ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ СЕПАРАТОР МИНЕРАЛОВ (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемая полезная модель относится к области обогащения полезных ископаемых, а именно, к устройствам для разделения дробленого минерального материала на полезный и хвостовой продукты, использующим возникающую под воздействием возбуждающего излучения люминесценцию обогащаемых минералов для их обнаружения. Предлагаемые технические решения могут быть реализованы как в сепараторах на всех стадиях обогащения, так и в устройствах контроля продукции, например, алмазосодержащего сырья.
Для повышения селективности извлечения обогащаемого минерала в известных способах люминесцентной сепарации в качестве критерия разделения используют различные соотношения кинетических характеристик сигнала люминесценции, регистрируемых как во время воздействия возбуждающего излучения, так и после него.
Известен рентгенолюминесцентный сепаратор минералов, содержащий средства подачи и транспортировки исходного материала в зону обнаружения, источник возбуждающего излучения, фотоприемное устройство (ФПУ) для регистрации сигнала люминесценции минерала, устройство обработки сигнала люминесценции и исполнительный механизм [свидетельство РФ на полезную модель №12534, В07С 5/342, 20.01.2000.]. Источник возбуждающего излучения выполнен на основе рентгеновской трубки с импульсным источником питания. ФПУ содержит, по крайней мере, один фотоэлектронный умножитель и предусилитель. Устройство обработки сигнала люминесценции включает соединенные шиной данных аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и арифметико-логическое устройство (АЛУ), и синхронизатор, подключенный к источнику возбуждающего излучения, АЦП и АЛУ. Синхронизатор выполнен в виде блока таймеров. АЛУ обеспечено возможностью осуществления следующих функций: задание порога разделения, задание моментов времени, в которые происходит аналого-цифровое преобразование регистрируемого ФПУ сигнала люминесценции,
обработка цифровых значений сигнала согласно критерию разделения, сравнение полученного значения критерия разделения с заданным порогом и выработка сигнала управления исполнительным механизмом. В качестве критерия разделения могут быть выбраны либо значения интенсивности только длительной компоненты сигнала люминесценции, зарегистрированные в заданные моменты времени, либо значения соотношения интенсивностей сигнала люминесценции, например, разности значений интенсивностей его короткой и длительной компонент.
Преобразование аналогового сигнала на выходе ФПУ в цифровую форму позволяет не только сократить время обработки регистрируемого сигнала люминесценции и выработки сигнала управления, но и повысить селективность обнаружения обогащаемого минерала при выборе в качестве критерия разделения соотношения между значениями интенсивностей его короткой и длительной компонент. Однако в этом сепараторе не устраняется основной недостаток - недостаточная точность измерения сигнала люминесценции из-за влияния на результаты измерения шумов тракта регистрации и нестабильности работы системы возбуждения, что сказывается на селективности разделения минералов. Кроме того, невозможно получить достоверное значение соотношения интенсивностей компонент сигнала люминесценции, если значение интенсивности хотя бы одной из компонент превышает по амплитуде рабочий диапазон АЦП.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является люминесцентный сепаратор минералов [патент РФ на изобретение №2249490, В07С 5/342, В03В 13/06, 10.04.2005.], содержащий средства подачи и транспортировки исходного материала в зону обнаружения, источник возбуждающего излучения, устройство регистрации сигнала люминесценции минерала, включающее, по крайней мере, один фотоэлектронный умножитель и предусилитель, устройство обработки сигнала люминесценции, включающее соединенные шиной данных аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок оперативной памяти (ОЗУ) и микропроцессор, снабженный возможностью осуществления функций задания порога разделения, обработки цифровых значений сигнала люминесценции согласно критерию разделения, сравнения полученного значения критерия разделения с заданным порогом и выработки сигнала управления исполнительным механизмом. Сепаратор снабжен синхронизатором, выходы которого соединены, соответственно, с входом запуска АЦП, с входом ОЗУ и с входом записи
микропроцессора. Источник возбуждающего излучения может быть выполнен на основе рентгеновской трубки с импульсным источником питания. В качестве критерия разделения выбрана автокорреляционная функция сигнала люминесценции.
Существенным недостатком такого сепаратора является искажение получаемого значения автокорреляционной функции сигнала люминесценции в случае, если интенсивность сигнала люминесценции превышают рабочий диапазон АЦП. Поскольку сигналы люминесценции, например алмазов и сопутствующих минералов, по интенсивности обладают значительным разбросом, который может достигать нескольких порядков, постольку получаемое значение их автокорреляционной функции не всегда адекватно отражает признаки полезного минерала и, следовательно, приводит к снижению селективности разделения минералов.
Предлагаемая полезная модель решает задачу расширения рабочего амплитудного диапазона устройства обработки сигнала люминесценции для эффективного использования возможностей разделения минералов по критериям, обеспечивающим высокую селективность в широком диапазоне интенсивностей люминесценции.
Поставленную задачу решает предлагаемый люминесцентный сепаратор минералов, содержащий средства подачи и транспортировки исходного материала в зону обнаружения, источник возбуждающего излучения, устройство регистрации сигнала люминесценции минерала, включающее, по крайней мере, один фотоэлектронный умножитель и предусилитель, и устройство обработки сигнала люминесценции, включающее соединенные шиной данных аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микропроцессор, снабженный возможностью осуществления функций задания порога разделения, обработки цифровых значений сигнала люминесценции согласно критерию разделения, сравнения полученного значения критерия разделения с заданным порогом и выработки сигнала управления исполнительным механизмом, при этом в устройство обработки сигнала люминесценции дополнительно введен второй АЦП, выход которого соединен с шиной данных микропроцессора, а вход запуска соединен с входом запуска первого АЦП, микропроцессор дополнительно снабжен возможностью осуществления функций синхронизации запуска обоих АЦП с запуском источника возбуждающего излучения, распознавания перегрузки по амплитуде первого АЦП и
автоматического перехода на обработку сигнала второго АЦП при наличии перегрузки по амплитуде первого АЦП, предусилитель выполнен двухкаскадным, выход первого каскада предусилителя соединен с сигнальным входом второго АЦП, а выход второго каскада предусилителя соединен с сигнальным входом первого АЦП, при этом усиление сигнала на выходе второго каскада предусилителя на порядок выше, чем усиление сигнала на выходе его первого каскада.
В отличие от известного, в устройство обработки сигнала люминесценции предлагаемого сепаратора дополнительно введен второй АЦП, выход которого соединен с шиной данных микропроцессора, а вход запуска соединен с входом запуска первого АЦП, микропроцессор дополнительно снабжен возможностью осуществления функций синхронизации запуска обоих АЦП с запуском источника возбуждающего излучения, распознавания перегрузки по амплитуде первого АЦП и автоматического перехода на обработку сигнала второго АЦП при наличии перегрузки по амплитуде первого АЦП, предусилитель выполнен двухкаскадным, выход первого каскада предусилителя соединен с сигнальным входом второго АЦП, а выход второго каскада предусилителя соединен с сигнальным входом первого АЦП, при этом усиление сигнала на выходе второго каскада предусилителя на порядок выше, чем усиление сигнала на выходе его первого каскада.
Поставленную задачу также решает и предлагаемый люминесцентный сепаратор минералов, содержащий средства подачи и транспортировки исходного материала в зону обнаружения, источник возбуждающего излучения, устройство регистрации сигнала люминесценции минерала, включающее, по крайней мере, один фотоэлектронный умножитель и предусилитель, и устройство обработки сигнала люминесценции, включающее соединенные шиной данных аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микропроцессор, снабженный возможностью осуществления функций задания порога разделения, обработки цифровых значений сигнала люминесценции согласно критерию разделения, сравнения полученного значения критерия разделения с заданным порогом и выработки сигнала управления исполнительным механизмом, при этом в устройство обработки сигнала люминесценции дополнительно введены ограничитель, делитель сигнала люминесценции и второй АЦП, выход которого соединен с шиной данных микропроцессора, а вход запуска соединен с входом запуска первого АЦП, сигнальный вход которого соединен с выходом ограничителя, вход которого соединен с выходом
предусилителя и с входом делителя, выход которого соединен с сигнальным входом второго АЦП, микропроцессор дополнительно снабжен возможностью осуществления функций синхронизации запуска обоих АЦП с запуском источника возбуждающего излучения, распознавания перегрузки по амплитуде первого АЦП и автоматического перехода на обработку сигнала второго АЦП при наличии перегрузки по амплитуде первого АЦП.
В отличие от известного, в устройство обработки сигнала люминесценции предлагаемого сепаратора дополнительно введены ограничитель, делитель сигнала люминесценции и второй АЦП, выход которого соединен с шиной данных микропроцессора, а вход запуска соединен с входом запуска первого АЦП, сигнальный вход которого соединен с выходом ограничителя, вход которого соединен с выходом предусилителя и с входом делителя, выход которого соединен с сигнальным входом второго АЦП, микропроцессор дополнительно снабжен возможностью осуществления функций синхронизации запуска обоих АЦП с запуском источника возбуждающего излучения, распознавания перегрузки по амплитуде первого АЦП и автоматического перехода на обработку сигнала второго АЦП при наличии перегрузки по амплитуде первого АЦП.
На фиг.1 представлена функциональная схема люминесцентного сепаратора в качестве одного из вариантов реализации предлагаемой полезной модели.
На фиг.2 представлен второй вариант функциональной схемы люминесцентного сепаратора.
Представленный на фиг.1 люминесцентный сепаратор содержит средства подачи и транспортировки исходного материала 1 в зону обнаружения (на фиг.1 не показаны) источник 2 возбуждающего излучения, устройство 3 регистрации сигнала люминесценции минерала, устройство 4 обработки сигнала люминесценции и исполнительный механизм 5. Устройство 3 регистрации сигнала люминесценции минерала содержит последовательно подключенные фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 6 и двухкаскадный предусилитель (на фиг.1 не обозначен) с первым каскадом 7 и вторым каскадом 8, причем выход второго каскада 8 служит первым выходом устройства 3 регистрации, а выход первого каскада 7 служит его вторым выходом. Устройство 4 обработки сигнала люминесценции содержит первый АЦП 9 и второй АЦП 10, соединенные шиной 11 данных с входом микропроцессора (МП) 12. Сигнальный вход АЦП 9 служит первым входом
устройства 4 обработки сигнала люминесценции и соединен с первым выходом устройства 3 регистрации, а сигнальный вход АЦП 10 служит вторым входом устройства 4 обработки сигнала и соединен со вторым выходом устройства 3 регистрации. Объединенный вход Start запуска АЦП 9 и АЦП 10 соединен с первым выходом МП 12, второй и третий выходы которого соединены с входами чтения, соответственно, АЦП 9 и АЦП 10. Четвертый выход МП 12 соединен с входом синхронизации источника 2 возбуждающего излучения, а его пятый выход соединен с входом управления исполнительного механизма 5. МП 12 снабжен возможностью осуществления функций задания порога разделения, синхронизации запуска обоих АЦП 9 и 10 с запуском источника 2 возбуждающего излучения, распознавания перегрузки по амплитуде АЦП 9 и автоматического перехода на обработку сигнала АЦП 10 при наличии перегрузки по амплитуде АЦП 9, обработки цифровых значений сигнала люминесценции для вычисления значения заданного критерия разделения и выдачи управляющего воздействия на исполнительный механизм 5, когда полученное значение критерия разделения превышает значение порога разделения. Источник 2 возбуждающего излучения может быть выполнен на основе рентгеновской трубки с импульсным источником питания.
Представленный на фиг.2 люминесцентный сепаратор содержит средства подачи и транспортировки исходного материала 1 в зону обнаружения (на фиг.2 не показаны) источник 2 возбуждающего излучения, устройство 3 регистрации сигнала люминесценции минерала, устройство 4 обработки сигнала люминесценции и исполнительный механизм 5. Устройство 3 регистрации сигнала люминесценции минерала содержит последовательно подключенные фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 6 и предусилитель 7, выход которого служит выходом устройства 3 регистрации. Устройство 4 обработки сигнала люминесценции содержит ограничитель 8 сигнала, делитель (на фиг.2 цифрой не обозначен), выполненный, например, на резисторах R1 и R2, первый АЦП 9 и второй АЦП 10, соединенные шиной 11 данных с входом микропроцессора (МП) 12. Объединенный вход ограничителя 8 сигнала и делителя, который служит входом устройства 4 обработки, соединен с выходом устройства 3 регистрации. Сигнальный вход АЦП 9 соединен с выходом ограничителя 8, а сигнальный вход АЦП 10 соединен с выходом делителя сигнала. Объединенный вход Start запуска АЦП 9 и АЦП 10 соединен с первым выходом МП 12, второй и третий выходы которого соединены
с входами чтения, соответственно, АЦП 9 и АЦП 10. Четвертый выход МП 12 соединен с входом синхронизации источника 2 возбуждающего излучения, а его пятый выход соединен с входом управления исполнительного механизма 5. МП 12 снабжен возможностью осуществления функций задания порога разделения, синхронизации запуска обоих АЦП 9 и АЦП 10 с запуском источника 2 возбуждающего излучения, распознавания перегрузки по амплитуде АЦП 9 и автоматического перехода на обработку сигнала АЦП 10 при наличии перегрузки по амплитуде АЦП 9, обработки цифровых значений сигнала люминесценции для вычисления значения заданного критерия разделения и выдачи управляющего воздействия на исполнительный механизм 5, когда полученное значение критерия разделения превышает значение порога разделения. Источник 2 возбуждающего излучения может быть выполнен, например, на основе рентгеновской трубки с импульсным источником питания.
Люминесцентный сепаратор минералов, представленный на фиг.1, работает следующим образом. Предварительно включается подача исходного материала 1, который в по-кусковом или поточном режиме начинает проходить через зону обнаружения. Запуск источника 2 возбуждающего излучения производится периодической последовательностью импульсов (например, с периодом 4 мс). Под воздействием облучения в кусках материала 1 возникает люминесцентное излучение, регистрация которого осуществляется непрерывно ФЭУ 6, а обработка регистрируемого сигнала в устройстве 4 синхронизирована с запуском источника 2.
Период обработки регистрируемого сигнала начинается с одновременного запуска АЦП 9 и АЦП 10 по сигналу Start, который выдает МП 12 на выход 1. Оба АЦП (9 и 10) начинают периодическое преобразование сигналов, поступающих на их входы. Вслед за этим с задержкой (10-20 мкс) относительно сигнала Start МП 12 выдает с выхода 4 на вход синхронизации источника 2 возбуждающего излучения импульс синхронизации длительностью (для определенности) 0.5 мс. Соответственно, источник 2 вырабатывает импульс возбуждающего (например, рентгеновского) излучения, которым облучается поток материала 1. В находящихся в потоке люминесцирующих минералах возбуждается люминесценция, при этом одновременно люминесцирует и воздух в зоне возбуждения. ФЭУ 6 в устройстве 3 регистрации воспринимает световой сигнал люминесценции и преобразует его в электрический, который усиливается предусилителем с каскадами
7 и 8. Коэффициент усиления второго каскада 8 для определенности выбран равным 10. Таким образом, на первый вход устройства 4 обработки сигнала люминесценции (вход АЦП 9) поступает сигнал, величина которого в 10 раз больше, чем на втором входе - сигнальном входе АЦП 10. После сигнала Start оба АЦП (9 и 10) начинают циклическое преобразование входного сигнала в цифровой код с периодом, например, 10 мкс. При этом АЦП 9 преобразовывает сигнал с выхода второго каскада 8 предусилителя (первый выход устройства 3 регистрации), а АЦП 10 одновременно осуществляет преобразование сигнала с выхода первого каскада 7 предусилителя. Поскольку выбранный коэффициент усиления второго каскада 8 равен 10, сигнал на входе второго АЦП 10 на порядок меньше, чем на входе первого АЦП 9. Процесс преобразования повторяется 350 раз (3.5 мс), после чего преобразование прекращается. В результате, в памяти каждого АЦП (9 и 10) сформирован цифровой массив из 350 слов с разрядностью, равной разрядности АЦП 9 и АЦП 10, после чего МП 12 вырабатывает на выходах 2 и 3 сигналы чтения данных из памяти АЦП 9 и АЦП 10, соответственно. На передачу данных по шине11 в МП 12 отводится 0.5 мс. МП 12 начинает обработку данных с оценки цифрового массива, собранного АЦП 9. Если при этом выявится ограничение сигнала (например, превышение заданного граничного уровня 4900 мВ), то МП 12 автоматически переходит на обработку цифрового массива, собранного АЦП 10, при этом учитывается коэффициент усиления. Таким образом, диапазон сигналов люминесценции, допустимый для селективной обработки МП 12, расширяется.
Далее процесс повторяется. МП 12 на выходе 1 вырабатывает сигнал запуска АЦП (9 и 10), на выходе 4 вырабатывает сигнал синхронизации источника 2 возбуждающего излучения и т.д. В то время, когда АЦП 9 и АЦП 10 осуществляют накопления новых массивов данных, МП 12 производит обработку данных, собранных в предыдущем периоде. Если в процессе обработки по соответствующему массиву согласно заданному критерию разделения выявляется, что полученное значение превышает заданный порог разделения, МП 12 выдает сигнал с выхода 5 на исполнительный механизм 5. В результате происходит отделение обнаруженного минерала в концентрат, а остальной материал уходит в «хвосты» (сборники концентрата и «хвостов» на фиг.1 не показаны). В случае если и второй цифровой массив содержит ограничение сигнала, МП 12 также
выдает сигнал на отделение обнаруженного минерала (в предположении, что особо яркий отклик соответствует именно алмазу).
В люминесцентном сепараторе минералов, представленном на фиг.2, предусилитель 7 в устройстве 3 регистрации выполнен однокаскадным и не имеет второго выхода с усилением, меньшим, чем на основном выходе. В то же время динамический диапазон сигналов на выходе предусилителя 7 при типичном напряжении питания ±15 В составляет примерно ±12 В, т.е. более, чем в два раза превышает динамический диапазон АЦП 9 и АЦП 10. Поэтому для расширения динамического диапазона регистрируемых сигналов, обработка в устройстве 4 включает преобразование сигналов двумя АЦП (9 и 10). Сигналы с выхода предусилителя 7 проходят через ограничитель 8 и поступают на вход АЦП 9, ограниченные по уровню приблизительно до ±4900 мВ. На вход второго АЦП 10 сигнал поступает с выхода предусилителя 7 через делитель R2/(R1+R2)=1:3 (коэффициент деления равен 3).
Сепаратор, представленный на фиг.2, работает так же, как и люминесцентный сепаратор, представленный на фиг.1. Предварительно включается подача материала 1. Периодически (период 4 мс) по сигналу с выхода 4 МП 12 осуществляется синхронизация источника 2 возбуждающего излучения (длительность импульса 0.5 мс), затем запускаются сигналом Start с выхода 1 МП 12 оба АЦП (9 и 10), на вход которых поступает сигнал от устройства 3 регистрации. Каждый АЦП (9 и 10) осуществляет последовательно 350 преобразований входного сигнала с периодом 10 мкс. Далее сигналами чтения МП 12 с выходов 2 и 3 считывает по шине 11 оба цифровых массива. Обработка начинается с просмотра первого массива (от АЦП 9). Если при этом не обнаруживается признака ограничения сигнала (например, превышение заданного граничного уровня 4900 мВ), расчет производится по первому массиву, в противном случае, расчет производится по второму массиву. Соотношение между сигналами на входах АЦП 9 и АЦП 10 составляет 1:3. Этот коэффициент учитывается в МП 12 при обработке, что позволяет при том же диапазоне АЦП 9 и АЦП 10 расширить диапазон обрабатываемых устройством 4 сигналов более чем в два раза. Если в процессе обработки по соответствующему массиву согласно заданному критерию разделения выявляется, что полученное значение превышает заданный порог разделения, МП 12 выдает сигнал с выхода 5 на исполнительный механизм 5. В результате происходит отделение обнаруженного объекта в концентрат, а остальной
материал уходит в «хвосты» (сборники концентрата и «хвостов» на фиг.2 для упрощения не показаны). В случае если и второй цифровой массив содержит ограничение сигнала, МП 12 также выдает сигнал на отделение обнаруженного объекта (в предположении, что особо яркий отклик соответствует именно алмазу).
Источник 2 возбуждающего излучения в предлагаемых вариантах люминесцентного сепаратора минералов может быть выполнен на основе рентгеновской трубки БХВ18 Re с высоковольтным импульсным источником питания, а устройство регистрации 3 - на основе ФЭУ 6 типа ФЭУ-85. Делитель может быть выполнен, например, на двух резисторах типа С2-29 или аналогичных им. АЦП 9 и АЦП 10 могут быть выполнены, например, на базе многоканального АЦП L-783 фирмы L-CARD (Москва). Микропроцессор МП 12 может быть выполнен, например, на основе платы микропроцессорной РСА-6180 с процессором типа Intel Celeron 1000. Шина 11 данных типа PCI может быть выполнена на основе пассивной объединительной платы РСА 6106. Исполнительный механизм 5 может быть выполнен в виде, например, пневмоэжектора типа VK 332/500-m5 фирмы SMC (Япония). Ограничитель 8 может быть выполнен, например, на основе двуханодного стабилитрона или двух встречно включенных обычных полупроводниковых стабилитронов КС 147.
-1
Длительность импульса и мощность источника 2 возбуждающего излучения выбраны так, чтобы обеспечить на первом выходе устройства 3 регистрации уровень сигнала люминесценции, достаточный, для обнаружения полезных минералов. Например, для «порогового» алмаза с минимально обнаруживаемой интенсивностью люминесценции 1.5 Вт/ср/Р•с сигнал люминесценции составит 100 мВ, а амплитуда сигнала люминесценции воздуха при этом может составлять 300-1000 мВ. Из-за большого разброса алмазов по интенсивности люминесценции величина регистрируемого устройством 3 сигнала может существенно превышать входной диапазон сигналов АЦП 9 и АЦП 10 (для типичных АЦП этот диапазон составляет ±5000 мВ). Поскольку в процессе регистрации переключение в динамике коэффициента усиления в устройстве 3 регистрации невозможно, при регистрации ярких минералов возникает ограничение сигнала, препятствующее использованию эффективного критерия разделения для выделения сигналов алмаза на фоне сигналов других люминесцирующих сопутствующих минералов. В частности, эффективно не могут быть использованы критерий разделения по соотношению «быстрой» и «медленной» компонент люминесценции
[Патент РФ на изобретение №2235599, В03В 13/06, В07С 5/342, 10.09.2004.] или критерий разделения в виде нормированной автокорреляционной функции [Патент РФ на изобретение №2249490, В07С 5/342, В03В 13/06, 10.04.2005.].
Таким образом, предлагаемые варианты люминесцентного сепаратора минералов обеспечивают возможность расширения рабочего амплитудного диапазона устройства 4 обработки сигнала люминесценции за счет одновременной обработки двумя АЦП (9 и 10) регистрируемого устройством 3 сигнала. Такое аналого-цифровое преобразование позволяет МП 12 эффективно использовать в предлагаемом сепараторе разделение минералов по критериям, обеспечивающим высокую селективность в широком диапазоне интенсивностей люминесценции.