Устройство для опробования магнетитовых руд

 

Использование: в устройствах для измерения магнитной восприимчивости сред для оценки качества железосодержащей породы в навалах, вагонетках и на самосвалах. Сущность изобретения: устройство содержит генераторную, приемную и две компенсационные катушки, оси которых параллельны одна другой, лежат в одной плоскости и перпендикулярны площадке основания, устанавливаемой параллельно поверхности исследуемой среды. Устройство также содержит генератор синусоидального напряжения, две усилительно-преобразовательные схемы, схему выделения большего сигнала и регистратор. Выводы генераторной катушки подключены к генератору синусоидального напряжения, один из выводов приемной катушки соединен с общей шиной, а другой вывод объединен с выводами компенсационных катушек. Свободные выводы компенсационных катушек подключены к входам усилительно-преобразовательных схем, выводы которых соединены с соответствующими входами схемы выделения большего сигнала, выход которой подключен к регистратору. Устройство обеспечивает очень малую зависимость сигнала от расстояния центров катушек до поверхности исследуемой среды при изменении этого расстояния в широком интервале значений. Вследствие этого повышается точность определения магнитной восприимчивости и магнитного опробования, которое можно проводить бесконтактным методом в процессе движения транспортного средства с железосодержащей породой. 3 ил.

Изобретение относится к устройствам для измерения магнитной восприимчивости сред и предназначается для выделения магнетитовых руд и определения в них содержания железа при опробовании стенок горных выработок и оценки качества рудной массы в навалах, вагонетках и на самосвалах.

Известен рудничный измеритель магнитного влияния среды РИМВ-I, предназначенный для опробования магнетитовых руд [1] . РИМВ-I состоит из генератора синусоидального напряжения, усилительно-преобразовательной схемы, регистратора и набора индукционных зондов различного назначения. Для опробования в навалах горной массы, на самосвалах с железорудной породой используется индукционный зонд с соосно расположенными генераторной и приемной катушками, центры которых удалены друг от друга на 0,5 м. Первичная ЭДС приемной катушки в воздухе не скомпенсирована. При расположении зонда на поверхности магнитной среды происходит ослабление сигнала в приемной катушке. Сигнал поступает на схему, а затем подается на регистратор. Недостатком РИМВ-1 является невысокая точность измерений, обусловленная зависимостью показаний от неровностей поверхности исследуемой среды, так как изменение зазора между корпусом зонда и рудной массой лишь на 18 мм приводит к уменьшению сигнала на 5% .

Известен также зонд для измерения магнитной восприимчивости [2] , содержащий генераторную, приемную и компенсационную катушки, оси которых параллельны, а центры расположены в плоскости, перпендикулярной осям катушек. Оси приемной и компенсационной катушек помещены на одинаковом расстоянии от оси генераторной катушки, а плоскость расположения осей компенсационной и генераторной катушек размещена под заданным углом к плоскости расположения осей приемной и генераторной катушек.

В воздухе генераторная катушка во встречно включенных обмотках приемной и компенсационных катушек индуцирует одинаковые по амплитуде ЭДС, которые взаимно компенсируются. При измерении оси генераторной и приемной катушек приближают до определенного расстояния к поверхности исследуемой среды. Компенсационная катушка при этом оказывается более удаленной от этой поверхности. Из-за этого вторичное поле, возникающее вследствие намагничивания среды, индуцирует в обмотках приемной и компенсационных катушек различные по амплитуде вторичные ЭДС. По разностной вторичной ЭДС определяется магнитная восприимчивость.

Недостатком этого зонда является ограниченная точность измерения искомой характеристики вследствие ограниченного несколькими сантиметрами допустимого диапазона изменения зазора между рабочей стороной корпуса зонда и поверхностью среды. Кроме того, разновысотное расположение катушек увеличивает габариты зонда, что создает неудобство при его эксплуатации.

Наиболее близок к изобретению зонд для опробования магнетитовых руд, принятый за прототип [3] . Он содержит генераторную, приемную и компенсационную катушки, оси которых параллельны друг другу и лежат в одной плоскости, и контактные выступы на рабочей площадке основания зонда, которые обеспечивают определенное расстояние осей катушек до поверхности исследуемой среды. Генераторная катушка подключена к генератору синусоидального напряжения. Последовательно и встречно соединенные обмотки приемной и компенсационной катушек подключены ко входу усилительно-преобразовательной схемы, выход которой соединен с регистратором.

Генераторная катушка в воздухе индуцирует в обмотках приемной и компенсационной катушек одинаковые по амплитуде ЭДС, которые взаимно компенсируют одна другую. При поднесении зонда к среде генераторная катушка ее намагничивает. Поскольку обмотки приемной и компенсационной катушек расположены на разных расстояниях от генераторной катушки, магнитное поле среды индуцирует в них различные по амплитуде вторичные ЭДС. В результате в приемной цепи зонда появляется разностная ЭДС, по величине которой определяется магнитная восприимчивость среды.

Недостатком этого зонда является значительное снижение точности измерений при магнитном опробовании из-за влияния неровностей поверхности среды, если перепады микрорельефа превосходят несколько сантиметров. Кроме того, при измерении предполагается контакт зонда с исследуемой средой, что не позволяет проводить магнитное опробование в процессе движения, например, вагонетки или самосвала с железосодержащей породой.

Цель изобретения - повышение точности измерений магнитной восприимчивости и при бесконтактном опробовании магнетитовых руд.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для опробования магнетитовых руд, содержащее генераторную, приемную и компенсационную катушки, оси которых параллельны друг другу и лежат в одной плоскости, основание для закрепления катушек с площадкой, устанавливаемой параллельно поверхности исследуемой среды, генератор синусоидального напряжения, усилительно-преобразовательную схему и регистратор, причем выводы генераторной катушки подключены к генератору синусоидального напряжения, один из выводов приемной катушки соединен с общей шиной, а другой вывод соединен с выводом встречно подключенной компенсационной катушки, свободный вывод которой подключен к входу усилительно-преобразовательной схемы, в соответствии с изобретением снабжено второй компенсационной катушкой, второй усилительно-преобразовательной схемой и схемой выделения большего сигнала, при этом оси всех катушек расположены перпендикулярно площадке основания, вторая компенсационная катушка одним выводом соединена с объединенными выводами приемной и компенсационной катушек, а другим выводом подключена к входу второй усилительно-преобразовательной схемы, выходы первой и второй усилительно-преобразовательной схем соединены с соответствующими входами схемы выделения большего сигнала, выход которой подключен к регистратору.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства; на фиг. 2 - конструкция индукционного зонда устройства в разрезе; на фиг. 3 - результаты расчета геометрических факторов устройства.

Обмотка генераторной катушки 1 подключена к генератору 5 синусоидального напряжения. Один вывод обмотки приемной катушки 2 соединен с общей шиной, а другой объединен с выводами обмоток компенсационной катушки 3 и второй компенсационной катушки 4, которые включены встречно по отношению к приемной катушке 2. Усилительно-преобразовательная схема содержит усилитель 6 переменного напряжения, синхронный детектор 7 и усилитель 8 постоянного тока. Вторая усилительно-преобразовательная схема содержит аналогичные элементы: усилитель 9 переменного напряжения, синхронный детектор 10 и усилитель 11 постоянного тока. Опорное напряжение на синхронные детекторы 7 и 10 поступает от генератора 5. Свободный вывод компенсационной обмотки 3 подключен к входу усилителя 6 переменного напряжения, выход которого соединен с синхронным детектором 7, подключенным к усилителю 8 постоянного тока. Свободный вывод второй компенсационной обмотки 4 подсоединен к входу усилителя 9 переменного напряжения, подключенного к синхронному детектору 10, выход которого соединен с усилителем 11 постоянного тока. Выход усилителя 8 соединен с входом схемы 12 выделения большего сигнала, а выход усилителя 11 - с вторым входом схемы 12. Выход схемы 12 подключен к регистратору 13. Особенностью предлагаемого двухканального устройства является то, что к определенному каналу можно отнести лишь ту или иную из компенсационных катушек 3 или 4. Генераторная 1 и приемная 2 катушки являются общими для обоих каналов.

Схема 12 выделения большего сигнала в простейшем исполнении содержит два диодных элемента, у которых одни одноименные выводы соединены с выходами усилителей 8 и 11, а другие одноименные выводы объединены и подключены к общей нагрузке, например входному сопротивлению регистратора 13. Аналогично тому, как это происходит при выпрямлении двух переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 180^о или 120^о, диодные элементы схемы 12 пропускают на общую нагрузку наибольший по величине сигнал, имеющий к тому же необходимую полярность.

Индукционный зонд устройства (фиг. 2) содержит генераторную 1, приемную 2, компенсационную 3 и вторую компенсационную 4 катушки. Компенсационная катушка 3 приближена к генераторной катушке 1 и более удалена от приемной катушки 2. Вторая компенсационная катушка 4, наоборот, более приближена к приемной катушке 2, чем к генераторной катушке 1. Оси всех катушек параллельны друг другу и лежат в плоскости разреза. На фиг. 2 показаны расстояния l_гп, l_гк⁽¹⁾, l_гк⁽²⁾ от центра генераторной катушки 1 соответственно до центров приемной катушки 2, компенсационной катушки 3 и второй компенсационной катушки 4. Наибольшее расстояние l_гп принимается за длину зонда. Катушки закреплены на изготовленном из изоляционного материала основании 14 с площадкой, по отношению к второй оси катушек расположены перпендикулярно. Благодаря подвеске основания на тросс-кабеле 15 с помощью растяжек 16 площадка основания 14 устанавливается параллельно, а оси катушек 1, 2, 3 и 4 перпендикулярно предполагаемой горизонтальной поверхности среды 17. Расстояние от центров катушек до поверхности среды 17 обозначено h. Выбор данного варианта ориентирующего приспособления из других возможных объясняется тем, что наружную поверхность рудосодержащей породы, насыпанной в вагонетку или самосвал, в первом приближении можно рассматривать в качестве горизонтальной поверхности, хотя и осложненной некоторой конусностью.

Расчетные графики геометрических факторов (фиг. 3) выражают зависимость сигналов от расстояния h между центрами катушек 1, 2, 3, 4 и поверхностью среды 17. Кривая 18 представляет эту зависимость для первого канала, содержащего компенсационную катушку 3, которая приближена к генераторной катушке 1, и элементы 6, 7 и 8 усилительно-преобразовательной схемы. Кривая 19 характеризует зависимость от h сигнала второго канала, содержащего компенсационную катушку 4, которая приближена к приемной катушке 2, и элементы 9, 10 и 11 второй усилительно-преобразовательной схемы. Геометрический фактор G устройства в целом, выражающий зависимость от h сигнала на выходе схемы выделения большего сигнала 12, состоит из частей кривых 18 и 19, соприкасающихся в точке их пересечения и показанных на фиг. 3 сплошными линиями. При изменении расстояний между центрами катушек l_гк⁽¹⁾ и l_гк⁽²⁾геометрические характеристики зонда изменяются (кривые 20 и 21).

Работа предложенного устройства заключается в следующем. Генераторная катушка 1 создает в окружающем пространстве переменное магнитное поле. В воздухе при отсутствии магнитной среды это поле индуцирует во встречно включенных обмотках приемной катушки 2 и компенсационной катушки 3 (катушки 4) одинаковые по амплитуде, но противоположные по фазе ЭДС, которые взаимно компенсируют друг друга. При расположении зонда над исследуемой средой 17 полем генераторной катушки 1 происходит ее намагничивание. Появляющееся вторичное магнитное поле индуцирует в обмотках приемной 2, компенсационной 3 и второй компенсационной 4 катушек различные по амплитуде ЭДС. В результате чего на входе усилителя 6 появляется ЭДС Δε₁, равная разности вторичных ЭДС приемной 2 и компенсационной 3 катушек, а на входе усилителя 9 - ЭДС Δε₂, равная разности вторичных ЭДС приемной 2 и второй компенсационной 4 катушек. Разностные ЭДС Δε₁ и Δε₂ достигают максимальных значений там же, где и геометрические факторы, например 18 и 19, т. е. при различных расстояниях h центров катушек от поверхности исследуемой среды. Значительное преобладание максимального значения Δε₁ над максимальным значением Δε₂ нивелируются благодаря меньшему коэффициенту передачи напряжения усилительно-преобразовательной схемы, содержащей элементы 6, 7 и 8, по сравнению с коэффициентом передачи второй усилительно-преобразовательной схемы, содержащей элементы 9, 10 и 11. Разностные ЭДС Δε₁ и Δε₂ усиливаются усилителями 6 и 9, выпрямляются синхронными детекторами 7 и 10. После фильтрации постоянные или медленно меняющиеся сигналы усиливаются усилителями 8 и 11 и поступают на два входа схемы 12 выделения большего сигнала. Эта схема пропускает на вход регистратора 13 тот сигнал, который оказался большим при данном расстоянии h. По величине фиксируемого в аналоговой или цифровой форме результата определяется магнитная восприимчивость среды 17.

Благодаря наличию максимумов у кривых геометрического фактора 18 и 19 (20 и 21) существенно уменьшается влияние изменений воздушного зазора между площадкой основания зонда и поверхностью исследуемой среды, а также влияние неровностей этой поверхности.

Максимумы кривых 18 и 20 оказались значительно более пологими и достигаются при больших абсциссах h_макс 0,6 l о сравнению с известным устройством, для которого h_макс = 0,2 l_гп [3] . Это преимущество предлагаемого устройства возникает благодаря расположению осей всех катушек перпендикулярно площадке основания 14, а, следовательно, и поверхности исследуемой среды, в то время как у известного устройства оси катушек параллельны этой поверхности. Благодаря введению второго канала с компенсационной катушкой 4 и второй усилительно-преобразовательной схемой с элементами 9, 10, 11, а также применению схемы 12 выделения большего сигнала, у кривой геометрического фактора устройства появляется второй максимум, что существенно расширяет допустимый диапазон изменения расстояния h. Все это повышает точность магнитного опробования, позволяет производить бесконтактные измерения и измерения в движении исследуемого объекта.

Работа устройства и расчет его характеристик базируются на следующих теоретических предпосылках.

Как известно, разностные ЭДС в случае плоской поверхности среды можно выразить формулами Δε₁ = ε_oG₁κ' _Δε2 = ε_oG₂ κ', (1) причем κʹ= κ/(1+0.5κ), (2) где κ - магнитная восприимчивость среды в системе СИ; κ' - кажущаяся восприимчивость; ε_o - ЭДС приемной 2, компенсационной 3 и второй компенсационной 4 катушек в воздухе; G₁ - геометрический фактор зонда, учитывающий взаимодействие со средой индукционной системы генераторная катушка 1 - приемная катушка 2 - компенсационная катушка 3; G₂ - геометрический фактор зонда, учитывающий взаимодействие со средoй индукционной системы генераторная катушка 1 - приемная катушка 2 - вторая компенсационная катушка 4.

В случае ориентирования осей катушек перпендикулярно плоской поверхности при условии пренебрежения влиянием конечных размеров катушек геометрические факторы представляются формулами: G₁= 0.5 1+42- 0,51+4 2- ; (3) G₁= 0.5 1+42- 0,51+4 2- ; (4)
Как показывают расчеты, функции G₁ и G₂ достигают максимумов в некоторых точках h⁽¹⁾_макс и h⁽²⁾_макс, принимая там наибольшие значения G_1макс и G_2макс. Так как длина l_гк⁽¹⁾ < l_гк⁽²⁾, то высота h⁽¹⁾_макс < h⁽²⁾_макс, но максимум G_1макс значительно преобладает над G_2макс.

Разностные ЭДС Δε₁ и Δε₂ преобразуются на выходах усилителей 8 и 11 в напряжения Δ U₁ и Δ U₂ сигналов
Δ U₁ = k₁ ε_oG₁κ' ; Δ U₂ = k₂ ε_oG₂ κ' , (5) где k₁ - коэффициент передачи по напряжению усилительно-преобразовательной схемы с элементами 6, 7 и 8;
k₂ - коэффициент передачи по напряжению второй усилительно-преобразовательной схемы с элементами 9, 10 и 11.

Соотношение между этими коэффициентами должно быть выбрано таким, чтобы обеспечивалось выравнивание максимальных сигналов Δ U_1макс= Δ U_2макс. Как видно из формулы (5), это возможно при выполнении равенства k₁G_1макс = k₂G_2макс, из которого следует необходимое значение отношения τ коэффициентов передач
τ= k₁/k₂= G_2макс/G_1макс . (6)
На практике обе усилительно-преобразовательные схемы лучше выполнять с одинаковыми характеристиками, ослабляя сигнал Δε₁ на входе усилителя 6 переменного тока с помощью резисторного делителя в 1/τ раз.

Схема 12 выделения большего сигнала пропускает больший из сигналов Δ U₁ или Δ U₂ на вход регистратора. Соотношение между сигналами Δ U₁ и Δ U₂ зависит в силу формул (5) и (6) от соотношения между величинами τ G₁ и G₂, из которых при относительно меньших расстояниях h преобладает τ G₁, а при больших h - G₂.

Таким образом, учитывая наличие схемы 12 выделения большего сигнала, на основании формул (5) и (6) можно ввести общий геометрический фактор G устройства, определяемый равенствами G= (7)
Расчетные кривые геометрического фактора G для двух вариантов конструкции зонда как функции отношения высоты h к длине зонда l_гпприведены на фиг. 3.

В первом варианте расстояния от центра генераторной катушки 1 до центров компенсационных катушек 3 и 4 принимаются равными l_кг⁽¹⁾ = 0,3 _lгп и l_гк⁽²⁾ = 0,7 l_гп. По рассчитанным по формулам (3) и (4) значениям G₁ и G₂ находились максимальные значения G_1макс и G_2макс и по формуле (6) вычислено τ = 0,42. Кривая 18 фиг. 3, изображающая график τ G₁, и кривая 19, изображающая график G₂, пересекаются в точке h/l_гп = 0,74. По обе стороны от этой точки ветви кривых, отвечающие преобладающим значениям геометрических факторов, изображены сплошными линиями, а ветви кривых с пониженными значениями τ G₁ и G₂ - пунктирными линиями. В силу формул (7) сплошная кривая, составленная из сплошных ветвей графиков 18 и 19 и имеющая небольшой локальный минимум в указанной точке, и является графиком общего геометрического фактора G.

Если исходить из приемлемой погрешности вследствие влияния высоты h и неровностей поверхности среды в ±10% допустимый диапазон изменения h при номинальном значении геометрического фактора G = 0,034 простирается от h₁ = 0,51 l_гп до h₂ = 1,06 l_гп, а его протяженность h₂ - h₁ = 0,55 l_гп. Значение оптимальной высоты h составляет h_опт = 0,79 l_гп. Например, при длине зонда l_гп = 100 см оптимальная высота h_опт = 79 см, а допустимые отклонения h от нее составляют ±28 см.

Если принять допустимую ошибку из-за изменений h в пределах ±5% , то номинальное значение геометрического фактора составит G = 0,037, а h₁ = 0,56 l_гп, h₂ = 0,95 l_гп и h₂ - h₁ = 0,39 l_гп. Оптимальная высота при этом равна h_опт = 0,76 l_гп, а допустимые отклонения от нее - ±0,20 l_гп.

Во втором варианте расстояния от центра генераторной катушки 1 до центров компенсационных катушек 3 и 4 принима- ются равными: l_гп⁽¹⁾ = 0,2 l_гп и l_гп⁽²⁾ = 0,8 l_гп. На основании расчетных данных для G₁ и G₂ по формуле (6) определено значение τ= 0,25.

При допустимой погрешности ±10% и номинальной величине геометрического фактора G = 0,0215 граничные высоты составляют: h₁ = 0,49 l_гп и h₂ = 1,13 l_гп, а протяженность допустимого интервала h₂ - h₁= = 0,64 l_гп. Оптимальная высота h_опт = 0,81 l_гп, а приемлемые отклонения от нее ±0,32 l_гп. Следовательно, при длине зонда l_гп = 100 см оптимальная высота h_опт = 81 см, а допустимые отклонения h от нее достигают ±32 см.

Если снизить допустимую ошибку до ±5% , то номинальное значение G = 0,0227, h₁ = 0,52 l_гп, h₂ = 1,02 l_гп и h₂ - h₁ = 0,5 l_гп. Оптимальная высота в этом случае h_опт = 0,77 l_гп, а возможные отклонения от нее - ±25 l_гп.

Глубинность исследования h_гл, определенная по толщине слоя среды, который дает 90% вклад в сигнал Δε₁, составляет для первого варианта зонда 1,9 l_гп, а для второго варианта 2 l_гп. Еще больше величина h_гл для канала регистрации сигнала Δε₂.

Для проверки теоретических данных был изготовлен лабораторный макет с отношениями длин l_гк⁽¹⁾/l_гп и l_гк⁽²⁾/_lгп, отвечающими первому рассмотренному варианту зонда. Генераторная 1 и приемная 2 катушки макета были выполнены одинаковыми с наружным диаметром обмотки 20 мм и высотой 10 мм с количеством витков W = 3000. Для увеличения чувствительности генераторная катушка 1 снабжалась ферромагнитным сердечником. Компенсационные катушки 3 и 4 имели меньшие размеры, а количество витков в них подбиралось из условия компенсации ЭДС приемной катушки 2 в воздухе. Расстояния центров приемной 2, компенсационной 3 и второй компенсационной 4 катушек от центра генераторной катушки были выбраны следующими: l_гп = 100 мм, l_гк⁽¹⁾ = 30 мм, l_гк⁽²⁾ = 70 мм. На генераторную катушку 1 подавалось синусоидальное напряжение 50 В частотой 1000 Гц. Первичная ЭДС в воздухе на катушках 2, 3 и 4 составила ε_o = 20,5 мВ. Методом отраженного источника для различных расстояний h измерялись вторичные ЭДСΔε₁ и Δε₂ и по формулам (1) и (7) при максимальном значении κ = 2 СИ вычислялись величины геометрического фактора. Экспериментальные значения G в пределах точности измерений хорошо согласуются с теоретическими данными (точки на фиг. 3). Таким образом, графики фиг. 3 могут быть использованы при конструировании индукционных зондов предлагаемого устройства с реальными габаритными размерами.

По сравнению с известным устройством [3] предлагаемое при той же длине зонда обладает рядом существенных преимуществ: значительно пониженным влиянием неровностей поверхности исследуемой среды, в несколько раз увеличенными оптимальным расстоянием h_опт до этой поверхности и допустимые диапазоном отклонений от h_опт, а также в 2 раза большей глубинностью исследований.

Например, допуская погрешность ±5% , при одинаковой длине l_гп = 100 см зондов имеем: h_опт = 77 см с отклонением h от h_опт в пределах ±25 см в случае предлагаемого устройства с l_гк⁽¹⁾ = 20 см и l_гк⁽²⁾ = 80 см; для известного же зонда h_опт = 25 см при допустимом отклонении от h_опт - ±9 см.

Таким образом, предлагаемое устройство повышает точность определения магнитной восприимчивости и магнитного опробования. Кроме того, оно впервые позволяет проводить магнитное опробование бесконтактным методом и в процессе движения транспортного средства с железосодержащей породой (вагонетки, самосвала). (56) 1. Рудничный измеритель магнитного влияния среды РИМВ-I. Каталог геофизической аппаратуры. М. : Недра, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР N 1018088, кл. G 01 V 3/18, 1983.

3. Авторское свидетельство СССР N 555822, кл. G 01 V 3/165, 1976.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРОБОВАНИЯ МАГНЕТИТОВЫХ РУД, содержащее генераторную, приемную и компенсационную катушки, оси которых параллельны одна другой и лежат в одной плоскости, основание для закрепления катушек с площадкой, устанавливаемой параллельно поверхности исследуемой среды, генератор синусоидального напряжения, усилительно-преобразовательную схему и регистратор, причем выводы генераторной катушки подключены к генератору синусоидального напряжения, один из выводов приемной катушки соединен с общей шиной, а другой вывод соединен с выводом встречно подключенной компенсационной катушки, свободный вывод которой подключен к входу усилительно-преобразовательной схемы, отличающееся тем, что оно снабжено второй компенсационной катушкой, второй усилительно-преобразовательной схемой и схемой выделения большего сигнала, при этом оси всех катушек расположены перпендикулярно площадке основания, вторая компенсационная катушка одним выводом соединена с объединенными выводами приемной и компенсационной катушек, а другим выводом подключена к входу второй усилительно-преобразовательной схемы, выходы первой и второй усилительно-преобразовательных схем соединены с соответствующими входами схемы выделения большего сигнала, выход которой подключен к регистратору.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3