Разработка радиоизотопного способа определения параметров потока горной массы на ленточном конвейере тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Войтюк, Ирина Николаевна

• Войтюк, Ирина Николаевна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Войтюк, Ирина Николаевна

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка радиоизотопного способа определения параметров потока горной массы на ленточном конвейере»

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 диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Войтюк, Ирина Николаевна

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.