СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В МАТЕРИАЛАХ
METHOD FOR DETERMINATION OF CHEMICAL ELEMENTS CONTENT IN MATERIALS

Изобретение относится к рентгенофлуоресцентным методам анализа элементного состава материала и может быть использовано на предприятиях горнодобывающей промышленности для непрерывного автоматического контроля содержания полезных компонентов в руде, находящейся на конвейере, в аналитических лабораториях, а также в геолого-разведочных работах.
Известен способ рентгенорадиометрического опробования руд [а.с. SU №1187040, МПК G01N 23/223, опубл. 23.10.1985 г.] с помощью зонда, содержащего источник и детектор излучения, заключающийся в облучении опробуемой руды коллимированным рентгеновским или гамма-излучением от источника излучения, регистрации детектором излучения интенсивностей характеристического рентгеновского излучения определяемых элементов и рассеянного излучения, по которым определяют искомые содержания. С целью повышения производительности опробования и исключения ложных результатов определяют смещение положения максимума аппаратурной линии рассеянного излучения, происходящее при изменении расстояния от зонда до поверхности опробуемой руды, и перемещают по вертикали зонд до компенсации смещения положения максимума аппаратурной линии рассеянного излучения, после чего осуществляют считывание результата измерения.
Недостатком данного способа является большое время считывания результата измерения вследствие сложности практической реализации механизма перемещения по вертикали зонда до компенсации смещения положения максимума аппаратурной линии рассеянного излучения.
Также из уровня техники известен способ рентгенорадиометрического опробования руды [а.с. SU №1755145, МПК G01N 23/223, опубл. 15.08.1992 г.], включающий облучение анализируемой руды рентгеновским или гамма-излучением, регистрацию характеристического и рассеянного излучений. С целью увеличения точности опробования предварительно определяют зависимость положения центра тяжести пика, рассеянного на энергетической шкале, от изменения расстояния зонд - руда, проводят регистрацию полного пика рассеянного излучения от анализируемой поверхности, определяют центр тяжести этого центра и по изменению его положения на энергетической шкале находят поправку на изменение расстояния зонд - руда.
Недостатком данного способа является низкая точность опробования руды из-за того, что при определении концентрации элемента не учитывают взаимного влияния регистрируемых характеристических рентгеновских излучений определяемых элементов (т.е. матричный эффект). Кроме того, при определении поправки на изменение расстояния зонд - руда по смещению положения центра тяжести пика рассеянного излучения требуется высокоточная дорогостоящая аппаратура измерения.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ рентгенорадиометрического опробования руд [а.с. SU №918828, МПК G01N 23/223, опубл. 07.04.1982 г.] в естественном залегании и в отбитой массе на содержание определяемых элементов, заключающийся в облучении опробуемой руды гамма- или рентгеновским излучением и регистрацией характеристического рентгеновского излучения определяемых элементов. С целью увеличения точности опробования измеряют интегральную плотность потока квантов вторичного излучения на различных расстояниях от зонда до поверхности руды и находят область инверсии в зависимости интегральной плотности квантов вторичного излучения от указанного расстояния. Устанавливают зонд на таком расстоянии от поверхности опробуемой руды, которое соответствует области инверсии и при этом положении зонда измеряют плотности потоков квантов характеристического излучения определяемых элементов, по которым судят об их содержании.
Недостатком известного способа является низкая точность опробования руды из-за того, что при определении поправки на изменение геометрии измерений не учитывают взаимного влияния регистрируемых характеристических рентгеновских излучений определяемых элементов (т.е. матричный эффект) и изменения величины высоты насыпки руды, перемещаемой по конвейеру.
Задачей изобретения является увеличение точности опробования руды за счет учета матричного эффекта и изменения высоты насыпки руды при определении поправки на изменение геометрии измерений.
j
j
j
j
k
j
ij
j
k
ij
ф
0
0
k
k
0
0
0
a
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе рентгенорадиометрического определения содержания химических элементов в руде, заключающемся в облучении руды гамма- или рентгеновским излучением и регистрации плотности потока квантов характеристического излучения определяемых элементов на различных расстояниях от зонда до поверхности руды, согласно изобретению выбирают М образцов сравнения с N известными концентрациями определяемых элементов , производят Н измерений расстояния h от зонда до поверхности i-го образца сравнения, на расстоянии h регистрируют плотность  потока квантов характеристического излучения k-го элемента, содержащегося в i-том образце сравнения, для i-го образца сравнения в результате случайным образом произведенной выборки из М значений плотности , потока квантов характеристического излучения k-го элемента на Н расстояниях h получают массив из М значений аналитического параметра  на Н расстояниях h, методом случайного поиска для k-й информативной области спектра, соответствующей характеристическому излучению k-го элемента, подбирают оптимальное значение коэффициента поправки на матричный эффект d при выполнении следующего условия: , где  - массив из М выборок значений аналитического параметра  на Н расстояниях h;  - массив из N значений концентраций k-го элемента в М образцах сравнения;  - коэффициент корреляции между массивами  и  для i-го образца сравнения находят аналитический параметр p, представляющий собой интегральную плотность  потока квантов характеристического излучения k-го элемента на расстоянии h с учетом оптимальных значений коэффициентов поправки на матричный эффект d, по формуле: , для i-го образца сравнения строят график зависимости аналитического параметра p от расстояния h зонд - материал, производят облучение руды на фиксированном расстоянии Н от зонда до поверхности ленты конвейера, измеряют текущее значение расстояния h от зонда до поверхности руды, для которого рассчитывают аналитический параметр p, представляющий собой интегральную плотность n потока квантов характеристического излучения k-го элемента с учетом оптимальных значений коэффициентов поправки на матричный эффект d, по формуле: , а концентрацию определяемого элемента С вычисляют по уравнению вида: c=·p+b,
ф
0
ij
- коэффициенты поправки на изменение геометрии измерений, определяемые при изменении расстояния от h=H до h=h по графику зависимости аналитического параметра p от расстояния h зонд - материал;
ij
ф
- среднее значение аналитического параметра p для М образцов сравнения при h=Н;
i
ij
0
p- значение аналитического параметра p для i-го образца сравнения при h=h;
- среднее значение концентрации k-го элемента для М образцов сравнения.
k
а
Введение коэффициентов поправки на матричный эффект d, учитывающих взаимное влияние на k-ю информативную область, соответствующую характеристическому излучению k-го элемента, соседних информативных областей в регистрируемом спектре, при расчете коэффициентов поправки на изменение геометрии измерений  и b позволяет скомпенсировать влияние общего химического состава опробуемой руды, перемещаемой по конвейеру, на результат опробования.
а
ij
ф
0
Определение коэффициентов  и b по графику зависимости аналитического параметра p от расстояния h зонд - материал при изменении расстояния от h=Н до h=h позволяет скомпенсировать влияния изменения высоты насыпки опробуемой руды, перемещаемой по конвейеру, на результат опробования руды.
k
k
Подбор оптимальных значений коэффициентов поправки на матричный эффект d методом случайного поиска при критерии максимизации коэффициента корреляции  между массивами  и  позволяет упростить аппаратную реализацию заявляемого способа и снизить погрешность определения коэффициентов d.
Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, на которых:
- на фиг.1 изображена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ;
- на фиг.2 изображена блок-схема алгоритма работы вычислительного блока, реализующего алгоритм определения содержания химических элементов в материале в соответствии с предлагаемым способом.
Структурная схема устройства, реализующего предложенный способ (см. фиг.1), содержит источник рентгеновского излучения 1, датчик рентгеновского излучения 2, измеритель расстояния 3 и вычислительный блок 4. Соответствующие управляющие выходы вычислительного блока 4 соединены с соответствующими входами источника рентгеновского излучения 1, датчика рентгеновского излучения 2 и измерителя расстояния 3. Выходы датчика рентгеновского излучения 2 и измерителя расстояния 3 соединены с соответствующими входами вычислительного блока 4.
Способ реализуют в два этапа следующим образом.
На первом этапе производят опробование М образцов сравнения с N известными концентрациями определяемых элементов .
j
j
j
k
Источником рентгеновского излучения 1 облучают i-й образец сравнения с N известными концентрациями определяемых элементов . Датчик рентгеновского излучения 2 устанавливают на расстоянии h от зонда до поверхности i-го образца сравнения, измеренное с помощью измерителя расстояния 3. На расстоянии h регистрируют плотность  потока квантов характеристического излучения k-го элемента, содержащегося в i-м образце сравнения. Измерения производят до тех пор, пока не будет получены М значений  на Н расстояниях h. Затем после цикла измерений методом случайного поиска для k-й информативной области спектра, соответствующей характеристическому излучению k-го элемента, подбирают оптимальные значения коэффициентов поправки на матричный эффект d при выполнении следующего условия:
,
j
ij
j
k
где  - массив из М выборок значений аналитических параметров  на Н расстояниях h; d - случайное число;  - массив из N значений концентраций k-го элемента в М образцах сравнения;  - коэффициент корреляции между массивами  и . Для i-го образца сравнения находят аналитический параметр p, представляющий собой интегральную плотность  потока квантов характеристического излучения k-го элемента на расстоянии h с учетом оптимальных значений коэффициентов поправки на матричный эффект d по формуле:
.
ij
Для i-го образца сравнения строят график зависимости аналитического параметра p от расстояния h зонд - материал, которая описывается уравнением вида:
,
a
n
где n - степень многочлена;  - коэффициенты многочлена, определяемые, например, с помощью интерполяционного многочлена Лагранжа [Справочник по высшей математике / А.А.Гусак, Г.М.Гусак, Е.А.Бричикова. - Мн.: ТетраСистемс. 1999, стр.497-498]:
.
ф
0
0
k
0
0
k
k
На втором этапе осуществляют опробование перемещаемой по конвейеру руды в реальном режиме времени. Датчик рентгеновского излучения 2 устанавливают на фиксированном расстоянии Н от зонда до поверхности ленты конвейера. С помощью измерителя расстояния 3 измеряют текущее значение расстояния h от зонда до поверхности руды. На расстоянии h регистрируют плотности n потока квантов характеристического излучения определяемых элементов, содержащихся в опробуемой руде. Для текущего значения расстояния h рассчитывают аналитический параметр p, представляющий собой интегральную плотность n потока квантов характеристического излучения k-го элемента с учетом оптимальных значений коэффициентов поправки на матричный эффект d, по формуле:
.
i
ф
0
а
По графику зависимости p(h) определяют коэффициенты  и b поправки на изменение геометрии измерений при изменении расстояния от h=Н до h=h по соответствующим формулам:
и ,
а
a
i
ф
0
i
ф
0
i
ij
0
ij
н
ф
0
0
0
0
где  - коэффициент, характеризующий наклон зависимости p(h) при изменении значения расстояния от h=Н до h=h; b - коэффициент, характеризующий смещение наклона зависимости p(h) при изменении значения расстояния от h=Н до h=h; p - значение аналитического параметра p для i-го образцов сравнения при h=h;  - среднее значение аналитического параметра p для М образцов сравнения;  - среднее значение концентрации k-го элемента для М образцов сравнения. Высота насыпки руды, перемещаемой по конвейеру, равна h = H-h. Концентрацию определяемого элемента C вычисляют по формуле: c=·p+b.
При реализации заявляемого способа с помощью устройства, представленного на фиг.1, каждая операция выполняется по команде с соответствующих управляющих выходов вычислительного блока 4. Вычислительный блок 4 осуществляет обработку вводимых данных поэтапно (см. фиг.2). Вычислительный блок 4 в связи с большим объемом вычислений и сложностью управляющих алгоритмов и программ необходимо реализовать, например, на основе микропроцессора Intel 80386 или его современных быстродействующих аналогов (Intel Pentium 1, 2, 3, 4) по типовой структуре, описанной, например, в [Брамм П., Брамм Д. Микропроцессор 80386 и его программирование: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, стр.13].
Ni
Cu
j
Пример. Проверка работы способа проводилась на государственном стандартном образце ГСО 8774-2006 г. (РПТ-7) с известными концентрациями никеля C=2,42% и меди C=3,88% по средством РКС-КМ зав. №9 в нормальных условиях. В таблице представлены результаты определения концентраций никеля Ni и меди Cu в образце ГСО 8774-2006 г. (РПТ-7) на 20 расстояниях h от зонда до поверхности образца по предлагаемому и известному способам.
пред
пред
изв
изв
Как видно из таблицы, по предлагаемому способу максимальные относительные погрешности определения никеля R(Ni) и меди R(Cu) по модулю составляют 9,96% и 4,64% соответственно, в отличие от максимальных значений по модулю относительных погрешностей определения никеля R(Ni) и меди R(Cu) по известному способу, равных 39,26% и 38,66% соответственно. Таким образом, по предлагаемому способу точность опробования руды в несколько раз выше, чем точность опробования руды по известному способу.
Таблица
Способ определения содержания химических элементов в материалах
h<sub>j</sub>, м
C<sup>N</sup>, %
C<sup>Cu</sup>, %
Относительная погрешность способа
Предлагаемый способ
Известный способ
Предлагаемый способ
Известный способ
Известный
Предлагаемый
R(Ni)<sub>изв</sub>
R(Cu)<sub>изв</sub>
R(Ni)<sub>пред</sub>
R(Cu)<sub>пред</sub>
0,2
2,179
1,65
3,899
3,34
31,82%
-13,92%
-9,96%
0,49%
0,25
2,238
2,13
3,775
4,21
-11,98%
8,51%
-7,52%
2,71%
0,3
2,508
3,32
3,741
2,38
37,19%
-38,66%
3,64%
-3,58%
0,35
2,333
3,2
3,7
2,59
32,23%
-33,25%
-3,60%
-4,64%
0,4
2,536
1,5
3,708
5,23
-38,02%
34,79%
4,79%
-4,43%
0,45
2,558
1,73
3,938
4,74
-28,51%
22,16%
5,70%
1,49%
0,5
2,331
1,95
4,059
5,34
-19,42%
37,63%
-3,68%
4,61%
0,55
2,491
3,22
3,792
5,12
33,06%
31,96%
2,93%
-2,27%
0,6
2,286
2,65
3,893
3,56
9,50%
-8,25%
-5,54%
0,34%
0,65
2,386
1,87
3,922
3,02
22,73%
-22,16%
-1,40%
1,08%
0,7
2,391
2,38
3,908
2,76
-1,65%
-28,87%
-1,20%
0,72%
0,75
2,439
1,54
3,994
3,85
-36,36%
-0,77%
0,79%
2,94%
0,8
2,658
1,79
3,761
4,87
-26,03%
25,52%
9,83%
-3,07%
0,85
2,222
1,47
3,893
2,58
-39,26%
-33,51%
-8,18%
0,34%
0,9
2,472
3,04
3,839
5,12
25,62%
31,96%
2,15%
-1,06%
0,95
2,386
1,25
3,804
4,62
-23,55%
19,07%
1,40%
-1,96%
1
2,339
2,18
3,858
3,55
-9,92%
-8,51%
-3,35%
-0,57%
1,05
2,624
1,65
3,916
2,83
31,82%
27,06%
8,43%
0,93%
1,1
2,593
1,93
3,891
3,62
-20,25%
6,70%
7,15%
0,28%
1,15
2,402
2,25
3,789
4,51
-7,02%
16,24%
-0,74%
-2,35%
Среднее:
2,4186
2,165
3,854
3,892
-10,54%
0,31%
-0,00058%
-0,0067%