плотно коррелируют с экспериментально полученными градуировочными

характеристиками, а также со статистической обработкой результатов измерений на макете РИИС. Экспериментальные данные подтверждены результатами официальных испытаний РИИС для проб горной массы, состоящей из каменного угля и пустой породы.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• разработана принципиальная структура, функциональные и инструментальные составляющие РИИС для измерения объемной плотности как гомогенных, так и гетерогенных потоков сыпучего полезного ископаемого на ленточном конвейере на примере горной массы угольной шахты;

• обоснован и рекомендован метод измерения объемной плотности отдельных компонентов гетерогенного потока горной массы, состоящего из угля и пустой породы, транспортируемого ленточным конвейером;

• по измеренной объемной плотности исследуемого потока даны рекомендации к определению массового расхода материала, а также качественных показателей транспортируемого материала на примере минеральной зольности горной массы;

• разработан метод обработки информативного параметра РИИС с использованием теории статистических пульсационных измерений и метод снижения систематических погрешностей автоматической корректировкой градуировочных характеристик;

• изготовлен макет РИИС для градуировки по объемной плотности в статическом режиме и получены основные экспериментально-аналитические зависимости интенсивности импульсов с выхода блока детектирования от объемной плотности различных исследуемых сред, позволяющие разработать техническое задание на проектирование и построение опытно-промышленного образца РИИС для транспортных конвейерных потоков угольных шахт;

• проведена поверка средств измерения РИИС, в частности блоков детектирования, разработано программное обеспечение для поверки.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты диссертационной работы переданы в ОАО «Воркутауголь» и приняты к использованию в ОАО «Беларуськалий» с целью совершенствования технологии добычи и улучшения качества продукции для случая построения и внедрения автоматического устройства как системы учета продукции и основа открытой интеллектуальной сети рудника.

Рекомендации по функциональной структуре РИИС, по методике измерений объемной плотности пустой породы в составе гетерогенного потока горной массы, по методу снижения систематических погрешностей приняты и документально оформлены в ООО «Комплекс-ресурс».

Личный вклад автора:

• на основе литературных источников, аналитических и экспериментальных исследований обоснована возможность применения радиоизотопного метода для измерений массового расхода и массовой концентрации пустой породы или минеральной зольности горной массы на ленточном конвейере;

• выполнен структурный синтез РИИС для измерения объемной плотности как гомогенных, так и гетерогенных потоков сыпучих материалов на ленточном конвейере;

• разработан исследовательский стенд для экспериментального определения градуировочных характеристик прибора для измерения объемной плотности угля и пустой породы, а также содержания минеральной зольности в горной массе;

• выполнены экспериментальные испытания работоспособности РИИС на экспериментальном макете и получены погрешности измерений.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях: в 2009г. в Краковской горно-металлургической академии, «Ежегодная научная вузовская конференция студентов и молодых ученых в 2010г. в СПГГИ (ТУ),

«Scientific reports on resource issues» в 2011 г во Фрайбергской горной академии, Германия; а также переданы в виде отчета по результатам конкурса грантов для студентов, аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга в виде отчета в 2011г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе три в изданиях, входящих в список рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 143 страницах. Содержит 42 рисунка, 17 таблиц и список литературы из 100 наименований.

Во введении представлена общая характеристика диссертационной работы, а именно актуальность исследований, сформулирована идея работы, с помощью чего определены цель и основные задачи исследования, а также научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В главе 1 проведена оценка основных физико-химических свойств и показателей качества потока горной массы угольной шахты, анализ объемной плотности сыпучего полезного ископаемого и ее связь с количественными и качественными параметрами исследуемого потока. Также проведен краткий обзор и анализ методов измерения объемной плотности, массового расхода и зольности на ленточном конвейере.

В главе 2 представлено обоснование выбора радиоизотопного метода для определения параметров потока горной массы, описаны физические процессы взаимодействия гамма-излучения с потоком сыпучего материала. Проведено исследование случайных нестационарных сигналов с выхода блока детектирования от неравномерно распределенных объемных плотностей угля и пустой породы в составе гетерогенного потока горной.

В главе 3 проведены обоснование и разработка метода селективного измерения объемной плотности пустой породы в составе горной массы на ленточном конвейере, представлены описание и принцип действия РИИС для реализации данного метода, описаны блок-схемы алгоритмов измерений, рассмотрены пути снижения случайных и систематических погрешностей.

В главе 4 приведены методика градуировки и результаты экспериментальных испытаний РИИС, произведена оценка погрешностей измерений и совершенствование измерительной системы.

В заключении представлены основные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и поставленными задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Положение 1.

Анализ взаимодействия заряженных частиц с образцом гетерогенного потока горной массы, определяющего объемную плотность и массовый коэффициент ослабления образца, входящих в качестве сомножителей в отрицательный показатель степени экспоненциальной зависимости интенсивностей прямого и рассеянного гамма-излучений, позволяет рассчитать массовый расход потока горной массы на ленточном конвейере, а также определить селективно объемную плотность одного компонента в составе двухкомпонентного потока горной массы и массовую концентрацию минеральной зольности с использованием метода прицельной регистрации интенсивности рассеянного излучения из фокуса рассеяния другого компонента.

При проведении анализа литературных источников, экспериментальных и теоретических исследований сделан вывод, что исходя из необходимости бесконтактности измерения объемной плотности и, связанных с ней массового расхода и компонентного состава гетерогенного потока горной массы на ленточном конвейере, целесообразно использовать радиоизотопный метод, разработав соответствующую методику и систему, обеспечивающую процесс измерений. Разделение измеряемой информации и снижение погрешности измерений необходимо осуществить в режиме пульсаций потока.

Согласно методу гетерогенный поток горной массы 6, состоящей из угля и пустой породы, находящийся на ленте конвейера 7, облучается узким пучком гамма-квантов, испускаемых

из блока гамма-излучения 1 от источника излучения радионуклида 137Св с энергией гамма-кванта 662 кэВ, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Функциональная схема макета РИИС Пучок направлен перпендикулярно потоку по продольной оси ленты конвейера. Луч взаимодействует с горной массой на ленте конвейера. При этом происходит ослабление потока квантов в узком пучке, проходящего через горную массу, за счет фотоэлектрического поглощения квантов и выхода квантов из узкого пучка при комптоновском рассеянии. Таким образом, при взаимодействии с потоком горной массы пучок излучения преобразуется в две составляющие: прямое и рассеянное у -излучение 10. Прямое и рассеянное излучения пронизывают продольное сечение и весь объем потока горной массы на ленте, и суммарная степень их ослабления дает информацию об общем потоке горной массы. Регистрация прямого и рассеянного излучения происходит в блоке детектирования 2, установленном напротив источника гамма излучения по вертикали и закрепленного на соединительной стальной раме 8.

При транспортировании потока горной массы по ленточному конвейеру, ввиду того, что куски пустой породы обладают большей в несколько раз плотностью и размерами в сравнении с углем, они подвергаются «стесненному падению» и с течением определенного времени оказываются в нижнем слое транспортируемого

грузопотока, а уголь - в верхней. При этом по сечению потока горной массы пустая порода занимает меньшую в несколько раз площадь в сравнении с углем. В связи с этим первичное излучение при взаимодействии с потоком горной массы будет претерпевать максимальное рассеяние в точке поперечного сечения потока горной массы, занятой углем, или в так называемом фокусе излучения. Заряженная частица, проникая в вещество, взаимодействует с ним, и медленно теряет свою энергию примерно до 90%, а оставшиеся 10% энергии отдается мгновенно, образуя взрыв в фокусе излучения. Фокус излучения системы — точка, в которой пересекаются или фокусируются продолжения лучей после прохождения через рассеивающую среду. При этом по сечению горной массы может быть несколько фокусов, образованных гамма-излучением в различных веществах горной массы и собранных в фокальную поверхность. Для угольного потока фокус рассеяния соответствует позиции 9 на рисунке 1.

Для повышения точности измерений целесообразно регистрировать рассеянное ^ — излучение непосредственно от угля, так как по количеству его значительно больше, чем пустой породы. Регистрация потока гамма-излучения от фокуса рассеяния в угле 5 производится блоком детектирования 3, оснащенным коллиматором диаметром Змм и направленным в сторону фокуса рассеянного излучения в угле. Угол поворота блока в пространстве подбирается экспериментально и зависит от расположения точки максимального измерительного сигнала.

Суммарная интенсивность гамма-излучения после взаимодействия с гетерогенным потоком горной массы определяется сложением интенсивностей 1пр и 1 рас прямого и рассеянного

излучений и выражается экспоненциальной зависимостью, согласно которой, интенсивность зависит от толщины контролируемой среды, ее объемной плотности и массового коэффициента ослабления:

пр рас и '

где /о, / - интенсивности гамма-квантов, регистрируемых блоком детектирования при отсутствии и при наличии контролируемой среды на ленточном конвейере соответственно,

имп/с; ц - массовый коэффициент ослабления в горной массе, см2/г, зависящий от эффективного атомного номера вещества-поглотителя и энергии гамма-кванта; ум - объемная плотность горной массы,

г/см3; д, - расстояние от блока гамма-излучения до блока детектирования, см; к - поправка коэффициента линейного ослабления для рассеянного излучения.

Для рассеянного от фокуса гамма-излучения интенсивность определяется:

/ =/ .¿-^'Ъ-п

1 рас 0 '

где //'- массовый коэффициент ослабления в угле, см /г; <1 — расстояние от фокуса рассеянного гамма-излучения в угле до блока детектирования 3, см; уу - объемная плотность угля, г/см3; Г] -

поправка коэффициента линейного ослабления для рассеянного излучения.

Согласно методу, после регистрации интенсивностей гамма-излучений, пропорциональных значениям объемных плотностей горной массы и угля, сигналы от блоков детектирования 2 и 3 поступают в блок регистрации 4, где осуществляется их вычитание и регистрация объемной плотности пустой породы.

Для реализации метода измерения, выяснения стабильности работы первичных измерительных преобразователей системы, диапазона и погрешности измерений объемных плотностей гетерогенного потока горной массы и пустой породы, а также массовой концентрации минеральной зольности исследуемой горной массы, чувствительности к изменению химического состава контролируемых веществ был разработан и исследован макет радиоизотопной измерительной системы (см. рис.1).

Согласно проведенным испытаниям РИИС максимальную измерительную информацию можно получить при установке блока детектирования 2 на расстоянии 1м от блока гамма-излучения при совпадении их оптических осей, а блока детектирования 3 на расстоянии 0,5м от блока гамма-излучения при наклоне на угол 35° к горизонтальной оси ленточного конвейера.

При градуировке в качестве контролируемых сред использовались пробы каменного угля в диапазоне от 1.0 до 1.4 г/см3, пустой породы - от 3.2 до 3.6 г/см3 и образцы горной массы с массовыми концентрациями пустой породы в диапазоне от 10 до 50% для имитации потока с минеральной зольностью. Требуемые значения объемных плотностей и содержание пустой породы в гетерогенном потоке определялись путем взвешивания в определенном объеме контролируемых сред.

В процессе градуировки снимались интенсивности выходного сигнала блока детектирования 2 для различных объемных плотностей и фиксированных толщин контролируемых материалов, равных 15, 20 и 25см. Полученные семейства кривых аппроксимировались квадратичными зависимостями типа

1 = /(у)=ау2+Ьу+с и I = /(А")=аА"2 +ЬА" +с. Аппроксимации результатов эксперимента представлены на рисунках 2, 3 и 4.

По результатам испытаний РИИС относительные погрешности измерений объемных плотностей и минеральной зольности составили в среднем 2,5%. Мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения, создаваемого на поверхности прибора, составляет 1,6 мР/час, а на расстоянии 1м от поверхности прибора -0,015 мР/час, что в пять и семь раз, соответственно, меньше норм, установленных ОСПОРБ-99 (п. 3.7.6) для радиоизотопных приборов, предназначенных для использования в производственных условиях. Радиоактивного загрязнения прибор не создает и по потенциальной радиационной опасности ИПГС относится к IV категории, установленной ОСПОРБ-99.

Измерив объемную плотность материала на ленточном конвейере, массовый расход потока горной массы за момент времени одна секунда определяется:

где у — средняя объемная плотность контролируемого потока,

кг/м3; V — средняя скорость движения потока (скорость движения

конвейера), м/с; 5 — средняя площадь поперечного сечения потока на ленточном конвейере в м2, определяемая:

900 800 -700 -600 -500 400 -300 203 -100 о

у= 0,318хг-923,9х + 68067 \ (^ = 0,988

о \

ч.

у= 0,111х2 - 325,7* + 24097 Я2 = 0,984

\ : у = 0,081хг -215,0* +14306 Ч Я2 = 0,964

. 25-

1Д

1,2

1.3

1,4 и Уугля,г/смЭ

Рис. 2. Графики зависимостей интенсивности импульсов от объемной плотности угля

у = 0,0054х2-40,185х +75915 Я2 = 0,9695

+41399

6,3773х +11634 0,9581

3* 3,6 У пустой породы, г'снЗ

Рис. 3. Графики зависимостей интенсивности импульсов от объемной плотности пустой породы

х н о

О

л

6 о X о

3

X

ф

IX 5

500

а 400

о и

л §,

с

ХУ = 149357*2 - 203566х + 70101 # = 0,9925

\у = 35086х -50777х +17490 \ И2 = 0,9692

300

\у = 1ЭБ4х2 - 22684х + 7075 Ч\ ^ = 0,972

20% 30% 40% 50% 60%

Минеральная зольность, Ас)

Рис. 4. Графики зависимостей интенсивности импульсов от минеральной зольности горной массы

- 1 ■> 4

где Ъ — рабочая ширина ленты конвейера, м; (р - угол естественного откоса груза на ленточном конвейере, составляющий в среднем 20 — 25°.

В формуле для определения массового расхода площадь поперечного сечения потока определяется лазерным сканером, а скорость ленточного конвейера - датчиком скорости.

Положение 2.

Выделение полезного сигнала статистическим пулъсационным методом из информативного параметра при наличии в угольном потоке пустой породы во всем динамическом диапазоне осуществляется переключением градуировочной характеристики передним фронтом корреляционной функции, при этом уменьшение случайных погрешностей обеспечивается за счет увеличения частоты дискретизации измерений до 200с-1 с последующим усреднением значений, а минимизация систематических погрешностей достигается автоматической корректировкой градуировочных характеристик путем усреднения вычисленных и измеренных значений информативного параметра.

Используя характеристики, полученные в процессе градуировки, можно также оценить качество работы метода в условиях динамического режима. Для этих целей была создана имитационная компьютерная модель определения интенсивности импульсов при случайном изменении объемной плотности в потоке, реализованная в среде МАТЬАВ БтиНпк.

Для разработки имитационной модели были использованы следующие параметры: значения объемных плотностей угля и пустой породы соответственно уу = 1.2г/си3 и упп -ЪАг!смъ,

массовая концентрация пустой породы - тп п = 30%, массовые

коэффициенты ослабления для угля и горной массы соответственно 0,025 и 0,026 см2/г. Толщина слоя для обоих случаев составляла 20см.

Согласно исследованиям объемная плотность гетерогенного

потока горной массы определяется из выражения:

— У у (Тп.п. "Уу^ . — 1 »п I 3 ---------------------— + /=! .49 г/см*.

(

У*п.я.

1

\ >и„„

\ п.п.

•1

+ ГУ

В результате моделирования по известным проходным характеристикам получены случайные функции изменения интенсивностей излучения для потока угля (слева) и горной массы с массовой концентрацией пустой породы 30%(справа), как показано на рисунке 5:

600 иоо Н"0, ¿400 300^ - еой: 4200

иоо ¿ооо .з?и-:-40оо

Рис. 5. Случайные процессы изменения интенсивностей импульсов с

выхода блока детектирования Согласно полученным результатам при появлении на ленточном конвейере смешанного гетерогенного потока, представленного углем и пустой породой, меняется случайная функция интенсивности импульсов в зависимости от изменения объемной плотности исследуемого объекта. В результате изменения случайного процесса происходит изменение и его статистических характеристик, в частности корреляционной функции, которая определяется из выражения:

г

яДг)=Ит-1/(0 •/(;+,

где г - время корреляции.

Блок регистрации РИИС улавливает данное изменение по переднему фронту корреляционной функции наложенного к первоначальному случайного процесса после включения пустой породы и автоматически осуществляет переключение

Рис. 6. Блок-схема алгоритма измерений

Рис. 7. Алгоритм корректировки градуировочных характеристик

градуировочной характеристики, соответствующей случайному процессу, образованному гетерогенным потоком. Таким образом, можно измерить объемную плотность гетерогенного потока.

Для реализации измерения объемной плотности была разработана блок-схема алгоритма разделения полезного сигнала информативного параметра от помехи, представленная на рисунке 6.

При анализе погрешностей результатов измерений объемной плотности в ходе испытаний выявлено, что случайная составляющая погрешности измерений обусловлена в основном случайным характером процессов излучения, взаимодействия с контролируемой средой и регистрации квантов гамма-излучения. Для уменьшения погрешности до требуемого значения, при расчете необходимого объема накопленных при регистрации гамма-излучения данных, необходимо исходить только из информативной (полезной) составляющей сигналов блоков детектирования, а не из суммы полезного и фонового сигналов.

Случайные погрешности возникают также в результате многократного преобразования сигнала измерительной информации.

Систематическая составляющая погрешности измерений каналами прямого и рассеянного гамма-излучений обусловлена нелинейностью выходных сигналов блоков детектирования, вызванных неточностями при первичном градуировании физических характеристик контролируемых сред.

Систематические погрешности вызваны также рядом других факторов, влияющих на точность и стабильность градуировочных характеристик, в частности, старение элементов системы, дрейф электроники, изменение температуры окружающей среды, уменьшение интенсивности гамма-излучения и т. д. Для минимизации влияния данных факторов разработан алгоритм автоматической корректировки градуировочных характеристик, представленный на рисунке 7, согласно которому происходит усреднение измеренных и вычисленных показаний РИИС за минимальный отрезок времени порядка 5мс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, на основе анализа литературных источников и выполненных теоретических и экспериментальных исследований была решена актуальная научно-практическая задача - измерение объемной плотности и связанных с ней массового расхода и минеральной зольности гетерогенного потока горной массы при транспортировании ленточным конвейером угольной шахты.

На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы:

1. Установлена зависимость изменения интенсивности потока гамма-излучения при прохождении его через контролируемый материал от рассчитанных физических параметров.

2. Для гетерогенных сыпучих потоков разработан и реализован бесконтактный способ выделения полезного сигнала информативного параметра с использованием статистических пульсационных измерений на основе радиометрического способа регистрации гамма-излучения после взаимодействия с контролируемой средой.

3. Принципиально разработаны и реализованы способы минимизации случайных и систематических погрешностей измерительной системы.

4. Принципиально и технически реализован способ определения объемной плотности пустой породы в составе гетерогенного потока горной массы, представленного углем и пустой породой.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих работах:

1. Войлок И. Н. Автоматическая компенсация влияния мешающих факторов на измерение объемной массы угля из очистного забоя /Р. М. Проскуряков, И. Н. Войтюк, А. В. Коптева // Записки Горного института: РИЦ СПГГИ (ТУ). - Т. 195. - СПб. -2012.-С.281-284.

2. Войтюк И. Н. Анализ и синтез системы коммерческого учета нефти с использованием радиоизотопного измерителя плотности // Записки Горного института: РИЦ СПГГИ (ТУ). - Т. 186. - СПб. -

2010.-С.112-115.

3. Войтюк И. Н. Автоматическая корректировка метрологических характеристик измерителей случайных сигналов первичного преобразователя анализатора жидкостных потоков /Р. М. Проскуряков, А. В. Коптева, И. Н. Войтюк Н Записки Горного института: РИЦ СПГГИ (ТУ). - Т. 195. - СПб. - 2012. - С.277-280.

4. Войтюк И. Н. Критерии и алгоритмы управления угольными потоками в процессе их транспортирования // Материалы 9-ой Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». - Воркута. -

2011.-С. 257-259.

5. Войтюк И. Н. Принцип и алгоритм измерения параметров отдельных компонент многокомпонентных многофазных потоков в минерально-сырьевом и энергетическом комплексах /Р. М. Проскуряков, А. В. Коптева, И. Н. Войтюк // Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности: сборник статей XI международной научно-практической конференции. - СПб.: Изд-во СПбГПУ. - Т.1. -2011.-С.378-381.

6. Voytyuk I. N. The contactless method for quantity measurement of coal stream at belt conveyor // Scientific Reports on Resource Issues. -Germany. - Vol. 1 - 2011. - P. 148-152.

7. Войтюк И. H. Статистический пульсационный метод при нахождении характеристик грузопотока для обеспечения оптимальной работы конвейера // XXII Международная инновационно-ориентированная конференция молодых ученых и студентов (МИКМУС-2010) «Будущее машиностроения России», М.: Изд-во ИМАШ РАН - 2010. - С. 152.

8. Войтюк И. Н. Автоматическое определение количества груза на ленточном конвейере, как начало формирования открытой интеллектуальной сети горного предприятия // Материалы Международной научно-практической конференции «Современные

направления теоретических и прикладных исследований» - Одесса. -Т.5-2010.-С.94-96

РИЦ Горного университета. 16.05.2012. 3.363 Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Введение.

1. Состояние исследуемого вопроса.

1.1. Характеристика грузопотока ленточного конвейерного транспорта угольной шахты как объекта исследования.

1.1.1. Количественные характеристики шахтного грузопотока и его аналитическое описание.

1.1.2. Основные физико-химические свойства и показатели качества грузопотока горной массы на ленточном конвейере.

1.2. Объемная плотность сыпучего материала и ее связь с массовым расходом и минеральной зольностью потока на ленточном конвейере.

1.3. Краткий обзор и анализ методов и средств измерения количественных характеристик сыпучих материалов.

1.3.1. Измерение массы сыпучего материала на ленточном конвейере.

1.3.2. Метод измерения объемной производительности ленточного конвейера

1.3.3. Современные методы и средства измерения объемной плотности сыпучих грузов.

1.3.3.1. Весовой метод.

1.3.3.2. Метод гидростатического взвешивания.

1.3.3.3. Механические методы.

1.3.3.4. Рентгенографический метод.

1.3.3.5. Ультразвуковой метод.

1.3.4. Радиометрические методы определения объемной плотности.

1.4. Выводы по главе 1. Постановка цели и задач исследований.

2. Теоретические основы радиоизотопного метода измерения параметров сыпучих материалов на примере шахтного грузопотока.

2.1. Обоснование использования радиоизотопного измерительного метода.

2.2. Физика процесса взаимодействия гамма-излучения с потоком сыпучего материала.

2.2.1. Основные виды взаимодействия гамма-излучения с веществом.

2.2.2. Определение линейного коэффициента ослабления.

2.2.3. Основные законы ослабления гамма-излучения в веществе.

2.2.4. Характеристика радионуклида цезий - 137.

2.3. Разработка имитационной математической модели сигнала РИИС на гетерогенном потоке горной массы.

2.3.1. Исследование случайного нестационарного сигнала РИИС от неравномерно распределенной плотности на конвейере.

2.3.2. Имитационное математическое моделирование случайного сигнала первичного преобразователя для потоков угля и горной массы.

2.4. Влияние возмущающих факторов на измерение массового расхода контролируемого потока.

3. Синтез и анализ радиоизотопной измерительной системы.

3.1. Описание и принцип действия измерительной системы.

3.2. Технические средства первичного преобразователя.

3.2.1. Блок ионизирующего излучения.

3.2.2.Блок детектирования.

3.3. Технические средства вторичного преобразователя.

3.3.1. Программа микроконтроллера блока детектирования.

3.4. Оценка возможностей РИИС.

3.4.1. Метод селективного определения содержания пустой породы в составе гетерогенного потока горной массы.

3.4.2. Оценка массового расхода груза и производительности ленточного конвейера.

3.4.3. Измерение минеральной зольности.

3.5. Методы повышения точности.

3.5.1 .Программными средствами.

3.5.2. Инструментальными средствами.

4. Экспериментальная часть.

4.1. Планирование эксперимента.

4.2. Методика поверки РИИС. Определение погрешностей измерений.

4.2.1. Методика и практические работы по поверке РИИС как метрологического прибора.

4.2.2. Построение гистограмм для БД№3 и БД№7.

4.3. Оценка метрологических свойств РИИС.

4.3.1. Оценка точности РИИС согласно информационно-энергетической теории измерительных устройств.

4.3.2. Результаты статической градуировки РИИС.

4.4. Меры безопасности при использовании прибора.

Современные измерительные информационные системы в горной промышленности носят распределенный характер. Это обуславливается не только топологией и географией горных работ, но и сложностью решаемых задач. Поскольку эта работа посвящена потокам полезного ископаемого на конвейерных системах, то мы имеем дело с географической удаленностью друг от друга источников измерения и субъектов, заинтересованных в получении доступа к заключенной в автоматической измерительной системе информации или результатам ее обработки. При этом необходимо отметить тот факт, что в большинстве случаев результаты измерений предоставляют объективную информацию о состоянии технической, технологической или организационной системы управления.

Точность выполнения измерений имеет решающее значение в системах управления технологическими процессами или в выборе технологических или электромеханических комплексов, обеспечивающих объем и качество продукции, близких к оптимальным величинам и параметрам. Немаловажна в современных условиях регистрация данной информации в системах коммерческого учета продукции.

Увеличение погрешности измерения при учете продукции горной отрасли может привести к многомиллионным потерям для государства и предприятия. В связи с этим большое внимание в горной промышленности уделяется развитию системы метрологических служб, деятельность которых направлена на обеспечение единства измерений, создание условий для объективности измерительной информации, не говоря уже о том, что такие важнейшие технологические процессы, как транспортировка полезного ископаемого, являющаяся заключительным этапом добычи, должна быть обеспечена измерительными системами, обладающими интеллектуальными возможностями и гибкой автоматикой.

В начале нашего исследования сразу следует указать, что на сегодняшний день автоматических контрольно-измерительных комплексов для конвейерных систем не существует. Хотя этим вопросом занимаются достаточно большое количество солидных организаций, таких как: ЦНИИ РТК, ЦКТИ, ИЯИ РАН, ФИАН - радиоизотопные системы; ООО «Цветметавтоматика» - конвейерные весоизмерительные системы.

Результаты представленной работы являются совместным итогом коллективов ООО «Комплекс-ресурс» и кафедры Э и ЭМ СПГГУ, где автор принимал непосредственное участие.

Актуальность работы. Главной целью работы горнодобывающего предприятия является получение прибыли за счет максимальной добычи полезного ископаемого при минимальных издержках. При этом необходима гарантия получения продукции необходимого количества и заданного качества. Следует отметить, что от точного учета количества и оценки качества угля зависит как эффективность и рентабельность работы всей шахты, так и эффективность, и надежность функционирования отдельных видов технологического оборудования, в частности ленточного конвейерного транспорта.

В повседневной практике деятельности угольной шахты учет продукции ведется обычно по производительности магистрального конвейерного транспорта. Однако как показывает практика, наряду с полезным ископаемым к скипам угольной шахты поступает доля пустой породы, вследствие чего учет количества материала заданного качества не всегда точен и эффективен.

Промышленность пока не располагает номенклатурой приборов для точного учета полезного ископаемого непосредственно на ленточном конвейере с одновременным контролем его качества и соответствия товарному продукту, а имеющиеся отдельные методы измерения объемной плотности, массового расхода и показателей качества не обладают удовлетворяющей точностью и имеют основные относительные погрешности измерений, значительно превышающие допустимые пределы ±5-10 %.

В связи с этим учет и оценку качества продукции горной отрасли при транспортировании ленточным конвейером целесообразно проводить с использованием радиоизотопного метода измерения объемной плотности, обеспечивающего возможностью бесконтактного контроля и селективного измерения объемных плотностей отдельных компонентов и оценки качества гетерогенного потока, простотой, надежностью и точностью измерений.

Цель работы. Повышение точности технологического учета потока горной массы путем измерения ее объемной плотности и минеральной зольности горной массы методом селективного измерения объемных плотностей отдельных составляющих горной массы при транспортировании ленточным конвейером.

Идея работы. Для повышения точности технологического учета потока горной массы необходимо минимизировать случайные и систематические погрешности прибора и повысить точность измерения объемной плотности и определения массового расхода и минеральной зольности исследуемого потока при транспортировании ленточным конвейером.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

•провести анализ существующих методов измерения параметров гомогенных и гетерогенных потоков сыпучих материалов;

•обосновать выбор радиоизотопного метода для измерения объемных плотностей потока горной массы и отдельно пустой породы, а также определения массового расхода и минеральной зольности;

•подтвердить на имитационных математических моделях для потоков угля и горной массы с массовыми концентрациями угля 70%, пустой породы 30% зависимости изменения объемной плотности исследуемых сред от распределения интенсивностей прямого и рассеянного гамма-излучений;

•провести статистическую обработку стробированных случайных процессов и на ее основе разработать алгоритм автоматической корректировки градуировочных характеристик;

•разработать метод снижения случайных и систематических погрешностей измерений за счет увеличения частоты измерений и усреднения полученных результатов;

•обосновать и разработать метод измерения объемной плотности угольного потока и метод селективного измерения объемной плотности пустой породы в составе гетерогенного потока горной массы и связанную с ней минеральную зольность и дать принцип построения радиоизотопной измерительной системы (РИИС) для реализации этих методов;

•разработать инженерную методику и исследовательский стенд для статической градуировки прибора по объемным плотностям угля, пустой породы и горной массы, а также по минеральной зольности горной массы, связанной с массовой концентрацией пустой породы;

•разработать алгоритм снижения систематических погрешностей прибора автоматической корректировкой градуировочных характеристик;

•разработать макет грузопотока ленточного конвейера и градуировочного стенда для измерения объемной плотности материалов на ленточном конвейере; произвести оценку погрешности и точности РИИС. Защищаемые научные положения:

1. Анализ взаимодействия заряженных частиц с образцом гетерогенного потока горной массы, определяющего объемную плотность и линейный коэффициент ослабления образца, входящих в качестве сомножителей в отрицательный показатель степени экспоненциальной зависимости интенсивностей прямого и рассеянного гамма-излучений, позволяет рассчитать массовый расход потока горной массы на ленточном конвейере, а также определить селективно объемную плотность одного компонента в составе двухкомпонентного потока горной массы и массовую концентрацию минеральной зольности с использованием метода прицельной регистрации интенсивности рассеянного излучения из фокуса ионизации другого компонента.

2. Выделение полезного сигнала статистическим пульсационным методом из информативного параметра при наличии в угольном потоке пустой породы во всем динамическом диапазоне осуществляется переключением градуировочной характеристики передним фронтом корреляционной функции, при этом уменьшение случайных погрешностей обеспечивается за счет увеличения частоты дискретизации измерений до 200с"1 с последующим усреднением значений, а минимизация систематических погрешностей достигается автоматической корректировкой градуировочных характеристик путем усреднения вычисленных и измеренных значений информативного параметра.

Методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием математических методов анализа физических процессов взаимодействия гамма-излучения с веществом, теории потоков, теории случайных процессов и пульсационных измерений для имитационного математического моделирования случайного процесса изменения информативного параметра РИИС. В работе использовались экспериментально-аналитические методы исследований, а именно, теория планирования эксперимента, статистической обработки результатов измерений, теории погрешностей и экспериментальные исследования, оценка метрологических свойств РИИС на основе энергоинформационной теории измерительных устройств.

Научная новизна работы:

-разработана принципиальная основа и рекомендации к технической реализации метода селективного контроля компонентов гетерогенного потока горной массы путем прицельного детектирования из фокуса ионизации рассеянного излучения;

-предложен метод статистических пульсационных измерений, обеспечивающий наименьшие погрешности непрерывных измерений характеристик потока и осуществления селективного измерения физических характеристик потока;

- разработаны метод снижения случайной погрешности РИИС после выделения информативного параметра в виде дискретных статистических значений, а также алгоритм снижения систематических погрешностей измерений при автоматической корректировке градуировочных характеристик РИИС во всем динамическом диапазоне с использованием методов Монте-Карло и скользящего среднего, путем усреднения вычисленных и измеренных значений информативного параметра, причем частота корректировки выбирается не меньше частоты дискретности по теореме Котельникова

Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций. Доказаны на основе удовлетворительной сходимости результатов функционального и системного анализа процессов взаимодействия гамма-излучения с потоком горной массы, расчетов отдельных физических показателей исследуемой транспортируемой среды, определяющих расчетные соотношения для проходных характеристик системы «первичный преобразователь -контролируемый поток», которые достаточно плотно коррелируют с экспериментально полученными градуировочными характеристиками, а также со статистической обработкой результатов измерений на макете РИИС. Экспериментальные данные подтверждены результатами официальных испытаний РИИС для проб горной массы, состоящей из каменного угля и пустой породы.

Практическая ценность работы заключается в следующем: •разработана принципиальная структура, функциональные и инструментальные составляющие РИИС для измерения объемной плотности как гомогенных, так и гетерогенных потоков сыпучего полезного ископаемого на ленточном конвейере на примере горной массы угольной шахты;

•обоснован и рекомендован метод измерения объемной плотности отдельных компонентов гетерогенного потока горной массы, состоящего из угля и пустой породы, транспортируемого ленточным конвейером;

•по измеренной объемной плотности исследуемого потока даны рекомендации к определению массового расхода материала, а также качественных показателей транспортируемого материала на примере минеральной зольности горной массы;

•разработан метод обработки информативного параметра РИИС с использованием теории статистических пульсационных измерений и метод снижения систематических погрешностей автоматической корректировкой градуировочных характеристик;

• изготовлен макет РИИС для градуировки по объемной плотности в статическом режиме и получены основные экспериментально-аналитические зависимости интенсивности импульсов с выхода блока детектирования от объемной плотности различных исследуемых сред, позволяющие разработать техническое задание на проектирование и построение опытно-промышленного образца РИИС для транспортных конвейерных потоков угольных шахт;

•проведена поверка средств измерения РИИС, в частности блоков детектирования, разработано программное обеспечение для поверки.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты диссертационной работы переданы в ОАО «Воркутауголь» и приняты к использованию в ОАО «Беларуськалий» с целью совершенствования технологии добычи и улучшения качества продукции для случая построения и внедрения автоматического устройства как системы учета продукции и основа открытой интеллектуальной сети рудника.

Рекомендации по функциональной структуре РИИС, по методике измерений объемной плотности пустой породы в составе гетерогенного потока горной массы, по методу снижения систематических погрешностей приняты и документально оформлены в ООО «Комплекс-ресурс».

Личный вклад автора: на основе литературных источников, аналитических и экспериментальных исследований обоснована возможность применения радиоизотопного метода для измерений массового расхода и массовой концентрации пустой породы или минеральной зольности горной массы на ленточном конвейере;

•выполнен структурный синтез РИИС для измерения объемной плотности как гомогенных, так и гетерогенных потоков сыпучих материалов на ленточном конвейере;

• разработан исследовательский стенд для экспериментального определения градуировочных характеристик прибора для измерения объемной плотности угля и пустой породы, а также содержания минеральной зольности в горной массе;

• выполнены экспериментальные испытания работоспособности РИИС на экспериментальном макете и получены погрешности измерений.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях: в 2009г. в Краковской горно-металлургической академии, «Ежегодная научная вузовская конференция студентов и молодых ученых в 2010г. в СПГГИ (ТУ), «Scientific reports on resource issues» в 2011г во Фрайбергской горной академии, Германия; а также переданы в виде отчета по результатам конкурса грантов для студентов, аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга в виде отчета в 2011г.

Заключение

В диссертационной работе содержится научно обоснованное техническое решение актуальной задачи обеспечения непрерывности технологических процессов и безопасности их завершения при КНЭ в энергосистеме путем обоснования структуры и параметров СГЭ, содержащей ИБП и резервную генераторную установку.