СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ УРОВНЯ ЗОЛЬНОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
METHOD AND DEVICE TO ESTIMATE LEVEL OF ASH CONTENT IN BIOLOGIC MATERIAL

Область техники изобретения
Изобретение относится к способу и устройству для измерения уровня зольности биологических материалов автоматическим или полуавтоматическим способом. Изобретение особенно полезно для измерения уровня зольности биологических видов топлива, например древесной щепы и угля.
Предпосылки изобретения
Биологические виды топлива часто используются в процессах горения для генерации тепла и электроэнергии. Одним из наиболее важных видов биологического топлива является древесина. Однако различные виды биологического топлива генерируют различные объемы тепла и оставляют после сгорания отходы различного вида и в различном количестве. Существуют также значительные различия для различных видов и качества древесины. Это создает сложности в эффективном управлении процессом горения или сжигания.
Эффективная теплотворная способность конкретного вида биологического топлива может быть определена сравнительно точно, если известны уровень влажности и уровень зольности биологического топлива. Однако до настоящего времени было довольно сложно получить на практике быструю и точную оценку одновременно уровня влажности и зольности.
Зола из биомассы, например древесины, обычно состоит из минералов, имеющихся в структуре, например, деревьев и кустарников, а также из почвенных загрязнений и других загрязнений. Свойства древесной золы зависят от различных факторов, включая вид дерева или кустарника, часть дерева или кустарника (кора, древесина, листья), тип отходов (древесина, целлюлоза или отходы бумаги), типа почвы, климата и условий сгорания.
Сельскохозяйственные отходы обычно создают намного больше зольного остатка, чем древесная биомасса. Обычно уровень зольности древесины приблизительно 0,5 процента, в то время как у различных выращенных сельскохозяйственных культур от 5 до 10 процентов, а рисовой шелухи и тысячелистника - от 30 до 40 процентов.
Состав и количество зольного остатка влияет на поведение биомассы при высоких температурах во время сгорания и газификации. Например, сплавление золы может вызвать проблемы как при сгорании, так и в реакторах газификации. Эти проблемы могут заключаться, например, в блокировке систем удаления золы вследствие образования шлака, засорении горелок и нагревателей отложениями золы, а также в серьезных эксплуатационных проблемах систем горения с псевдоожиженным слоем. При сгорании только древесины отложения золы обычно не создают проблем вследствие того, что температура горения обычно довольно низка. Однако при сжигании биомассы совместно с углем температура сгорания значительно повышается и может достигнуть такого уровня, при котором происходит шлакование.
Таким образом, имеется потребность в быстром и точном способе и системе для определения уровня зольности биологического материала, в частности биологического топлива, которая может использоваться, например, непосредственно человеком в эксплуатационных условиях, использоваться в автоматических процессах или другим способом.
Краткое изложение сущности изобретения
Таким образом, объектом настоящего изобретения является предложение улучшенного способа и устройства для оценки уровня зольности биологических материалов автоматическим или полуавтоматическим способом, который позволит преодолеть или, по меньшей мере, ослабить проблемы на современном уровне техники, указанные выше.
Эта цель достигается в настоящем изобретении средствами, описанными в пунктах формулы изобретения.
В соответствии с первым аспектом изобретения предлагается способ оценки уровня зольности в биологическом материале, включающий этапы:
сканирования биологического материала электромагнитным излучением по меньшей мере с двумя различными уровнями энергии;
определения количества излучения, переданного сквозь указанный образец биологического материала на указанных уровнях энергии;
оценки уровня влажности биологического материала на основе соотношения между указанным измеренным уровнем излучения, переданного сквозь биологический материал на указанных уровнях энергии; и оценки уровня зольности указанного биологического материала на базе указанной оценки влажности биологического материала и средних коэффициентов ослабления для биологического материала при отсутствии влаги, коэффициентов ослабления для горючей части биологического материала и коэффициентов ослабления для золы биологического материала на указанных уровнях энергии.
Настоящее изобретение наиболее применимо для оценки уровня зольности биологических видов топлива, однако может быть также применимо для других биологических материалов. В частности, изобретение применимо для оценки уровня зольности древесной щепы, однако может также использоваться для других видов древесины, а также для других видов биологических материалов, например целлюлозы, биотоплива, угля и т.п. Оно может быть использовано также для обработанной биомассы, например бурого угля, прокаленной биомассы и гидротермического угля (НТС). Изобретение особенно полезно при работе с биологическими материалами в жидком или обогащенном виде, предпочтительно в виде гранул.
Уровень зольности в настоящей заявке используется для обозначения остатка после полного озоления, предпочтительно, остатка после сгорания/сжигания при температуре 575±25°C. Уровень зольности может быть выражен в процентном содержании сухого материала, т.е.
<mrow><mi>У</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>в</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>ь</mi><mtext> </mtext><mi>з</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>ь</mi><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>и</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>в</mi><mi>е</mi><mi>с</mi><mtext> </mtext><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>ц</mi><mi>а</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>л</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mi>о</mi><mi>з</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>я</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>в</mi><mi>е</mi><mi>с</mi><mtext> </mtext><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>у</mi><mi>ш</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>я</mi><mtext> </mtext><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>ц</mi><mi>а</mi><mtext> </mtext><mi>д</mi><mi>о</mi><mtext> </mtext><mi>о</mi><mi>з</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>и</mi><mi>я</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>*</mo><mn>100</mn></mrow>
«Содержание влаги» в настоящей заявке обозначает отношение между количеством влаги (т.е. воды) в определенном количестве материала и общим количеством материала. Следовательно, оценка содержания влаги в материале является также, косвенным образом, оценкой содержания сухого вещества. Например, для древесной щепы можно сказать, что материал в основном состоит из влаги, с одной стороны, и волокон с зольным остатком, с другой стороны.
Зола различных видов биологического топлива обычно состоит из таких веществ, как кремний, магний, алюминий, железо и кальций. Уровень зольности имеет значительное влияние на теплотворную способность биомассы. Увеличение уровня зольности соответствует уменьшению теплотворной способности. Таким образом, путем оценки уровня зольности возможно также установить теплотворную способность биомассы, то есть ее практическую ценность. Становится возможным также управление процессом горения/сгорания с точки зрения уровня зольности, с целью получения более эффективного горения/сгорания и устранения проблем, связанных с золой, например, шлакования и других.
Горючая часть биологического материала, то есть та часть, которая не является влагой или золой, обычно в основном состоит из углеводородов и лигнина. Для древесины концентрация углеводородов обычно находится в диапазоне 65-75%. Концентрация лигнина обычно находится в диапазоне 18-35%.
Специалистам в этой области понятно, что оценка содержания влаги в биологическом материале и расчет средних коэффициентов ослабления для биологического материала в отсутствие влажности при указанных уровнях энергии не должны быть разделяемыми операциями или выполняться явным образом. Возможно также объединение этих операций в некоторое объединенное уравнение или программу вычисления, выполняемую непосредственно в момент оценки уровня зольности биологического материала.
В способе из настоящего изобретения применяется облучение с двумя или более уровнями энергии, и уровень зольности материала определяется прямым или косвенным образом по измеренному уровню прохождения энергии, то есть по количеству излучения с каждой длиной волны, поглощаемому в материале.
Этап определения коэффициента ослабления для влажности на по меньшей мере двух уровнях энергии предпочтительно производить путем сравнительных измерений. Аналогично, этап определения коэффициентов ослабления для горючей части биологического материала и уровня зольности биологического материала на двух или более уровнях энергии также предпочтительно производить путем сравнительных измерений.
Облучение материала предпочтительно производить путем сканирования биологического материала электромагнитным излучением с по меньшей мере двумя различными уровнями энергии, причем биологический материал размещается в виде отдельных частиц, предпочтительно, в виде гранул.
Способ/устройство в соответствии с настоящим изобретением хорошо подходит для выполнения измерений непосредственно на транспортных линиях, по которым материал транспортируется, в трубопроводах, на конвейерной ленте и т.п. Это возможно поскольку, например, настоящее изобретение может использоваться при различной и переменной толщине и форме биологического материала.
Однако настоящее изобретение также очень практично для измерения образцов материала, помещенных в контейнер для проб, например для испытания образцов в промышленном производстве, при полевых измерениях и т.д.
Таким образом, настоящее изобретение может применяться в полностью или частично автоматизированных процессах, без участия оператора или с его ограниченным участием.
Измеренный уровень зольности может быть использован в качестве входного параметра при управлении последующей обработкой биологического материала. Таким образом, последующее использование биологического материала становится более эффективным. Например, эта информация может использоваться для достижения более эффективной очистки, сжигания отходов, горения и т.п. Кроме того, измеренный уровень зольности может быть использован для формирования предупредительного или другого сигнала, например, в случае превышения порогового значения. Передача этой информации в систему управления и применение указанной информации для управления последующими процессами также могут быть автоматизированы. Таким образом, при использовании в поточной технологической системе, последующие процессы могут управляться в режиме реального времени на основе указанной информации. Однако возможно также хранение этой информации для последующего использования вместе с конкретным образцом или партией биологического материала.
Таким образом, в одной линейке вариантов осуществления сканирование биологического материала электромагнитным излучением с по меньшей мере двумя различными уровнями энергии включает помещение биологического материала в контейнер для проб.
В другой линейке вариантов осуществления сканирование биологического материала электромагнитным излучением с по меньшей мере двумя различными уровнями энергии включает сканирование биологического материала в ходе его непрерывного перемещения через точку измерения.
Количество излучения, подаваемого на образец биологического материала на двух уровнях энергии, предпочтительно определяется относительно калибровочного эталонного значения. Калибровочное эталонное значение может быть, например, определено путем измерения передачи излучения через эталонный материал заранее известной толщины, причем это измерение предпочтительно должно быть проведено непосредственно перед и/или после каждого измерения биологического материала, а эталонным материалом может быть, например, алюминий. Таким путем гарантируется точная калибровка при каждом измерении.
Кроме того, уровень влажности образца биологического материала предпочтительно основывается на определении значения К для биологического материала, причем указанное значение К вычисляется следующим образом:
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mn>01</mn></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>N</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mn>02</mn></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
01
02
1
2
где N, N - калиброванные эталонные значения для передачи на двух уровнях энергии, a N, N - значения передачи через биологический материал на тех же уровнях энергии, и оценка уровня влажности этого биологического материала производится путем сравнения указанного вычисленного значения K с соответствующими значениями K для материалов аналогичного типа, например, полученными из эталонной базы данных. Авторами настоящего изобретения было найдено, что значения K относительно линейны для многих типов биологических материалов, в частности для многих сортов древесины, и, соответственно, в эталонной базе данных должно содержаться сравнительно немного конкретных значений для каждого типа биологического материала, с целью обеспечения точной оценки уровня влажности образца материала в широком диапазоне значений. Уровень зольности для каждого образца может считаться более или менее постоянным. Когда значения K линейно зависят от уровня влажности, в эталонной базе данных может быть достаточно хранить только два различных значения K.
Сканирование образца биологического материала электромагнитным излучением на по меньшей мере двух различных уровнях энергии может включать первое сканирование с первым уровнем энергии, а затем второе сканирование со вторым уровнем энергии.
Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, два различных уровня энергии оба находились в диапазоне рентгеновских лучей. Кроме того, предпочтительно, чтобы излучение на обоих указанных уровнях энергии излучалось от одного источника излучения, работающего в диапазоне энергий 20-150 кВп. Здесь кВп (пиковое напряжение в киловольтах) обозначает максимальное напряжение, приложенное к рентгеновской трубке. Оно определяет кинетическую энергию электронов, ускоренных в рентгеновской трубке, и пиковую энергию спектра излучения рентгеновских лучей. Действительное напряжение на трубке может колебаться.
В соответствии с другим аспектом изобретения, предлагается устройство оценки уровня зольности в биологическом материале, состоящее из:
устройства сканирования для сканирования образца биологического материала электромагнитным излучением на по меньшей мере двух уровнях энергии;
датчика для определения количества излучения, переданного сквозь указанный образец биологического материала на указанных уровнях энергии; и
процессора для оценки уровня влажности биологического материала на основе указанных измеренных уровней излучения, переданного сквозь образец, и оценки уровня зольности указанного биологического материала на базе указанной оценки влажности биологического материала и средних коэффициентов ослабления для биологического материала при отсутствии влаги, коэффициентов ослабления для горючей части биологического материала и коэффициентов ослабления для уровня зольности биологического материала на указанных уровнях энергии.
Этот аспект изобретения обеспечивает преимущества, аналогичные тем, что были рассмотрены выше по отношению к первому аспекту.
Излучение двух или более различных уровней энергии предпочтительно достигается при помощи двух или более источников излучения, например двух или более рентгеновских трубок. Предпочтительно, излучение каждого из уровней энергии получается от отдельного источника излучения.
Альтернативно или дополнительно, излучение двух или более различных уровней энергии предпочтительно определяется при помощи двух или более датчиков. Предпочтительно, излучение каждого из уровней энергии определяется отдельным датчиком излучения.
Эти и другие аспекты изобретения будут детально рассмотрены и объяснены со ссылками на варианты осуществления, описанные ниже.
Краткое описание графических материалов
С целью иллюстрации на примерах изобретение будет далее описано в детальных подробностях со ссылками на варианты осуществления, проиллюстрированные в приложенных графических материалах, где:
на фиг.1 схематически показано измерительное устройство для определения уровня зольности в биологическом материале, транспортируемом на конвейерной линии; и на фиг.2a, 2b схематически показан вариант осуществления изобретения, в котором материал, с которым производится измерение, расположен в контейнере для образцов.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
На фиг.1 схематически показан вариант осуществления измерительного устройства 100 для оценки уровня зольности в биологическом материале 102, транспортируемом на конвейерной линии 103. Биологический материал 102 обычно представляет собой древесную щепу или другой вид биотоплива.
Для того чтобы производилось сканирование всего материала, проходящего мимо измерительного устройства, измерительное устройство содержит источник 104 излучения, предназначенный для облучения целевой области 105, которая перекрывает всю ширину конвейерной линии. Источник 104 излучения может обеспечивать облучение при по меньшей мере двух различных уровнях энергии / длинах волн. Предпочтительно источником излучения является рентгеновская трубка, которая может обеспечить излучение рентгеновских лучей с двумя или более различными длинами волн. Предпочтительно рентгеновская трубка работает в диапазоне 20-150 кВп. Выходное излучение от источника излучения предпочтительно направлено на целевую область через коллиматор и линзу (не показаны). Источник 104 излучения управляется при помощи контроллера 106.
Альтернативно, источник 104 излучения может состоять из двух или нескольких отдельных излучательных трубок, расположенных рядом, причем источники излучения, расположенные рядом, излучают волны с различной длиной либо одновременно, либо по очереди. Однако предпочтительно, чтобы излучение с различной длиной волны пересекало измеряемый материал в сущности по одному пути. Когда излучение с двумя (или более) различными длинами волны излучается источником излучения одновременно, предпочтительно, чтобы интенсивность этих двух сигналов измерялась по отдельности. Это может быть произведено непосредственно путем специальных мер, например установки фильтров, чтобы отдельные части датчиков измеряли только излучение с определенным уровнем энергии, а другие части измеряли излучение с другими уровнями энергии. Это может быть произведено путем последующей обработки сигналов, обеспечивающей разделение совмещенных сигналов.
На противоположной стороне целевой области 105 расположен датчик 107 для получения излучения, переданного через материал, расположенный в целевой области 105. Датчик предпочтительно является полупроводниковым датчиком, содержащим линейный массив полупроводниковых датчиков 107а-с, расположенных поперек ширины конвейерной линии. Количество зон датчиков может изменяться в зависимости от ожидаемых изменений уровня зольности материала и т.д. Датчик 107 подключен к блоку 108 управления с процессором, например к обычному персональному компьютеру. Блок управления получает данные измерения с датчиков через соответствующий интерфейс, например через порт USB.
При работе источник 104 излучения облучает материал в целевой области 105 электромагнитным излучением с по меньшей мере двумя различными уровнями энергии. Это может быть достигнуто путем последовательного облучения материала сначала излучением с первой длиной волны, а затем излучением со второй длиной волны, т.е. источник излучения сначала излучает лучи с одной длиной волны, а затем, после изменения напряжения на излучающей трубке, - с другой длиной волны.
Для каждого уровня энергии количество излучения, переданного через материал, находящийся в целевой области 105, измеряется с противоположной стороны целевой области 105 при помощи зон датчиков 107а-с, образующих один датчик, причем каждая зона датчиков 107а-с получает излучение, прошедшее через материал 102 по различным путям облучения 109а-с.
Для того чтобы получить эталонное значение для калибровки, предпочтительно измерить эталонный материал. Этого можно достигнуть, например, путем измерения при отсутствии какого-либо биологического материала. Таким образом в этом случае эталонное измерение производится с воздухом в качестве эталонного материала. Альтернативно, биологический материал может быть заменен эталонным материалом с известными свойствами, например алюминием. Эталонное измерение может быть проведено перед измерением биологического материала, во время инициализации, либо несколько раз в ходе процесса. Альтернативно, эталонное измерение может быть проведено путем перемещения источника 104 излучения и датчика 107 в положение рядом с конвейерной линией, так что излучение на всем пути от источника излучения до датчика проходит только через воздух. Возможно также использовать дополнительные источники излучения и датчики, расположенные с одной или с обеих сторон конвейерной ленты.
На основе эталонного измерения определяются эталонные калибровочные значения по формуле:
01,02
Air1,2
N=Nехр(µx),
01
02
Air1
Air2
-1
где N и N представляют собой эталонные калибровочные значения для уровней энергии 1 и 2 соответственно, N и N представляют собой измеренные значения передачи после прохождения известного расстояния по воздуху, µ - известный коэффициент ослабления для воздуха (см), а x - известное расстояние по воздуху (см), разделяющее источник излучения и датчик.
Значение K для материала определяется по излучению, принятому в каждой зоне датчиков 107а-с. Значение K вычисляется следующим образом:
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mn>01</mn></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>N</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mn>02</mn></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
01
02
1
2
где N, N - эталонные калибровочные значения для передачи двух уровней энергии, a N, N - значения передачи через биологический материал на этих уровнях энергии.
На основе этих данных измерения затем оценивается уровень влажности биологического материала. Оценка уровня влажности биологического материала может быть произведена, например, путем сравнения вычисленного значения K с соответствующими значениями K для материалов аналогичных типов, полученных из эталонной базы данных.
Эталонная база 113 данных может быть предпочтительно подключена к блоку 108 управления, она содержит данные, относящиеся, по меньшей мере, к измеренным значениям передачи для излучения с различными уровнями энергии и данные об уровнях влажности для различных типов биологического материала, например для нескольких различных сортов древесины. Выбор нужного типа биологического материала в эталонной базе данных может производиться путем ввода вручную.
Однако возможно также автоматическое определение типа биологического материала. Такое автоматическое определение типа материала может быть получено, например, способом, описанным в заявке РСТ тех же заявителей с номером заявки ЕР 2009/062767, указанный документ включен в настоящую заявку посредством ссылки.
Данные в эталонной базе данных собраны, предпочтительно, путем измерения передачи электромагнитного излучения на по меньшей мере двух различных уровнях энергии через материалы множества различных типов и путем измерения уровня влажности указанных материалов при помощи обычных методов, предпочтительно, путем регулируемой сушки. Типы материалов могут быть, к примеру, различными сортами древесины, например березой, елью, сосной, дубом и ольхой, а также углем и другими видами биотоплива. Таким образом, аналогичные данные измерений, полученные при последующих измерениях для новых материалов, могут быть отнесены к точно измеренным данным об уровне влажности. Поскольку эталонная база данных должна быть создана только в ходе инициализации, а затем может использоваться повторно, нет особой необходимости в использовании скоростных процессов в ходе измерений для эталонной базы данных.
Соответствие значения К со значениями К в эталонной базе данных может основываться либо на идентификации ближайшего значения К, найденного в эталонной базе данных для конкретного типа испытываемого материала, либо на использовании соответствующего значения влажности, полученного в качестве оценки для образца. Для компенсации отличия между действительным значением K и найденным ближайшим значением K в эталонной базе данных может также использоваться некоторая корректировка.
Альтернативно, значения K для конкретного типа материала могут использоваться в линейном или полиномиальном представлении соответствия между значением K и содержанием влажности, и эта функция затем может быть использована для оценки содержания влажности, соответствующего значению K в образце материала.
Затем вычисляются средние коэффициенты ослабления для биологического материала в отсутствие влажности для указанных уровней энергии. Общее ослабление при прохождении сквозь материал на каждом уровне энергии состоит из трех частей: ослабление во влажной среде (в воде) и ослабление в среде без влажности, т.е. в сухом горючем материале и в золе. Ослабление во влажной среде зависит от коэффициента ослабления для воды на конкретном уровне энергии. Ослабление в среде без влажности аналогичным образом зависит от среднего коэффициента ослабления для среды без влажности на конкретном уровне энергии, т.е. от среднего коэффициента для сухого горючего материала и среднего коэффициента ослабления для золы. При помощи оценки уровня влажности, рассмотренного выше, количество влаги и материала без влаги уже известно. Кроме того, коэффициент ослабления для влаги (воды) на конкретном уровне энергии определяется легко, например по справочной литературе или по результатам специальных эталонных измерений.
Поскольку все остальные параметры известны, средние коэффициенты ослабления для биологического материала в отсутствие влажности на указанных уровнях энергии могут быть затем оценены на основе количества излучения, переданного через образец биологического материала на двух уровнях энергии, и коэффициентов ослабления для влаги на этих уровнях энергии.
Таким образом оцениваются средние коэффициенты ослабления для сухого биологического материала, которые в конечном итоге могут быть использованы для оценки уровня зольности биологического материала. Ослабление в материале без влажности на каждом из уровней энергии также состоит из двух компонентов: ослабление в золе, содержащейся в биологическом материале, и ослабление в горючей части биологического материала.
Коэффициенты ослабления для горючей части биологического материала и для золы, содержащейся в биологическом материале, соответственно, на двух уровнях энергии можно определить, например, по справочной литературе или из специальных измерений, поскольку тип биологического материала известен, и ожидаемое содержание золы также может быть известно либо определено путем специальных эталонных измерений.
Соответственно, к этому моменту последовательно получены два уравнения, по одному для каждого из уровней энергии, при двух неизвестных в общей сложности - содержании горючего биологического материала и содержании зольного остатка. Путем решения этой системы уравнений получаем оценку количества горючего сухого биологического материала, с одной стороны, и количества зольного остатка, с другой.
Таким образом, на конечном этапе получаем оценку уровня зольности биологического материала на основе средних коэффициентов ослабления для биологического материала без влажности и коэффициентов ослабления для горючей части биологического материала и для зольного остатка биологического материала на двух уровнях энергии. Определенный уровень зольности биологического материала может быть использован в качестве косвенного показателя количества энергии, которую можно получить из биологического материала. Он может также использоваться для выдачи сигнала предупреждения или другого сигнала в случае, когда уровень зольности превышает установленный граничный уровень или другой уровень.
Все вычисления предпочтительно выполняются в блоке 108 управления.
На фиг.2a, 2b схематически показан альтернативный вариант осуществления измерительного устройства в соответствии с данным изобретением. Измерительное устройство 100 включает источник 104 излучения для облучения целевой области на по меньшей мере двух уровнях энергии. Источник излучения управляется при помощи контроллера 106. Датчик 107 расположен с обратной стороны целевой области. Датчик подключен к блоку 108 управления, который получает от датчика считанные данные. В этом варианте осуществления материал, с которым производится измерение, расположен в контейнере 301 для образцов. Затем контейнер для образцов помещен на носитель 302, который перемещается таким образом, что контейнер для образцов проходит через целевую область, а следовательно, через путь 109 луча. Носитель может перемещаться, например, при помощи конвейера 103. Однако для перемещения носителя пригодны также другие средства, например линейный двигатель, винтовой механизм, рельсовый механизм и т.п.
Во время работы контейнер с образцом перемещается через целевую область таким образом, что предпочтительно сканируется весь материал, находящийся в контейнере для образцов. На первом проходе образец материала облучается излучением с первой длиной волны, а на втором проходе, во время обратного движения, излучением со второй длиной волны. Для того чтобы получить эталонные значения для калибровки, предпочтительно измерить эталонный материал, предпочтительно, заранее известное количество алюминия, в начале и в конце прохода контейнера с образцом.
На основе эталонного измерения определяются эталонные калибровочные значения по формуле:
01,02
Al1
N=Nexp(µx),
01
02
Al1
Al2
-1
где N и N представляют собой эталонные калибровочные значения для уровней энергии 1 и 2 соответственно, N и N представляют собой измеренные значения передачи после прохождения известной толщины алюминия, µ - известный коэффициент ослабления для алюминия (см), а X -известная толщина алюминия (см).
Следующим шагом может быть вычислено значение К для биологического материала по формуле:
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mn>01</mn></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>N</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mn>02</mn></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
01
02
1
2
где N, N - эталонные калибровочные значения для передачи двух уровней энергии, a N, N - значения передачи через биологический материал на этих уровнях энергии.
Затем может быть определен уровень зольности биологического материала тем же способом, который был ранее описан для варианта осуществления, показанного на фиг.1.
В соответствии с другим вариантом осуществления уровень зольности оценивается непосредственно на базе измерения радиационной энергии, переданной через материал на двух уровнях энергии, и оценки уровня влажности, оцененного в соответствии со способом, рассмотренным ранее.
На основе этих входящих значений может быть составлена следующая система из трех уравнений:
1
01
v1
t1
a1
N=Nexp(µx+µY+µZ),
2
02
v2
t2
a2
N=Nexp(µX+µY+µZ),
F=X/(X+Y+Z),
v1
t1
a1
v2
t2
a2
где µ, µ и µ - массовые коэффициенты ослабления первого уровня энергии для воды, сухого горючего биоматериала и для золы. Аналогично µ, µ и µ - массовые коэффициенты ослабления второго уровня энергии для воды, сухого горючего биоматериала и для золы.
2
X, Y и Z - поверхностные плотности (г/см) воды, сухой горючей биомассы и золы. Полученное значение F является уровнем влажности, определенным как ((вес несухого биоматериала - вес сухого биоматериала)/вес несухого биоматериала).
Все массовые коэффициенты ослабления для воды, золы и сухого горючего биоматериала известны (см. выше). Они могут быть определены, например, путем отдельных эталонных измерений в системе. Уровень влажности может быть определен на основе значения К, как описано выше.
Соответственно, возможно сформулировать уравнение для прямого получения Z (уровня зольности) для биоматериала в соответствии со следующим:
<mrow><mi>Z</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>F</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>t</mi><mn>2</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>t</mi><mn>1</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>υ</mi><mn>2</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>t</mi><mn>1</mn></mrow></msub><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>υ</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>R</mi><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>a</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>F</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>t</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mi>F</mi><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>υ</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>a</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>t</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mi>F</mi><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>t</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mi>F</mi><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>υ</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>t</mi><mn>2</mn></mrow></msub><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>υ</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>t</mi><mn>1</mn></mrow></msub><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>υ</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
1
01
1
2
02
2
где R равно ln(N/N) и R равно ln(N/N).
Теперь описаны конкретные варианты осуществления изобретения. Однако, как очевидно специалистам в этой области, возможны несколько альтернатив. Например, излучение не обязательно должно быть рентгеновскими лучами, могут использоваться также другие виды электромагнитного излучения. Кроме того, вместо значения K, рассмотренного выше, могут использоваться другие соотношения между двумя измеренными величинами излучения, прошедшего через образец биологического материала при двух различных уровнях энергии. Еще дополнительно возможно использование трех или более уровней энергии с целью получения еще более высокого уровня точности. Дополнительно, имеются различные способы определения типа биологического материала, как автоматические, так и полуавтоматические. В зависимости от предполагаемой области использования эталонная база данных может быть создана так, что будет содержать только наиболее вероятные типы материалов либо включать огромное разнообразие различных типов материалов. Еще дополнительно, реализация способов управления и обработки может быть выполнена различными способами, например в виде специализированной аппаратуры либо в виде программы, управляющей уже существующими средствами контроля и управления.
Эти и другие очевидные модификации должны считаться находящимися в пределах объема настоящего изобретения, как он определен в приведенной формуле изобретения. Следует указать, что варианты осуществления, приведенные выше, иллюстрируют изобретение, но не ограничивают его, специалисты в этой области техники смогут сконструировать множество альтернативных вариантов осуществления, не выходя за пределы приведенной формулы изобретения. В формуле изобретения любые ссылочные позиции, приведенные в скобках, не должны рассматриваться как ограничения формулы изобретения. Выражение «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов, отличающихся от тех, что перечислены в формуле изобретения. Использование элемента в единственном числе не исключает наличия нескольких таких элементов. Кроме того, единый блок может выполнять функции нескольких инструментов, перечисленных в формуле изобретения.