Анализ погрешностей измерений объемной плотности угля на ленточном конвейере при испытании макета радиоизотопной измерительной системы

Analysis of measurement errors the bulk density of coal on a conveyor belt in a test layout

radioisotope measuring system Voytyuk I

Войтюк Ирина Николаевна / Voytyuk Irina - кандидат технических наук, ассистент кафедры, кафедра электротехники, электроэнергетики, электромеханики, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург

Аннотация: в статье описаны физические процессы взаимодействия гамма-излучения с потоком сыпучего материала; изложен принцип действия радиоизотопной измерительной системы для определения объемной плотности угольного потока на ленточном конвейере; приведена методика и результаты испытаний исследуемого макета.

Abstract: this article presents the description of the physical processes of the interaction of gamma radiation with a granular material flow; the presentation of the operating principle of radioisotope measuring system for determining the apparent density of the coal flow on belt conveyor; methodology and results of testing of the layout.

Ключевые слова: объемная плотность, угольный поток, пустая порода, гамма-излучение, абсолютная и относительная погрешность.

Keywords: apparent density, coal flow, draw rock, gamma radiation, Absolute and relative error.

Изменение интенсивности потока узкого пучка прямого гамма-излучения, прошедшего сквозь слой вещества объемной плотностью у, толщиной d и постоянными во времени свойствами, подчиняется экспоненциальному закону Гуго-Ламберто-Берра [1]:

4р = Io  exP(-Цо d) = Iо • exp(-ц-у-d), (1) где I0, I - интенсивности потока прямого излучения при отсутствии и при наличии контролируемой

среды соответственно; ц0, ц - линейный и массовый коэффициенты ослабления прямого излучения средой.

При взаимодействии с веществом, наряду с прямым, возникает рассеянное излучение, которое распространяется во всех направлениях. Интенсивность потока рассеянного излучения, прошедшего через контролируемое вещество с объемной плотностью у, при определенных условиях также описывается экспоненциальной зависимостью:

I рас = 10 - eXP (-Ц0 - d )= 10 - eXP (-Ц-У-d - k) (2) где I - интенсивность потока рассеянного излучения; k - поправка коэффициента линейного

ослабления для рассеянного излучения; d, I о - коэффициенты.

После сложения двух интенсивностей, получим суммарную интенсивность гамма - квантов:

I = hp + Iрас = Iо  exp

Измерительная система, основанная на данном методе, состоит из блока гамма-излучения (БГИ), ленточного конвейера, транспортируемого материала, блока детектирования (БД) и блока регистрации, преобразования и передачи измерительной информации. Блок гамма-излучения вместе с блоком детектирования образуют первичный преобразователь. Вторичным преобразователем служит блок регистрации, преобразования и передачи измерительной информации.[2-4] Принцип действия радиоизотопной измерительной системы (РИИС) основан на измерении объемной плотности потока полезного ископаемого при транспортировании его на ленточном конвейере путем пропускания через контролируемую среду у — излучения строго коллимированного источника у — квантов от БГИ и регистрации в БД интенсивностей прямого и рассеянного излучений, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Функциональная схема измерительной системы

По степени ослабления излучения и характеру пульсаций информативного параметра в определенном энергетическом спектре можно оценить объемную плотность, теоретическая зависимость которой от суммарной интенсивности гамма - квантов согласно выражению 3 определяется:

у =

1

1п

• ё •

Для реализации метода измерения, выяснения стабильности работы первичных измерительных преобразователей системы, диапазона и погрешности измерений объемной плотности угля, чувствительности к изменению химического состава контролируемого вещества был разработан и исследован макет РИИС.

Согласно проведенным испытаниям РИИС максимальную измерительную информацию можно получить при установке блока детектирования 2 на расстоянии 1м от блока гамма-излучения при совпадении их оптических осей. При градуировке в качестве контролируемой среды использовались пробы каменного угля в диапазоне от 1.0 до 1.4 г/см3. Требуемые значения объемных определялись путем взвешивания в определенном объеме контролируемых сред.

В процессе градуировки снимались интенсивности выходного сигнала блока детектирования 2 для различных объемных плотностей и фиксированных толщин контролируемых материалов, равных 15, 20 и 25см. Данные градуировки представлены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты градуировочных испытаний РИИС по объемной плотности каменного угля

Объемная 4 м

плотность 0,15 0,2 0,25

угля, У у, г / см3 Суммарные интенсивности гамма-излучения с выхода блока детектирования

1 теор 1 эксп 1 теор 1 эксп 1 теор 1 эксп

1,0 74911,29 76654 28682,99 26532 7480,53 9273

1,1 48168,47 45362 16755,13 18356 3820,20 3356

1,2 30972,65 33734 9787,48 8867 1950,92 2100

1,3 19915,62 17351 5717,34 7243 996,31 854

1,4 12805,88 10721 3339,77 2934 508,80 657

Объемная Абсолютные и относительные пог] решности измерений объемной плотности

плотность

угля, У у , 8 абс 8 отн 8 абс 8 отн 8 абс 8 отн

г / см3

1,0 5 0,52 -14 -1,45 31 3,19

1,1 -13 -1,23 16 1,54 -19 -1,75

1,2 19 1,611 -18 -1,53 10 0,91

1,3 -31 -2,40 43 3,38 -22 -1,76

1,4 -40 -2,87 -24 -1,72 38 2,71

Полученные семейства кривых аппроксимировались квадратичной зависимостью типа I = /(у) = ау2 + Ьу + с. Аппроксимации результатов эксперимента представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Графики зависимостей интенсивности импульсов от объемной плотности угля

По результатам испытаний РИИС относительные погрешности измерений объемной плотности составили в среднем 2,5%. В ходе испытаний выявлено, что случайная составляющая погрешности измерений обусловлена в основном случайным характером процессов излучения, взаимодействия с контролируемой средой и регистрации квантов гамма-излучения. Для уменьшения погрешности до требуемого значения, при расчете необходимого объема накопленных при регистрации гамма-излучения данных, необходимо исходить только из информативной (полезной) составляющей сигналов блоков детектирования, а не из суммы полезного и фонового сигналов.

Случайные погрешности возникают также в результате многократного преобразования сигнала измерительной информации.

Систематическая составляющая погрешности измерений каналами прямого и рассеянного гамма-излучений обусловлена нелинейностью выходных сигналов блоков детектирования, вызванных неточностями при первичном градуировании физических характеристик контролируемых сред.

Литература

1. Лейпунский О. И. Распространение гамма - квантов в веществе. - М.: Физматгиз, 1960. - 284с.

2. Войтюк И.Н. Автоматическая компенсация влияния мешающих факторов на измерение объемной массы угля из очистного забоя / Р.М. Проскуряков, И.Н. Войтюк, А.В. Коптева // Записки Горного института: РИЦ СПГГИ (ТУ). - Т. 195. - СПб. - 2012. - С.281-284.

3. Войтюк И.Н. Критерии и алгоритмы управления угольными потоками в процессе их транспортирования // Материалы 9-ой Международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». - Воркута. - 2011. - С. 257-259.

4. Войтюк И.Н. Автоматическая корректировка метрологических характеристик измерителей случайных сигналов первичного преобразователя анализатора жидкостных потоков / Р.М. Проскуряков, А.В. Коптева, И.Н. Войтюк // Записки Горного института: РИЦ СПГГИ (ТУ). - Т. 195. - СПб. - 2012. -С.277-280.