Способ разделения минералов по их люминесцентным свойствам
Владельцы патента RU 2355483:
Открытое акционерное общество "НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "БУРЕВЕСТНИК" (RU)
Изобретение относится к области добычи полезных ископаемых, а именно к способам обогащения дробленого минерального материала. Способ включает транспортирование потока разделяемого материала, импульсное облучение этого материала возбуждающим излучением, регистрацию интенсивности сигнала люминесценции минерала, обработку этого сигнала для определения нормированной автокорреляционной функции и сравнение нормированной автокорреляционной функции с заданным значением. Причем в реальном времени осуществляют параллельно регистрацию интенсивности сигнала люминесценции минерала в нескольких диапазонах значений: с фиксированным коэффициентом усиления и одновременно с N-кратным уменьшением коэффициента усиления, обработку сигнала люминесценции минерала для определения нормированной автокорреляционной функции, а также дополнительную обработку регистрируемого сигнала проводят в диапазоне его достоверных значений. Выделяют полезный минерал из разделяемого материала в том случае, если полученные значения всех определяемых характеристик регистрируемого сигнала люминесценции находятся в предварительно заданном для каждой из них диапазоне. Изобретение позволяет повысить селективность разделения обогащаемого минерала от вмещающего материала и сопутствующих минералов в режиме реального времени. 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых, а именно способам обогащения дробленого минерального материала, использующим возникающую под воздействием возбуждающего излучения люминесценцию обогащаемых минералов для их обнаружения. Такой способ может быть использован как в рентгенолюминесцентных сепараторах на всех стадиях обогащения, так и в устройствах контроля продукции, например алмазосодержащего сырья.
При рентгенолюминесцентной сепарации используют свойство минералов генерировать излучение в оптической области спектра под воздействием рентгеновского излучения. При этом как интенсивность, так и кинетические характеристики люминесценции зависят от вида минерала.
Для повышения селективности извлечения обогащаемого минерала в известных способах рентгенолюминесцентной сепарации используют кинетические характеристики сигнала люминесценции, регистрируемые как во время воздействия рентгеновского излучения, так и после него.
Например, известен способ сепарации минералов (SU 1510185 А1, В03В 13/06, В07С 5/346, 20.08.1995), включающий импульсное возбуждение люминесценции минералов, измерение начальной и текущей амплитуд сигналов затухания люминесценции, разделение минералов по интервалу времени, пропорциональному постоянной времени затухания люминесценции. Недостатки этого способа - не учитывается люминесценция во время импульса возбуждения (т.н. быстрая, короткоживущая компонента - БК люминесценции), существенно различающаяся для алмазов и сопутствующих минералов; кроме того, использование способа ограничено амплитудным диапазоном устройства регистрации. Этот недостаток является существенным, поскольку интенсивность люминесценции минералов может различаться на несколько порядков. Вследствие указанных недостатков в обогащаемый продукт (концентрат) кроме полезного минерала попадут сопутствующие минералы с относительно короткой, но интенсивной люминесценцией. Это приведет к существенному ухудшению селективности.
Известен также способ сепарации алмазосодержащих материалов (RU 2235599 С1, В03В 13/06, В07С 5/342, 10.09.2004), включающий возбуждение люминесценции минералов импульсным рентгеновским излучением длительностью, достаточной для разгорания медленной (долгоживущей) компоненты люминесценции, измерение интенсивности медленной компоненты люминесценции после окончания действия импульса рентгеновского излучения, определение значения критерия разделения, сравнение его с пороговым значением и отделение полезного минерала по результату сравнения, при котором определяют суммарное значение интенсивности короткой (быстрой) и медленной компонент люминесценции в момент действия импульса рентгеновского излучения, измеряют интенсивность медленной компоненты люминесценции с задержкой после окончания импульса рентгеновского излучения и определяют критерий разделения как отношение значений суммарной интенсивности быстрой и медленной компонент люминесценции к значению интенсивности медленной компоненты люминесценции.
Недостатком описанного способа является невозможность его применения в случаях выхода сигнала люминесценции за границы линейного диапазона (ограничения) устройства регистрации интенсивности, поскольку в этом случае соотношение перестает отражать свойства минерала. Этот недостаток является существенным, поскольку интенсивность люминесценции минералов в устройствах для обогащения может различаться на несколько порядков.
Известен принятый нами за прототип способ разделения минералов по их люминесцентным свойствам (RU 2271254 С2, В07С 5/342, В03В 13/06, 10.03.2006), включающий транспортирование потока сепарируемого материала, импульсное облучение этого материала возбуждающим излучением, регистрацию интенсивности сигнала люминесценции минерала, обработку этого сигнала для определения нормированной автокорреляционной функции в качестве критерия разделения и сравнение полученного значения нормированной автокорреляционной функции с заданным значением критерия разделения. Значение нормированной автокорреляционной функции определяют как значение интеграла от произведения сигнала люминесценции минерала на этот же сигнал, задержанный на заданное время, поделенное на значение интеграла от квадрата регистрируемого сигнала. Минерал выделяют из сепарируемого материала по результатам сравнения полученного значения критерия разделения с его заданным пороговым значением или, при необходимости, с двумя - нижним и верхним пороговыми значениями, т.е. полученное значение критерия проверяется на нахождение в заданном диапазоне. В качестве параметра разделения выбирается время задержки регистрируемого сигнала.
Поскольку в данном способе для разделения минералов используется нормирование автокорреляционной функции на интеграл от квадрата сигнала (нормированная автокорреляционная функция НКФ), то такой способ обеспечивает разделение минералов независимо от интенсивности сигнала люминесценции. Однако если интенсивность сигнала люминесценции превышает амплитудный диапазон устройства регистрации, то получаемое значение критерия разделения не отражает свойства минерала. Недостаток данного способа - невозможность получения правильного значения критерия разделения в случае, когда амплитудное распределение сигнала люминесценции выходит за границы диапазона линейности устройства регистрации.
Следует отметить, что использование известных устройств для расширения амплитудного диапазона регистрируемых сигналов люминесценции не позволяет преодолеть указанного недостатка.
Например, известно устройство (RU 2236312 С1, В07С 5/342, В03В 13/06, 20.09.2004) для сепарации алмазосодержащих материалов, в котором введен блок обработки сигналов люминесценции, выполненный в виде логарифмического усилителя. Однако присущий логарифмическому усилителю высокий коэффициент передачи для слабых сигналов, близких к уровню собственных шумов, приводит к значительным погрешностям. Известно также устройство для анализа характеристик люминесценции (RU №27901 U1, В07С 5/342, 27.02.2003), в котором используется входной усилитель с переключаемым коэффициентом усиления, что делает невозможным использование этого устройства в реальном времени при высокой производительности обогатительной машины.
Предлагаемое изобретение решает задачу улучшения селективности сепарации - разделения минералов в реальном времени независимо от интенсивности регистрируемых сигналов люминесценции путем учета энергетического вклада компонент люминесценции. Кроме того, предлагаемое в изобретении техническое решение позволяет повысить селективность обогащения алмазного материала разных классов, с разной интенсивностью люминесценции, в том числе транспортируемых в общем потоке сепарируемого материала, на разных стадиях обогащения.
Поставленную задачу решает предлагаемый способ разделения минералов по их люминесцентным свойствам, включающий транспортирование потока сепарируемого материала, импульсное облучение этого материала возбуждающим излучением, регистрацию интенсивности сигнала люминесценции минерала, обработку этого сигнала для определения нормированной автокорреляционной функции и сравнение полученного значения нормированной автокорреляционной функции с заданным значением, в котором в реальном времени регистрируют параллельно интенсивность сигнала люминесценции минерала в нескольких диапазонах значений: с фиксированным коэффициентом усиления и одновременно с N-кратным уменьшением коэффициента усиления, при обнаружении превышения амплитудой сигнала люминесценции заданного значения для определения энергетического вклада люминесценции минерала, дальнейшую обработку сигнала для определения нормированной автокорреляционной функции выполняют в диапазоне с N-кратным уменьшением, а также проводят дополнительную обработку сигнала для получения величины отношения интегральной интенсивности люминесценции в конце действия возбуждающего импульса к ее интегральной интенсивности через заданное время после окончания возбуждающего импульса и определения скорости люминесценции как постоянную времени экспоненты затухания на интервале значений сигнала люминесценции после завершения импульса возбуждения в диапазоне достоверных значений сигнала люминесценции, выделяют полезный минерал из сепарируемого материала в случае, если полученные значения всех определяемых характеристик сигнала люминесценции находятся в предварительно заданном для каждой из них диапазоне.
В отличие от известного, в предлагаемом способе в реальном времени регистрируют параллельно интенсивность сигнала люминесценции минерала в нескольких диапазонах значений: с фиксированным коэффициентом усиления и одновременно с N-кратным уменьшением коэффициента усиления, при обнаружении превышения амплитудой сигнала люминесценции заданного значения для определения энергетического вклада люминесценции минерала, дальнейшую обработку сигнала для определения нормированной автокорреляционной функции выполняют в диапазоне с N-кратным уменьшением, а также проводят дополнительную обработку сигнала для получения величины отношения интегральной интенсивности люминесценции в конце действия возбуждающего импульса к ее интегральной интенсивности через заданное время после окончания возбуждающего импульса и определения скорости люминесценции как постоянную времени экспоненты затухания на интервале значений сигнала люминесценции после завершения импульса возбуждения в диапазоне достоверных значений сигнала люминесценции, выделяют полезный минерал из сепарируемого материала в случае, если полученные значения всех определяемых характеристик сигнала люминесценции находятся в предварительно заданном для каждой из них диапазоне.
Совокупность отличительных признаков и их взаимосвязь с ограничительными признаками в предлагаемом изобретении обеспечивает селективность сепарации минералов в реальном времени независимо от интенсивности регистрируемых сигналов люминесценции. При этом использование в совокупности трех дополняющих друг друга характеристик сигнала люминесценции позволяет учесть для целей селекции не только энергетику люминесценции, но и ее динамическое изменение во временном интервале регистрации сигналов люминесценции, а одновременная регистрация люминесценции в нескольких кратных диапазонах значений и последующий выбор соответствующего диапазона для обработки зарегистрированного сигнала позволяет практически исключить влияние на определяемые значения каждой характеристики ограничений по диапазону линейности устройства регистрации. Принятые в качестве составляющих характеристики люминесценции являются либо безразмерными величинами, либо имеют размерность времени и не зависят от характеристик схемы возбуждения - регистрации сепаратора.
На фиг.1 представлены временные диаграммы импульсов возбуждения и сигналов регистрации люминесценции обогащаемого минерала:
а - импульсы возбуждения;
б - амплитудное распределение сигнала в основном диапазоне (сплошная линия) содержит некоторую люминесценцию минерала, но не имеет ограничения;
в - амплитудное распределение сигнала в основном диапазоне имеет ограничение, но в диапазоне с N-кратным уменьшением (пунктирная линия) ограничения нет.
На фиг.2 представлен один из возможных вариантов устройства для реализации предлагаемого изобретения.
При осуществлении предлагаемого способа разделения минералов предварительно задают для каждой определяемой характеристики люминесценции соответствующий диапазон значений. Сепарируемый материал облучают периодическими импульсами (фиг.1а) возбуждающего, например, рентгеновского излучения. Длительность импульса должна быть такой, чтобы успела разгореться медленная компонента сигнала люминесценции минерала. Регистрируют сигнал люминесценции минерала u(t) на интервале, равном периоду возбуждения. Вид сигнала при этом может соответствовать фиг.1б-в. Подробнее осуществление предлагаемого способа поясняется на примере работы устройства для реализации предлагаемого изобретения.
Устройство (фиг.2), с помощью которого реализуется предлагаемый способ, содержит транспортирующий механизм 1, блок 2 синхронизации, источник 3 импульсного облучения, фотоприемник 4, арифметико-логическое устройство 5, исполнительный механизм 6.
Транспортирующий механизм 1 обеспечивает транспортировку сепарируемого материала через зоны облучения-регистрации и отсечки с требуемой скоростью (например, со скоростью от 1 до 3 м/с). Блок 2 синхронизации задает (синхронизует) последовательность работы узлов и блоков, входящих в состав устройства. Источник 3 импульсного облучения облучает поток сепарируемого материала непрерывной последовательностью импульсов возбуждающего излучения. Фотоприемник 4 преобразует люминесценцию минерала в электрический сигнал. Арифметико-логическое устройство 5 выполняет обработку сигналов с фотоприемника 4 и сравнение полученных значений характеристик люминесценции с заданными диапазонами значений, а по результату сравнения выдает команду на отделение полезного минерала исполнительным механизмом 6.
Блок 2 синхронизации и арифметико-логическое устройство 5 могут быть совмещены и выполнены на базе персонального компьютера или микроконтроллера или как отдельные устройства на базе дискретных и аналоговых микросхем 140, 155, 176 и 561 серий.
Устройство работает следующим образом. При включении устройства запускается в работу блок 2 синхронизации, который выдает управляющую последовательность импульсов на источник 3 импульсного облучения, который формирует непрерывную последовательность импульсов возбуждающего излучения (фиг.1а) с фиксированными параметрами, например, длительностью импульсов 500 мкс и периодом повторения 4 мс, и на арифметико-логическое устройство 5. При этом в арифметико-логическое устройство 5 поступают управляющие сигналы, соответствующие не только началу и окончанию импульса возбуждающего излучения, но и сигналы задержки, формируемые через определенный промежуток времени после окончания импульса возбуждающего излучения. Перед формированием нового импульса возбуждающего излучения арифметико-логическое устройство 5 устанавливается в исходное состояние, то есть из него удаляются все предыдущие результаты обработки сигналов и их сравнения с заданными значениями.
На основании проведенных предварительных исследований полезных и сопутствующих люминесцирующих минералов (в качестве полезного минерала в данном примере выбран алмаз) в арифметико-логическом устройстве 5 в табличном виде задаются «разрешенные» диапазоны значений определяемых характеристик люминесценции: нормированная автокорреляционная функция, которая должна находиться в интервале, например, от 0,2 до 0,7, отношение интегральной интенсивности люминесценции в конце действия возбуждающего импульса к ее интегральной интенсивности через заданное время после окончания возбуждающего импульса - например, от 1 до 7 и скорость затухания сигнала люминесценции в виде постоянной времени экспоненты затухания - например, в диапазоне от 0,8 до 10 мс.
После выполнения операций по подготовке устройства к работе включается транспортирующий механизм 1 и сепарируемый материал подается в зону облучения, где облучается импульсами возбуждающего излучения (фиг.1а). При появлении в зоне облучения люминесцирующего минерала, он под действием импульса возбуждающего излучения начинает люминесцировать, а после окончания действия импульса возбуждения люминесценция минерала затухает (фиг.1б-в) в соответствии с его природными свойствами (физическими характеристиками). Во время действия возбуждающего импульса и после него интенсивность люминесценции минерала постоянно и непрерывно регистрируется в реальном времени в арифметико-логическом устройстве 5 параллельно в нескольких (например, в двух) диапазонах: с фиксированным коэффициентом усиления и одновременно с N-кратным (например, 10-кратным) уменьшением коэффициента усиления. Одновременно с регистрацией интенсивности сигнала люминесценции в двух диапазонах в этом же устройстве 5 осуществляется обработка этих сигналов по соответствующему алгоритму. При этом амплитуда сигнала люминесценции, измеренная с фиксированным коэффициентом усиления, непрерывно сравнивается с предельным значением диапазона линейности XX устройства 5 (фиг.1б-в). В случае превышения амплитудой люминесценции диапазона значений XX фиксируется перегрузка канала. В случае отсутствия перегрузки сигнала в канале с фиксированным усилением (фиг.1б) обработка ведется по данным этого канала. При фиксации перегрузки в этом канале (фиг.1в) обработка сигналов люминесценции выполняются по сигналам, регистрируемым во втором канале с 10-кратным уменьшением коэффициента усиления.
При обработке сигнала люминесценции в устройстве 5 в произвольном порядке определяются:
- интеграл сигнала люминесценции минерала в момент действия импульса возбуждающего излучения (0<t<t и фиг.1б, в). Полученное значение запоминается;
- интеграл сигнала затухания люминесценции минерала, регистрируемый через фиксированный промежуток времени после окончания импульса возбуждающего излучения (t2<t<t3);
- отношение значения интегральной интенсивности люминесценции минерала в конце действия возбуждающего импульса (в интервале от его начала до t1 на фиг.1) к значению ее интегральной интенсивности через заданное время (от t2 до t3 на фиг.1) после окончания возбуждающего импульса на основании полученных значений интеграла сигнала люминесценции минерала в момент действия импульса возбуждающего излучения и интеграла сигнала затухания люминесценции минерала;
- постоянная времени τ затухания люминесценции на интервале tи<t<T (от завершения импульса возбуждения до конца периода) путем поиска экспоненты, максимально совпадающей с сигналом u(t) в указанном интервале (например, по минимальному среднеквадратичному отклонению экспоненты а·ехр(-t/τ) от функции сигнала u(t));
- нормированная автокорреляционная функция НКФ (при конкретном значении параметра) - как отношение интеграла от произведения функции сигнала u(t) на ее сдвинутую копию u(t-tau) к интегралу от квадрата функции сигнала:
где Т - период следования импульсов возбуждения, в течение которого производится регистрация сигнала люминесценции,
tau - параметр НКФ ("сдвиг" копии сигнала); выбирается во временном интервале, где НКФ люминесценции обогащаемого минерала (алмаза) максимально отстоит от НКФ сопутствующих «мешающих» минералов.
Определение НКФ в одной точке обеспечивает выполнение всех перечисленных выше операций в реальном времени.
Если значения всех характеристик лежат в диапазоне предварительно заданных (введенных в арифметико-логическое устройство 5) значений, устройством 5 выдается сигнал исполнительному механизму 6 на отделение обнаруженного полезного минерала - алмаза.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает селективность сепарации минералов по их люминесцентным свойствам независимо от интенсивности регистрируемых сигналов люминесценции за счет наиболее полного учета как энергетики люминесценции, так и ее динамического изменения во временном интервале регистрации сигналов люминесценции, а также устранения искажающих влияний при регистрации сигнала за счет проведения обработки того амплитудного распределения, которое линейно передает распределение энергии люминесценции во всем диапазоне интенсивности.
Способ разделения минералов по их люминесцентным свойствам, включающий транспортирование потока разделяемого материала, импульсное облучение этого материала возбуждающим излучением, регистрацию интенсивности сигнала люминесценции минерала, обработку этого сигнала для определения нормированной автокорреляционной функции и сравнение нормированной автокорреляционной функции с заданным значением, отличающийся тем, что в реальном времени регистрацию интенсивности сигнала люминесценции минерала осуществляют одновременно в нескольких диапазонах значений: в диапазоне значений с фиксированным коэффициентом усиления регистрирующего устройства и в диапазоне значений с N-кратным уменьшением коэффициента усиления регистрирующего устройства, обработку сигнала люминесценции минерала для определения нормированной автокорреляционной функции, а также дополнительную обработку регистрируемого сигнала для получения величины отношения интегральной интенсивности люминесценции в конце действия возбуждающего импульса к ее интегральной интенсивности через заданное время после окончания возбуждающего импульса и для определения скорости затухания сигнала люминесценции как постоянной времени экспоненты затухания на интервале значений сигнала люминесценции после завершения импульса возбуждения проводят в диапазоне достоверных значений сигнала люминесценции, в котором при сравнении не обнаруживают превышения амплитудой регистрируемого сигнала люминесценции заданного значения, и выделяют полезный минерал из разделяемого материала в том случае, если полученные значения всех определяемых характеристик регистрируемого сигнала люминесценции находятся в предварительно заданном для каждой из них диапазоне.
