Способ автоматической коррекции градуировки датчиков и датчик рентгенофлуоресцентного контроля химсостава сырья в транспортном потоке

 

Изобретение относится к области спектрометрических измерений состава веществ. Способ включает установку стандартных образцов или эталонных сред на конструктивных элементах датчика, периодическое по заданной программе без вывода датчика за пределы транспортного потока перемещение стандартных образцов или эталонных сред и зондового устройства датчика относительно друг друга, регистрацию величины измеряемого параметра каждого стандартного образца или эталонных сред и коррекцию по результатам измерения градуировочных уравнений датчика. Датчик содержит цилиндрический кожух, внутри которого установлено зондовое устройство, включающее станину, источник излучения, детектор. Снаружи кожуха установлен с возможностью вращения от привода второй цилиндрический кожух, на внутренней поверхности которого установлены эталонные среды. Цилиндрические кожухи имеют окна для выхода и приема соответственно первичного и вторичного излучений. Зондовое устройство установлено напротив окна внутреннего цилиндрического кожуха и жестко закреплено в нем. Техническим результатом изобретения является снижение трудоемкости коррекции градуировки датчиков и повышение оперативности управления технологическими процессами за счет автономного автоматического выполнения всех необходимых операций по осуществлению коррекции без вывода датчика за пределы транспортного потока. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретения относятся к исследованию или анализу материалов путем определения их химических или физических свойств, в частности к рентгенорадиометрическим методам, и могут быть использованы для радиоизотопного анализа минерального и техногенного сырья в транспортном потоке.

Датчики контроля химсостава сырья являются обязательным элементом систем непрерывного автоматического контроля качества минерального сырья в транспортном потоке. Все они при запуске в работу используют градуировку, полученную путем измерения вне транспортного потока стандартных образцов или эталонных сред, содержащих известную концентрацию элемента минерального сырья. По результатам этих измерений устанавливают функциональную связь измеряемого датчиком физического параметра анализируемого химического элемента сырья с его содержанием (концентрацией). Эта функциональная связь в виде градуировочного уравнения закладывается в память компьютера и после помещения датчика в транспортный поток используется как рабочая.

В процессе эксплуатации датчика за счет аппаратурной нестабильности или дрейфа энергетической шкалы происходит изменение (искажение) первоначального градуировочного уравнения и результаты анализа химсостава сырья становятся недостоверными. Кроме того, при большом диапазоне изменения содержания анализируемого элемента в сырье одного градуировочного уравнения для получения достоверного результата измерения бывает недостаточно. В этом случае в память компьютера закладывается несколько рабочих градуировочных уравнений датчика. Указанные обстоятельства предопределяют необходимость выполнения операции коррекции градуировки датчика.

Известен способ коррекции градуировки датчика [1], при котором датчик демонтируют с места своей установки в транспортном потоке и выводят за его пределы. Обслуживающий персонал вручную устанавливает датчик поочередно на каждый стандартный образец или эталонную среду и регистрирует измеряемый физический параметр. По результатам измерений всех стандартных образцов или эталонных сред рассчитывают новое градуировочное уравнение, которое заносят в память компьютера системы автоматического контроля качества.

Известный способ весьма трудоемок и не обеспечивает достаточной оперативности управления технологическими процессами, т. к. на время коррекции система фактически не контролирует качество сырья в транспортном потоке. Кроме того, в процессе демонтажа и монтажа датчика возможны нарушения его конструкции, что негативно отразится на его работоспособности.

Известен способ коррекции градуировки датчика [2], при котором датчик по направляющим выводится за пределы транспортного потока на специальную "градуировочную линейку", содержащую необходимый набор стандартных образцов или эталонных сред. Перед выводом датчика обслуживающий персонал должен подготовить каждый стандартный образец или эталонную среду "линейки" к предстоящим измерениям. Далее производится измерение всех стандартных образцов или эталонных сред и корректируется первоначальное градуировочное уравнение. После измерения датчик возвращают на рабочее место в транспортный поток, и он продолжает выполнять свои функции с новым градуировочным уравнением, заложенным в память компьютера.

Этот способ коррекции градуировки также достаточно трудоемок, требует присутствия обслуживающего персонала, а процесс вывода датчика из транспортного потока хоть и не требует демонтажа датчика, тем не менее, любые нарушения режима перемещения датчика приводят к аварийным ситуациям.

Известно устройство для автоматического непрерывного контроля содержания полезного компонента в веществе, находящемся на конвейерной ленте, содержащее датчик контроля в составе источника гамма-излучения и детектора, выходной сигнал которого обрабатывает электронная схема преобразования сигнала [3].

Основным недостатком известного датчика в составе устройства для автоматического непрерывного контроля содержания является невозможность его переградуировки без снятия с места установки и тем более ее автоматической корректировки.

Наиболее близким к заявляемому является датчик, включенный в устройство для анализа качества потока сыпучего материала на ленте конвейера [4]. Датчик содержит установленный с возможностью вращения от привода цилиндрический кожух, внутри которого установлено зондовое устройство в составе станины, источника радиоактивного излучения и детектора.

Данный датчик также не обеспечивает автоматический контроль вида градуировочной связи измеряемого датчиком аналитического параметра с содержанием в материале анализируемого химического элемента. Для переградуировки датчика необходимо снятие его с рабочего места и установка на градуировочные стандарты.

Предлагаемыми изобретениями решается задача снижения трудоемкости процесса коррекции градуировки, повышения автономности его выполнения и оперативности управления технологическим процессом за счет автоматического выполнения всех необходимых операций коррекции градуировки без участия обслуживающего персонала и вывода датчика за пределы транспортного потока.

Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе, включающем установку датчика на стандартные образцы или эталонные среды и корректировку градуировочных уравнений по результатам измерений, стандартные образцы или эталонные среды размещают на конструктивных элементах датчика, периодически по заданной программе без вывода датчика за пределы транспортного потока перемещают стандартные образцы или эталонные среды и зондовое устройство датчика относительно друг друга, регистрируют величину измеряемого параметра каждого стандартного образца или эталонной среды, сопоставляют его с текущими значениями измеряемого параметра анализируемого элемента сырья и корректируют рабочее градуировочное уравнение датчика.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в размещении стандартных образцов или эталонных сред непосредственно на конструктивных элементах датчика, перемещении стандартных образцов или эталонных сред и зондового устройства датчика относительно друг друга, при этом операция перемещения выполняется периодически по заданной программе без вывода датчика за пределы транспортного потока и участия обслуживающего персонала, регистрации величины измеряемого параметра каждого стандартного образца или эталонной среды, сопоставлении ее с текущими значениями измеряемого параметра анализируемого элемента сырья и коррекции рабочего градуировочного уравнения датчика. Это позволяет автоматически, без участия обслуживающего персонала, т.е. автономно и с минимальной трудоемкостью, осуществить коррекцию градуировки датчика, а выполнение этой операции без вывода датчика за пределы транспортного потока и с минимальным временем "опроса" стандартных образцов или эталонных сред датчика повышает оперативность управления технологическим процессом и надежность работы датчиков и всей системы в целом за счет исключения вероятности возникновения аварийных ситуаций, связанных с перемещением датчика из транспортного потока и обратно.

Для достижения названного технического результата предлагаемый датчик рентгенофлуоресцентного контроля химсостава сырья в транспортном потоке, содержащий установленные внутри цилиндрического кожуха зондовое устройство, включающее станину, источник радиоактивного излучения и пропорциональный детектор, снабжен установленным снаружи цилиндрического кожуха с возможностью вращения от привода вторым цилиндрическим кожухом, на внутренней поверхности которого установлены стандартные образцы или эталонные среды с различной концентрацией анализируемого элемента сырья, оба кожуха имеют окна для выхода и приема соответственно первичного и вторичного излучений, а зондовое устройство размещено напротив окна цилиндрического кожуха и жестко закреплено в нем.

Дополнительно изобретением решается задача уменьшения критичности датчика к высоким температурам окружающей среды, что достигается выполнением в станине зондового устройства каналов для циркуляции охлаждающей среды.

Кроме того, решается задача повышения точности контроля концентраций при анализе легких химических элементов (начиная с фосфора) за счет снижения влияния аргона воздуха на результаты измерения. Для решения этой задачи детектор зондового устройства снабжен защитным экраном.

Отличительными признаками предлагаемого датчика от известного, наиболее близкого к нему, является установка с возможностью вращения от привода второго цилиндрического кожуха, наличие на его внутренней поверхности стандартных образцов или эталонных сред с различной концентрацией анализируемого материала, выполнение в обоих кожухах окон для выхода и приема соответственно первичного и вторичного излучений, размещение зондового устройства напротив окна цилиндрического кожуха и жесткое закрепление в нем.

Благодаря наличию этих признаков при работе датчика возможна автоматическая корректировка градуировочной связи датчика без перемещения его с места установки. Для этого через определенные интервалы времени программным путем задается вращение второму наружному цилиндрическому кожуху таким образом, чтобы под зондовое устройство поочередно устанавливались размещенные на его внутренней поверхности стандартные образцы или эталонные среды. По результатам этих замеров корректируется градуировочное уравнение, заложенное в память компьютера, к которому подключен датчик через любой энергодисперсный спектрометр.

Наличие в станине зондового устройства каналов для циркуляции охлаждающей среды позволяет стабилизировать температурный режим датчика, что также способствует повышению точности контроля анализируемого параметра материала.

Применение защитного экрана на детекторе зондового устройства исключает попадание в него возбужденных первичным излучением источника гамма-квантов аргона воздуха, энергия которых близка к энергии анализируемых элементов материала, что также оказывает положительное влияние на точность контроля при измерении концентраций легких химических элементов.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены: на фиг.1 - продольный разрез датчика; на фиг.2 - разрез по сечению I-I фиг.1.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Стандартные образцы или эталонные среды размещают непосредственно на конструктивных элементах датчика, смонтированного над транспортным потоком анализируемого сырья и являющегося обязательным элементом системы автоматического контроля качества сырья. В память компьютера системы заложено рабочее градуировочное уравнение, определяющее характер функциональной связи интенсивности флуоресцентного и рассеянного гамма-излучения от содержания анализируемого химического элемента, содержащегося в перемещаемом транспортным потоком сырье. Если диапазон изменения содержания элемента в сырье не позволяет с заданной надежностью определить характер функциональной связи, в память компьютера закладывают несколько градуировочных уравнений. Периодически по заданной программе без вывода датчика за пределы транспортного потока и вмешательства обслуживающего персонала перемещают стандартные образцы или эталонные среды и зондовое устройство датчика относительно друг друга. При этом осуществляют последовательный "опрос" и регистрацию измерения каждого стандартного образца или эталонной среды. По результатам измерения, в случае изменения (искажения) первоначального градуировочного уравнения выполняют его коррекцию, а при сохранении функциональной связи датчик продолжает работать без изменения первоначального градуировочного уравнения. При "опросе" стандартных образцов или эталонных сред сопоставляют регистрируемые с образцов физические параметры с аналогичными текущими в анализируемом сырье. По результатам этого сопоставления, в случае изменения содержания анализируемого элемента в сырье до величины, соответствующей другому виду функциональной связи, компьютер переходит на другое градуировочное уравнение, которое обеспечит необходимый уровень достоверности измерений.

Таким образом, коррекцию градуировки датчика предлагаемым способом осуществляют автоматически, без участия обслуживающего персонала и вывода датчика за пределы транспортного потока.

Датчик рентгенофлуоресцентного контроля химсостава сырья в транспортном потоке состоит из цилиндрического кожуха 1 с окнами 2 для выхода и приема соответственно первичного и вторичного радиоактивного излучения (на фиг.2 направление распространения указанных излучений условно обозначено стрелками). Снаружи цилиндрического кожуха 1 и концентрично ему на валу 3 установлен второй цилиндрический кожух 4 с окном 5 для выхода и приема указанных излучений. Второй цилиндрический кожух 4 имеет возможность вращения на валу 3 относительно цилиндрического кожуха 1 от привода, включающего, например, электродвигатель 6 и редуктор 7, ведомая шестерня которого соединена со вторым цилиндрическим кожухом 4. На внутренней поверхности второго цилиндрического кожуха 4 установлены стандартные образцы или эталонные среды 8, имеющие различную концентрацию анализируемого элемента. Внутри цилиндрического кожуха 1 установлено зондовое устройство, включающее станину 9, источник 10 радиоактивного излучения, пропорциональный детектор 11, а также электронные схемы 12 обеспечения работы датчика. Зондовое устройство размещено напротив окна 2 цилиндрического кожуха 1 и жестко закреплено в кожухе. В станине 9 зондового устройства выполнены каналы 13 для циркуляции охлаждающей среды, что необходимо для обеспечения нормальной работы датчика в условиях высоких температур окружающей среды. В целях обеспечения нормальной точности работы датчика при анализе легких химических элементов детектор 11 зондового устройства снабжен защитным экраном 14. Датчик на консольной подвеске 15 устанавливают над потоком сыпучего материала 16, перемещаемого конвейерной лентой 17. В целях обеспечения постоянства расстояния от датчика до поверхности анализируемого материала поверхность материала сглаживают специальным механическим устройством.

Датчик рентгенофлуоресцентного контроля химсостава сырья в транспортном потоке работает следующим образом.

Перед началом эксплуатации датчика по результатам измерений стандартных образцов или эталонных сред определяют функциональную зависимость интенсивности флуоресцентного и рассеянного (вторичного) гамма-излучения от концентрации анализируемого химического элемента, содержащегося в контролируемом материале. Экспериментальными исследованиями установлено, что каждому диапазону изменения концентрации анализируемого элемента соответствует свое градуировочное уравнение, которое обеспечивает заданную точность определения анализируемого параметра. Полный диапазон изменения концентрации анализируемого элемента, как правило, превышает диапазон, удовлетворяющий одному градуировочному уравнению, и для обеспечения заданной точности определения контроля требуется переход на другое градуировочное уравнение. Поэтому в память компьютера заложено несколько градуировочных уравнений, которые "закреплены" стандартными образцами или эталонными средами 8, установленными на внутренней поверхности второго цилиндрического кожуха 4, установленного с возможностью вращения от привода в составе электродвигателя 6 и редуктора 7.

С использованием консольной подвески 15 датчик размещают над потоком анализируемого материала (конвейерная лента, дисковые и ленточные питатели, течки) и подключают к любому энергодисперсионному спектрометру (на чертежах не указан). Размещенные в зондовом устройстве радиоизотопные источники 10 через окна 2 и 5, выполненные, соответственно, в кожухах 1 и 4, облучают проходящий под датчиком материал 16 и возбуждают в нем характеристическое излучение определяемых элементов. Детектор 11 датчика принимает через указанные выше окна характеристическое излучение определяемых элементов, фиксирует его, формирует спектр, сигнал усиливается в электронной схеме 12 обеспечения работы датчика и передается на обработку в спектрометр.

В процессе эксплуатации датчика через заданные интервалы времени программным путем задается движение вокруг оси 3 второму цилиндрическому кожуху 4 таким образом, чтобы под зондовое устройство поочередно устанавливались размещенные на его внутренней поверхности стандартные образцы или эталонные среды 8. По результатам этих замеров компьютер корректирует градуировочное уравнение и переходит на то, которое обеспечит заданную точность определения анализируемого параметра. Если содержание анализируемого элемента в этот момент находится в пределах диапазона концентраций соответствующего установленному на заданный момент градуировочному уравнению, компьютер продолжает работать с ним.

Таким образом, заявляемая совокупность существенных признаков датчика позволяет снизить трудоемкость процесса коррекции градуировки, повысить автономность его работы и оперативность управления технологическим процессом. При этом не требуется вывод датчика за пределы транспортного потока.

Первичное излучение источников 10 сопровождается возникновением в пространстве вблизи детектора 11 возбужденных гамма-квантов аргона воздуха, которые фиксирует детектор. В случае анализа легких элементов спектр излучения будет "смазан" и затруднено выделение сигнала анализируемого элемента. Установка защитного экрана 14, имеющего узкое окно для приема вторичного излучения, исключает это явление.

Установка зондового устройства внутри двух цилиндрических кожухов обеспечивает надежную радиационную защиту персонала от фоновых излучений.

Источники информации 1. Гельфанд М. Е., Калошин В.М., Ходоров Г.П. Радиоизотопные приборы в промышленности. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1986 г.

2. Прибор РКТП-1 для непрерывного контроля зольности углей. Уголь, 1981 г., 5, стр.58-60 (прототип).

3. Авторское свидетельство СССР 1563390, класс G 01 N 23/203.

4. Авторское свидетельство СССР 1073646, класс G 01 N 23/00, B 65 G 43/08 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ автоматической коррекции градуировки датчиков, преимущественно систем рентгенорадиометрического анализа, включающий установку датчика на стандартные образцы или эталонные среды и корректировку градуировочных уравнений по результатам измерений, отличающийся тем, что стандартные образцы или эталонные среды размещают на конструктивных элементах датчика, периодически по заданной программе без вывода датчика за пределы транспортного потока перемещают стандартные образцы или эталонные среды и зондовое устройство датчика относительно друг друга, регистрируют величину измеряемого параметра каждого стандартного образца или эталонной среды, сопоставляют его с текущими значениями измеряемого параметра анализируемого элемента сырья и корректируют рабочее градуировочное уравнение.

2. Датчик рентгенофлуоресцентного контроля химсостава сырья в транспортном потоке, содержащий установленное внутри цилиндрического кожуха зондовое устройство, включающее станину, источник радиоактивного излучения, детектор, и электронные схемы обеспечения детектора, отличающийся тем, что он снабжен установленным снаружи цилиндрического кожуха с возможностью вращения от привода относительно него вторым цилиндрическим кожухом, на внутренней поверхности которого установлены стандартные образцы или эталонные среды с различной концентрацией анализируемого материала, оба кожуха имеют окна для выхода и приема соответственно первичного и вторичного излучений, а зондовое устройство размещено напротив окна цилиндрического кожуха и жестко закреплено в нем.

3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что в станине зондового устройства выполнены каналы для циркуляции охлаждающей среды.

4. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что детектор зондового устройства снабжен защитным экраном.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2