РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЙ СЕПАРАТОР МИНЕРАЛОВ
RADIOGRAPHIC SEPARATOR OF MINERALS

Область техники
Изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых, а именно к устройствам для разделения дробленого минерального материала на обогащаемый и хвостовой продукты, в которых разделение основано на отличии в степени поглощения рентгеновского излучения различными минералами
Предложенное устройство может применяться для рентгенографической сепарации минералов, в частности, алмазосодержащей породы различных классов крупности.
Уровень техники
Известные сепараторы материалов содержат следующие общие функциональные блоки:
а) блок транспортировки частиц исходного материала, предназначенный для организации, как правило, монослойного потока исходного материала определенной ширины через зону обнаружения в зону отделения;
б) блок источника электромагнитного излучения для облучения части потока исходного материала;
в) блок детектирования прошедшего через исходный материал излучения, образующие зону обнаружения;
г) блок аналого-цифрового преобразования (АЦП) сигналов блока детектирования;
д) блок управления и обработки сигналов, полученных от блока детектирования;
е) блок отделения целевого материала из потока сепарируемого материала;
ж) блок приемных устройств для раздельного сбора целевого материала и остального.
Известен, например, сепаратор для отделения полимерных материалов из твердых бытовых отходов, использующий характеристики поглощения/пропускания электромагнитного излучения для разделения материалов разного химического состава с производительностью, позволяющей использовать его в промышленных масштабах [Патент США № 5339962]. В описанном сепараторе блок транспортировки частиц исходного материала является многоканальным и выполнен в виде конвейера (транспортера) и ускоряющего лотка, установленного на сходе частиц исходного материала с транспортера. В блоке источника электромагнитного излучения может быть использована рентгеновская трубка с линейным фокусом, энергия излучения которой достаточна для ее измерения в блоке детектирования после прохождения через частицы материала. Блок детектирования прошедшего через материал излучения выполнен в виде множества детекторов, каждый из которых соответствует одному из каналов регистрации. Детекторы выбраны таким образом, чтобы обеспечить оптимальную чувствительность к используемым длинам волн излучения источника. Источник излучения, расположенный над выходным краем ускоряющего лотка, и детекторы, расположенные с противоположной стороны выходного края лотка, определяют зону обнаружения. Устройство обработки сигналов от блоков детектирования состоит из двух секций: блока обработки аналоговых сигналов детекторов и блока обработки цифровых массивов сигналов детекторов. Блок обработки аналоговых сигналов детекторов включает нормирующие усилители, устройства выборки и хранения аналогового типа, управляемые микроконтроллером и аналоговый мультиплексор, управляемый микроконтроллером, обеспечивающий последовательное подключение сигналов каждого детектора к аналого-цифровому преобразователю. Блок обработки цифровых массивов сигналов детекторов включает микроконтроллер, ПЗУ для хранения системных параметров, ПЗУ для хранения программы, которая управляет микроконтроллером, ОЗУ для хранения оцифрованных данных, полученных от детекторов в течение времени, необходимого для выполнения процессором операций, заданных алгоритмом управляющей программы. Блок отделения целевого материала из потока исходного материала расположен за выходным краем ускоряющего лотка по направлению движения потока и выполнен в виде множества эжекторов давления воздуха, число которых, как правило, соответствует числу детекторов излучения (каналов). Блок отделения связан с соответствующими выходами процессора, предназначенными для независимого управления эжекторами давления воздуха соответствующих каналов транспортировки исходного материала, через выходную секцию, с размещенными в ней драйверами эжекторов, число которых также соответствует числу каналов. Блок приемных устройств выполнен в виде двух транспортеров, расположенных параллельно и разделенных перегородкой для раздельной приемки целевого материала и остального.
Для разделения полимерных материалов в этом сепараторе в качестве характеристики разделения выбрано нормированное значение регистрируемых детекторами величин интенсивности прошедшего/поглощенного электромагнитного излучения, энергия которого выбирается исходя из абсорбционных свойств материала сортируемых объектов. Полученное таким образом с помощью процессора значение характеристики разделения сравнивают с заданным пороговым значением и по результату сравнения разделяют поток массы сортируемых объектов на целевой полимерный материал и остальное.
Основные недостатки такого сепаратора, хорошо сортирующего, например отходы ПВХ от полиэстера, но ограничивающие его применение для других видов материалов, в частности для сепарации алмазосодержащего минерального сырья, очевидны, это:
- Неудовлетворительная селективность (точность) разделения материалов, так как используемый «пороговый» способ разделения недостаточно учитывает влияние толщины материала на измеряемые интенсивности излучения;
- Низкая производительность сепаратора для обработки материалов мелких классов крупности, т.к. увеличение количества детекторов, необходимое для их обнаружения, приведет к длительному преобразованию и обработке сигналов блоком обработки аналоговых сигналов детекторов.
Известен сепаратор для обогащения различных пород полезных ископаемых и, в частности, для сепарации алмазосодержащей породы [Патент РФ № 2470714]. В этом сепараторе блок транспортировки частиц исходного материала выполнен в виде конвейера (транспортера) для создания монослойного потока частиц исходного материала. Блок источника электромагнитного излучения выполнен в виде двух моноэнергетичных источников рентгеновского излучения, энергии которых не равны друг другу, например рентгеновских трубок, каждый из которых снабжен средствами для формирования узкого пучка излучения, последовательно расположенных в направлении движения потока частиц исходного материала над его поверхностью. Блок детектирования прошедшего через частицы излучения выполнен в виде двух линейных рентгеночувствительных детекторов, последовательно расположенных в направлении движения потока частиц исходного материала под его поверхностью. Каждый детектор расположен таким образом, что обеспечивает регистрацию интенсивности прошедшего через частицы исходного материала излучения только от соответствующего ему источника излучения. При этом детекторы выполнены таким образом, что максимум спектральной чувствительности каждого из детекторов соответствует только одному из двух энергетических диапазонов и обеспечивают регистрацию прошедшего через частицы исходного материала излучения соответствующего ему источника только в одном энергетическом диапазоне. Источники излучения и соответствующие им детекторы образуют двухканальную зону обнаружения, в которой каждому каналу соответствует своя пара источник - детектор. Блок обработки сигналов выполнен на основе компьютерного средства, включающего модуль вычисления значения характеристики разделения каждой частицы исходного материала в потоке и модуль сравнения полученного значения характеристики разделения с заданным значением характеристики разделения для обогащаемого минерала - алмаза, для функционирования которых предусмотрена специальная компьютерная программа, размещенная в соответствующем модуле компьютерного средства и обеспечивающая связь устройства обработки с блоком отделения при выполнении заданных условий сравнения. Блок отделения выполнен в виде механизма сброса для изменения траектории движения частиц обогащаемого минерала - алмаза и направления их в блок приемных устройств, выполненный в виде накопителя.
В качестве характеристики R разделения в этом сепараторе выбрано отношение коэффициентов ослабления частицей материала рентгеновского излучения двух выбранных энергетических диапазонов, значение которой вычисляется на основе полученных измерений по формуле (1)
R = μk(E1) / μk(E2) = ln[I1(E1) / I2(E1)] / ln[I1(E2) / I2(E2)], где
μk(E1) - коэффициент ослабления частицей материала рентгеновского излучения с энергией Е1;
μk(E2) - коэффициент ослабления частицей материала рентгеновского излучения с энергией Е2;
I1(E1) - интенсивность рентгеновского излучения от первого источника излучения, прошедшего только через ленту транспортера;
I2(E1) - интенсивность рентгеновского излучения от первого источника, прошедшего через ленту и частицу материала;
I1(E2) - интенсивность рентгеновского излучения от второго источника излучения, прошедшего только через ленту транспортера;
I2(E2) - интенсивность рентгеновского излучения от второго источника излучения, прошедшего через ленту и частицу материала.
При совпадении полученного численного значения характеристики разделения R частицы с заданным численным значением характеристики R разделения для алмаза блок сортировки осуществляет изменение траектории движения этой частицы таким образом, чтобы она попала в накопитель.
В описанном документе предложено техническое решение задачи повышения извлечения обогащаемого минерала - алмаза независимо от диапазона толщин отдельных частиц исходного материала в технологическом классе крупности.
Авторы предложенного технического решения также отмечают важность облучения породы моноэнергетичными пучками излучения, при этом для обеспечения максимального извлечения алмазов решающее значение имеет выбор энергии источников излучения E1 и Е2.
Однако, проведенная авторами настоящего изобретения практическая проверка предложенного технического решения на реальном алмазосодержащем материале класса +3 - 6 мм хотя и показала достаточно высокое извлечение обогащаемого минерала - алмаза, но выявила его низкую селективность: большое число ложных отсечек на алмаз. Наряду с реальными алмазами в концентрат попадало большое число плоских частиц (пластинок) сопутствующих минералов размерами до 6 мм толщиной 0.5-1 мм, присутствующих в реальном исходном материале. Низкая селективность предложенного технического решения, по-видимому, является следствием как недостаточно монохроматического характера спектров источников рентгеновского излучения, так и неоптимального выбора используемых энергетических диапазонов.
Таким образом, предложенное в описанном документе решение с использованием двухэнергетической схемы, к сожалению, не решает до конца все практические проблемы выделения алмазов в материале. Это связано с тем, что характеристика R в выражении (1) вычисляется для конкретных значений энергий, в то время как спектр излучения реальных рентгеновских трубок - не монохроматический (рентгеновское излучение каждой трубки соответствует диапазону и .
Известен сепаратор для разделения материалов, также использующий характеристики поглощения/пропускания электромагнитного излучения предназначенный, в основном, для сортировки частиц различных полимерных смол с целью последующей переработки [Патент США № 9566615]. В этом сепараторе блок транспортировки частиц исходного материала выполнен в виде конвейера. В блоке источника электромагнитного излучения может быть использована рентгеновская трубка с линейным фокусом, энергия, предпочтительно тормозного, излучения которой содержит два различных энергетических диапазона. Блок детектирования прошедшего через частицы излучения содержит линейный детектор, состоящий из линеек, представляющих собой набор из множества пикселей и обеспечивающих оптимальную чувствительность только к одному из выбранных энергетических диапазонов излучения рентгеновской трубки. Блок источника излучения и блок детектирования, протяженность которого соответствует ширине ленты конвейера, расположены друг против друга на участке свободного падения частиц исходного материала после конвейера таким образом, что траектория движения частиц находится между ними и определяют зону обнаружения. Устройство обработки сигналов блока детектирования включает: блок получения цифровых значений сигналов IL и IH, соответственно интенсивности излучения низкой энергии, прошедшего через частицу исходного материала, и интенсивности излучения высокой энергии, прошедшего через ту же частицу исходного материала, соединенного с выходами соответствующих линеек детектора через АЦП, блок хранения и установки системных параметров, таких как пороговое значение сигнала ILp, пороговое значение характеристики разделения Sp, дифференциальный параметр k; первый блок определения, предназначенный для сравнения значений сигналов IL, из блока получения цифровых значений сигналов IL и IH, с пороговым значением сигнала ILp из блока установки; блок вычисления для получения текущего значения характеристики разделения S; второй блок определения, предназначенный для сравнения текущего значения S из блока вычисления с ее заданным пороговым значением Sp из блока установки; выходную секцию, входы которой соединены с соответствующими выходами первого и второго блоков определения, а выход - со входом блока сортировки. Блок отделения частиц целевого материала из потока исходного материала расположен за зоной обнаружения по направлению движения потока частиц и может быть выполнен в виде множества эжекторов давления воздуха. Блок приемных устройств может быть выполнен в виде бункеров для раздельной приемки частиц целевого материала и других частиц.
Пороговое значение сигнала ILp устанавливается на значение, меньшее, чем интенсивности IL прошедшего рентгеновского излучения для всех частиц материала заданных фракций. Интенсивности IL прошедшего рентгеновского излучения заранее измеряются для группы заданных фракций частиц сортируемых смол, имеющих максимально возможную толщину. Первый этап «пороговой» сепарации заключается в сравнении сигналов IL с пороговым значением ILp в первом блоке определения и обеспечивает определение частиц исходного материала точно не относящихся к заданным фракциям, но не позволяет точно определить частицы заданных фракций из-за влияния толщины частиц на интенсивность сигнала IL.
Параметр S в качестве характеристики разделения выбран для разделения частиц материалов, которые могут быть отнесены к заданным фракциям. Текущее значение параметра S рассчитывается в блоке вычисления для каждого пикселя в соответствующей линейке детектора по формуле (2):
S=loge(IL/I0)-k⋅loge(IH/I0)=-(μL-k⋅μH)t, где
IL - интенсивность передаваемого рентгеновского излучения низкой энергии относительно измеряемого объекта;
IH - интенсивность передаваемого рентгеновского излучения высокой энергии в отношении измеряемого объекта;
I0 - интенсивность рентгеновского излучения источника;
μL - коэффициент затухания для рентгеновского излучения с низкой энергией;
μH - коэффициент затухания для высокоэнергетического рентгеновского излучения;
t - толщина измеряемого объекта;
k - дифференциальный параметр, который является произвольной константой.
Для идентификации частиц заданных фракций значение параметра k устанавливается таким, при котором значение параметра разделения S=0.
Следует отметить, что для повышения точности (селективности) разделения в устройство обработки сигналов блока детектирования может быть дополнительно включено 4 блока для периодического проведения корректировки пороговых значений ILp, Sp и дифференциального параметра k по результатам предыдущих измерений.
Недостатки этого сепаратора, ограничивающие эффективность его применения для других видов материалов, в частности для сепарации алмазосодержащего минерального сырья:
- Усложнение конструкции блока детектирования из-за наличия дополнительных электронно-вычислительных устройств для двухэтапного разделения материалов, особенно в случае применения операций корректировки системных параметров ILp, Sp и k, и соответственно, увеличение длительности обработки сигналов;
- Сложность настройки схемы адаптации пороговых значений, вызванная необходимостью применения операций корректировки системных параметров в зависимости от характеристик сопутствующего материала;
- Негарантированная эффективность на мелком, например алмазосодержащем материале, из-за длительного периода набора статистических данных, необходимых для корректировки системных параметров.
Известен также принятый авторами настоящего изобретения за прототип сепаратор для разделения материалов, предназначенный, в основном, для сортировки мелких частиц металла, например винты и гайки, и использующий характеристики поглощения/пропускания электромагнитного излучения [Патент РФ № 2344885]. Предлагаемое техническое решение направлено на решение задачи, заключающейся в создании безопасного экономичного устройства для надежного обнаружения мелких частиц, в основном металла, обеспечивающего их надежное отделение от потока остального навалочного (исходного) материала благодаря позиционированию выдувающих сопел непосредственно после места наблюдения. В этом сепараторе блок транспортировки частиц исходного материала выполнен в виде конвейера. В блоке источника электромагнитного излучения может быть использована рентгеновская трубка, энергия, предпочтительно тормозного, излучения которой содержит два различных энергетических диапазона. Блок детектирования прошедшего через частицы излучения содержит, по крайней мере, две детекторные линейки, сформированные линейными многопиксельными фотодиодными матрицами. Установленные перед соответствующими детекторными линейками фильтрующие устройства, предназначенные для пропускания рентгеновского излучения с различными энергетическими спектрами, обеспечивают в каждой из линеек оптимальную чувствительность только к одному из выбранных энергетических диапазонов излучения рентгеновской трубки. Блок детектирования, протяженность которого соответствует ширине ленты конвейера, может содержать, например, десять расположенных поперек ленты конвейера детекторных линеек. Блок источника излучения и блок детектирования, расположенные друг против друга по разные стороны относительно ленты конвейера, определяют зону обнаружения. Аналоговые выходы детекторных линеек соответствующих энергетических диапазонов соединены с входами соответствующих АЦП для перевода сигнала интенсивности в цифровую форму с 14-разрядным динамическим диапазоном. Устройство обработки сигналов блока детектирования включает устройства памяти типа FIFO для записи цифровой формы сигналов интенсивности детекторных линеек соответствующих энергетических диапазонов излучения и последовательными интерфейсами, выход которых соединен с входом мультиплексора для преобразования сигналов в последовательный поток байтов данных. Выход мультиплексора через стандартный последовательный интерфейс соединен с компьютерным средством оценки для определения характеристики каждой из частиц исходного материала на основе анализа двух рентгеновских изображений, регистрируемых блоком детектирования. После аппаратного демультиплексирования последовательного потока байтов данных на два канала обработки сигналов интенсивности высокой и низкой энергий и коррекции уровней черного/белого для каждого элемента разложения детекторных линеек в отдельности, компьютерное средство оценки реализует алгоритм обработки информации от регистрирующих средств, включающий подавление шума в сигнале, обеспечиваемое независимо для данных каждого энергетического канала процедурой, аналогичной сглаживанию усредняющим фильтром нескольких строк изображения временно хранящихся в буферном запоминающем устройстве. Далее данные параллельно обрабатываются следующим образом:
а) определяется усредненное пропускание анализируемой частицы для получения среднего результирующего пропускания в соответствующем энергетическом диапазоне спектра,
б) определяется класс атомной плотности анализируемой частицы из интенсивностей двух каналов изображений в различных спектрах на основе n-классов усредненной атомной плотности, по числу элементов разложения детекторных линеек, которые слабо зависят от пропускания рентгеновского излучения и, соответственно, от толщины частицы. При наличии априори известных средних атомных плотностей типичных материалов в сортируемом продукте, появляется возможность отнесения различных частиц сепарируемого продукта к тому или иному типу материала. А при калибровке предложенного сепаратора по образцам типичных материалов в сортируемых продуктах минимизируются и аппаратно-зависимые проблемы качества сортировки.
Затем на основе усредненного пропускания и класса атомной плотности формируются характеристические классы для присвоения характеристического класса материала каждому пикселю фотодиодных матриц, в которых зарегистрирован сигнал при прохождении частиц сепарируемого материала. Морфологический фильтр используется для оценки параметров формы частицы сепарируемого продукта на основе априорных знаний об обрабатываемых продуктах. Алгоритм обрабатывает характеристические классы как изображения и с учетом данных морфологической фильтрации вырабатывает решение об отнесении анализируемой частицы сепарируемого продукта к тому или иному известному материалу на основе численного критерия соответствия. Блок сортировки для отделения частиц заданных фракций из потока исходного материала выполнен в виде выдувающего устройства с линейкой выдувающих сопел, расположенной на участке падения материала после конвейерной ленты перпендикулярно направлению его движения. Блок приемных устройств может быть выполнен в виде бункеров для раздельной приемки целевого материала и других частиц.
В предложенном сепараторе устройство обработки сигналов блока детектирования выполнено таким образом, чтобы обеспечить идентификацию сепарируемых частиц, как по их форме, так и по содержащемуся в них материалу, с помощью создания и анализа их характеристических изображений.
Однако такая идентификация объектов (сепарируемых частиц) представляется избыточной при сепарации минерального сырья, в частности алмазосодержащего минерального сырья.
Недостатки этого сепаратора, ограничивающие эффективность его применения:
- Недостаточная селективность (точность) разделения материалов, так как используемый в сепараторе морфологический фильтр с анализом непосредственно пиксельных данных изображений будет малоэффективен для отбора гораздо большего разнообразия форм частиц полезных минералов в алмазосодержащих рудах, нежели в задачах извлечения металлических включений из материалов бытовых или промышленных отходов легких фракций;
- Аппаратурная сложность, связанная с наличием, с одной стороны, мультиплексора для последовательного считывания данных из множества линеек, а с другой стороны демультиплексора, разделяющего информацию каналов низкой и высокой энергий для математической обработки;
- Ограниченная производительность из-за последовательного считывания данных с линейных фотодиодных матриц.
Ограничение производительности поясняется следующими соотношениями. В общем случае, размер (ширина поперек ленты) элемента детекторного средства определяется минимальным классом крупности материала, а скорость транспортирования не может превышать значения перемещения транспортерной ленты на одну «строку» (длину детекторной линейки в направлении движения потока частиц исходного материала), отнесенного к времени считывания этой «строки».
Так, например, при ширине транспортерной ленты 300 мм, числе детекторных средств - 2, длине линейной фотодиодной матрицы 50 мм (например, S8865 - Hamamatsu), времени считывания каждой матрицы от 0,4-1,0 мс, - общее время tc считывания (12 матриц) составит от 4,8 до 12 мс. Предполагая пиксели матрицы с размерами a×b=0,4×0,6 мм (S8865 - Hamamatsu), получим скорость конвейера: v=b/ tc, т.е. примерно от 0,125 до 0,05 м/с, соответственно, ограниченную производительность.
Как средство преодоления этого недостатка в сепараторе предлагается секционирование - кратное увеличение ширины транспортерной ленты с соответствующим увеличением количества детекторных матриц считывающих устройств, снабженных отдельным питанием и генераторами сигналов синхронизации, что, в конечном счете, усложняет устройство.
Таким образом, сохраняется потребность в разработке простого в исполнении, производительного устройства, позволяющего с высокой селективностью осуществлять сепарацию алмазосодержащего сырья при сохранении высокого процента извлечения.
Раскрытие сущности изобретения
В настоящем изобретении предложено устройство, а именно, рентгенографический сепаратор минералов содержащий:
блок транспортировки исходного материала для организации монослойного потока отдельных частиц,
блок источника рентгеновского излучения, выполненный с возможностью облучения по всей ширине участка этого потока перпендикулярно направлению его транспортировки, и
блок детектирования, выполненный в виде по меньшей мере двух детекторных линеек, сформированных линейными рентгеночувствительными многопиксельными фотодиодными матрицами, установленными перпендикулярно направлению транспортировки частиц исходного материала, для раздельной регистрации в различных энергетических диапазонах распределения интенсивности излучения, прошедшего через облучаемый участок потока исходного материала, причем источник рентгеновского излучения и детекторные линейки расположены по разные стороны потока частиц исходного материала,
блок аналого-цифровых преобразователей (АЦП), последовательно соединенных с устройствами памяти типа FIFO,
блок обработки, выполненный в виде компьютерных средств, включающих объединенные системной шиной,
процессор,
устройство оперативной памяти (ОЗУ) для сбора и хранения цифровых значений интенсивности излучения, полученных от блока АЦП,
устройства постоянной памяти (ПЗУ) с размещенными в них программами для управления работой сепаратора и определения характеристики частиц потока исходного материала, а также для хранения предварительно определенных значений характеристики обогащаемых минералов и вспомогательных параметров, и
устройство ввода-вывода для управления отделением частиц обогащаемых минералов из потока частиц исходного материала,
причем указанные компьютерные средства снабжены функциональными модулями, реализующими алгоритм отнесения частицы к обогащаемому минералу,
блок отделения частиц, отнесенных к обогащаемому минералу из потока исходного материала и
блок бункеров-накопителей для раздельного сбора частиц обогащаемого минерала и хвостовых продуктов, отличающийся тем, что
выход каждой матрицы соответствующей детекторной линейки блока детектирования подключен к входу АЦП и последовательно соединенного с ним устройства памяти типа FIFO блока АЦП, выходы которых параллельно подключены к интерфейсу блока обработки, а входы синхронизации каждой матрицы соответствующей детекторной линейки подключены к выходу устройства синхронизации, при этом функциональные модули включают:
модуль виртуальных пространственно-связанных копий детекторных линеек для одновременного поступления в каждый виртуальный пиксель матрицы виртуальной детекторной линейки цифрового значения сигнала интенсивности излучения, зарегистрированного в соответствующем пикселе матрицы,
модуль определения для каждой пары пикселей в соответствующих детекторных линейках характеристики частицы исходного материала в виде точки в двухкоординатной системе, координаты которой соответствуют зарегистрированным в каждом пикселе детекторной линейки цифровым значениям сигналов интенсивностей излучения в двух различных энергетических диапазонах, прошедшего через один и тот же участок частицы, нормированных на максимально возможное значение в соответствующем энергетическом диапазоне, и ее проверки на принадлежность к предварительно определенной области значений характеристики обогащаемых минералов, размещенной в ПЗУ,
модуль сегментации для выделения связанных областей пикселей, значение характеристики частицы в которых принадлежит области значений характеристики обогащаемых минералов и определения степени совпадения выделенной области пикселей с областью значений характеристики обогащаемых минералов,
модуль идентификации и выработки команды на отделение частиц обогащаемого минерала из потока исходного материала, при соответствии степени совпадения критерию отнесения частицы к обогащаемому материалу, управляющий выход которого подключен к соответствующему входу блока отделения для направления отделенных из потока частиц в соответствующий бункер-накопитель.
Технический результат, достигаемый в настоящем изобретении, заключается в обеспечении высокой селективности сепарации алмазосодержащего сырья при сохранении высокого процента извлечения алмазов.
Указанный технический результат достигается за счет функциональных модулей, содержащихся в компьютерных средствах блока обработки.
Кроме того, в настоящем изобретении достигается повышение производительности за счет повышения скорости считывания сигналов от всего массива чувствительных матриц путем независимого параллельного считывания интенсивности сигналов от всех матриц одновременно без существенного наращивания количества компьютерных средств обработки и усложнения, тем самым устройства. Блок обработки, при этом, получает данные от чувствительных элементов (ЧЭ) одновременно на обеих энергиях рентгеновского излучения источника по всей ширине транспортерной ленты и имеет возможность быстро перейти от анализа отдельного ЧЭ к анализу частицы материала, а именно: программно группировать области ЧЭ с характеристиками, удовлетворяющими признаку полезного минерала и проверять соответствие этих областей заданным характеристикам исходя из класса крупности обрабатываемого материала и формообразования связанными областями элементов разложения (пикселей) детекторных линеек.
Кроме того, предложенное изобретение может быть реализовано в различных модификациях, а именно, с различным расположением конструктивных элементов в зависимости от требований технологического процесса обогащения. В частности, блок источника рентгеновского излучения может быть выполнен в виде двух рентгеновских трубок, расположенных друг за другом в направлении транспортировки частиц исходного материала, при этом каждая рентгеновская трубка выполнена с возможностью облучения потока частиц только в одном из двух различных энергетических диапазонов излучения и напротив каждой рентгеновской трубки с противоположной стороны потока частиц расположена одна из двух детекторных линеек блока детектирования, которая выполнена с возможностью регистрации только одного соответствующего энергетического диапазона распределения интенсивности излучения, прошедшего через облучаемый участок потока исходного материала.
Альтернативно, детекторные линейки блока детектирования могут быть расположены параллельно друг за другом в направлении распространения облучающего излучения блока источника рентгеновского излучения, при этом каждый из детекторов выполнен с возможностью регистрации распределения интенсивности излучения, прошедшего через облучаемый участок потока исходного материала, только в одном из двух выбранных энергетических диапазонов.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлена схема предлагаемого сепаратора.
На Фиг. 2 показаны диаграммы сигналов синхронизации:
'Ckc' -20; 'Ckr' - 21; 'trig' - 22; 'EOS' - 23, - и выходной аналоговый сигнал 'Video' - 24.
На Фиг. 3 дано графическое представление данных характеристики обогащаемых минералов. База данных содержит три области: 25а - «определенно алмаз», 25б - «вероятно алмаз» и 26 - «точно не алмаз».
На Фиг. 4а и 4б поясняется группировка области ЧЭ с характеристиками, удовлетворяющими признаку полезного минерала, и соответствие этих областей заданным характеристикам по размеру (классу крупности) и форме.
Осуществление изобретения
Согласно схеме, приведенной на Фиг. 1, предлагаемое устройство - рентгенографический сепаратор минералов для разделения навалочных алмазосодержащих материалов содержит транспортер (1), на ленту (2) которого поступает поток (3) алмазосодержащего материала (4) (средство подачи материала на транспортер, например вибрационный питатель, на схеме не показано), источник излучения - рентгеновские трубки: 5 («низкой» энергии Е1) и 6 («высокой» энергии Е2), соответственно с высоковольтными источниками питания, расположенные над потоком (3) материала (4), средства детектирования в виде (1…2N) линейных рентгеночувствительных матриц массивов (7 и 8), расположенные под потоком материала по линии, перпендикулярной движению потока материала, устройство синхронизации (9), выходы которого соединены со входами синхронизации всех линейных рентгеночувствительных матриц (7 и 8), компьютерное средство обработки (10), включающее в себя: массив АЦП (1…2N) (11), входы которых соединены с выходами соответствующих линейных рентгеночувствительных матриц массивов (7 и 8), процессор (12), ОЗУ (13), в которое поступают цифровые значения интенсивности излучения, полученные от (10), и ПЗУ (14) с программами для управления работой сепаратора, определения характеристик частиц потока материала и хранения предварительно определенных значений характеристики обогащаемых минералов, и вспомогательных параметров, устройство вывода (15), средства отклонения траектории движения материала (16), расположенные над участком свободного падения материала(17), откуда частицы обогащаемого минерала попадают в бункер-накопитель (18), а хвостовые продукты в бункер-накопитель (19).
Предлагаемый сепаратор работает следующим образом.
Предварительно в компьютерное средство обработки (10), в его память ПЗУ (14) вводятся численные характеристики, идентифицирующие полезный минерал - алмаз, а также вспомогательные параметры. Затем включается устройство синхронизации (9), генерирующее сигналы (20 и 21), и источник рентгеновского излучения с рентгеновскими трубками (5 и 6); после его выхода в рабочий режим, включается транспортер (1) и начинается подача потока (3) алмазосодержащего материалообрабатываемого класса крупности (4) по транспортерной ленте (2), изготовленной из материала с малым поглощением излучения (например, полиуретан). Подача осуществляется монослоем.
Рентгеновское излучение рентгеновских трубок (5 и 6), проходит сквозь частицы материала (4), транспортерную ленту (2) и попадает на линейные рентгеночувствительные линейные матрицы массивов (7 и 8). По выходным сигналам (20 и 21) устройства синхронизации (9), поступающим на одноименные входы 'CLK' и 'Reset' (Фиг. 2) всех матриц производится циклическое считывание информации с рентгеночувствительных линейных матриц массивов (7 и 8). Цикл сбора данных с помощью выбора периода указанных сигналов подобран минимальным, но достаточным для интегрирования фототока элементов линейных матриц массивов (7 и 8) до уровней напряжения, обеспечивающих оптимальное использование динамического диапазона последующего аналого-цифрового преобразования. Считывание уровней сигналов чувствительных элементов матриц (7 и 8) производится последовательно на общий выход 'video' 24 для каждой матрицы массивов (7 и 8). Эти выходы соединены каждый с входом AI1…4 отдельного АЦП (11). Количество АЦП (11) соответствует числу матриц массивов (7 и 8). При этом от каждой матрицы массивов 7 и 8 на вход запуска АЦП поступают два сигнала синхронизации: EOS 23, указывающий на начало матрицы - начало цикла (соединяется со входом 'External Trig' указанного АЦП (11), и 'Trig' 22- запуск преобразования сигнала отдельного чувствительного элемента (соединяется со входом 'CLK' указанного АЦП (11).
Аналоговый сигнал, поступающий с выхода 'video' 24 каждой линейной матрицы массивов (7 и 8, имеет размерность напряжения, значение которого отображает интенсивность излучения, достигшего чувствительного элемента, расположенного под конкретным куском обрабатываемого материала. Каждый цикл чтения множества линейных матриц массивов 7 и 8 после квантования - преобразования АЦП (11) формирует числовой массив, характеризующий распределение (в направлении, перпендикулярном направлению движения материала 4) интенсивности излучения, прошедшего через поток (3) материала (4) за время его нахождения над множеством линейных рентгеночувствительных матриц массивов (7 и 8).
За время цикла накопления и сбора данных транспортерная лента должна перемешаться не более, чем на линейный размер («высота») чувствительного элемента в направлении потока материала. Для линейных матриц S8865-128G высота чувствительного элемента - h=0.6 мм. Приняв (из опыта) оптимальное время цикла T=400 мкс, получим максимальную скорость V движения транспортерной ленты 2, обеспечивающую полное покрытие потока 3 материала 4 по всей площади ленты 2: V= h/T ≤ 1.5 м/с.
Числовые массивы, соответствующие распределению интенсивности излучения, достигшего чувствительных элементов линейных матриц массивов (7 и 8), или иначе, характеризующие рентгенопрозрачность кусков материала 4, прошедшего над массивами линейных матриц (7 и 8) в конкретном цикле накапливаются в виде «строк» в памяти компьютерного средства обработки (10), которое принимает информацию от АЦП (11) непосредственно через системную шину компьютерного средства (10) обработки через плату объединительную, например PCA-6106-P4 (для упрощения рисунка не показана). Например, это может быть шина PCI. Через плату УВВ (15) с компьютерным средством (10) соединено средство (16) отклонения траектории движения (в виде набора, например из 16 пневмоклапанов) над участком (17) свободного падения материала (4) с ленты (2) транспортера (1). Средство (16) управляется компьютерным средством (10) по результатам обработки последовательности строк, содержащих числовые массивы. Обработка учитывает линейные размеры (выбираются из минимальной крупности материала) и координаты зоны, где интенсивность сигнала превышает уровень пропускания пустой ленты, но меньше порога, отделяющего алмаз от сопутствующих минералов. В предлагаемом сепараторе ширина транспортерной ленты (2) может быть 200 мм и она разбита (например) на 16 зон, каждой из которых соответствует пневматический клапан, формирующий воздушный поток, отклоняющий в этой зоне материал (4), определенный компьютерным средством (10) как алмаз. Отклонение в бункер-накопитель осуществляется на участке (17) свободного падения материала (4), после его схода с транспортерной ленты (2). Отделяемый материал направляется в бункер-накопитель обогащаемого минерала (18), остальной материал поступает в бункер-накопитель (19).
Регистрация интенсивности излучения, прошедшего через материал (4) происходит следующим образом. Предварительно определяют следующие параметры: область значений характеристики обогащаемых минералов, поглощение излучения конструктивными элементами (транспортерной лентой, пленкой (на Фиг. 1 не показана), закрывающей матрицы (7 и 8) от пыли и др., находящимися между частицей и каждым пикселем соответствующего детектора массивов (7 и 8), максимально возможное значение интенсивности рентгеновского излучения для каждого регистрируемого энергетического диапазона, задают геометрические размеры непрерывной (связанной) области пикселей в двухкоординатной плоскости по направлению движения потока частиц и перпендикулярно направлению движения потока, критерий отнесения частицы к обогащаемому минералу. Параметры загружаются в ПЗУ устройства обработки (10).
Для определения параметра, учитывающего влияние поглощения излучения конструктивными элементами, находящимися между частицей и каждым пикселем соответствующего детектора, раздельно измеряют значения интенсивности рентгеновского излучения с энергиями Е1 и Е2, прошедшего к устройствам 7 и 8 в отсутствии потока частиц исходного материала.
max
max
Задают максимально возможное значение I (E1) и I (E2) интенсивности рентгеновского излучения для каждого регистрируемого энергетического диапазона, которое определяется динамическим диапазоном детектора.
з
0
0
max
max
Для определения области значений характеристики обогащаемых минералов составляют статистически представительный набор эталонов, элементами которого могут быть частицы обогащаемого минерала различных размеров и толщин (в пределах обогащаемого класса крупности с учетом допустимого замельчения и закрупнения) или частицы материала-имитатора, обладающего аналогичными обогащаемому минералу свойствами. Эталоны набора транспортируют между источником излучения - рентгеновскими трубками (5 и 6), и детекторами (7 и 8) в виде монослойного потока на транспортерной ленте (2). По всей ширине потока участок материала облучают рентгеновским излучением источника - рентгеновских трубок (5 и 6). Максимальный размер облучаемого участка в направлении транспортировки не должен превышать минимальный размер частицы. Регистрируют интенсивности сигналов I(Е1)и I(Е2) прошедшего через эталон рентгеновского излучения с помощью устройств (7 и 8), содержащих множество чувствительных единиц - пикселей и расположенных перпендикулярно направлению транспортировки потока (3). При этом распределение интенсивности I(Е1) и I(Е2) выбранной энергии Е1 или Е2 излучения, прошедшего через эталон, регистрируют раздельно в каждом энергетическом диапазоне. Регистрацию I(Е1) и I(Е2) в каждом энергетическом диапазоне могут проводить одновременно с помощью двух линейных многопиксельных рентгеночувствительных детекторов, расположенных параллельно (один под другим) в направлении распространения облучающего рентгеновского излучения, при этом в каждом из детекторов регистрируют излучение только в одном из двух выбранных энергетических диапазонов. В зависимости от используемого для сепарации минералов устройства регистрацию в каждом энергетическом диапазоне могут также проводить последовательно с помощью двух линейных детекторов, расположенных друг за другом в направлении транспортировки эталонов (Фиг. 1). Последующая обработка зарегистрированных таким образом сигналов I(Е1) и I(Е2) происходит при условии, что обе регистрируемые в разных энергетических диапазонах интенсивности I(Е1) и I(Е2) проходят через один и тот же участок эталона. Совмещение данных во времени выполняет компьютерное средство (10) путем задержки сигналов от пикселей устройства (8) на определенное время относительно одноименных пикселей устройства (7). Время задержки определяется как t=l/v, где l - расстояние между линейками чувствительных элементов устройств (7 и 8), а v - скорость перемещения транспортерной ленты Типичное значение задержки 15…40 мс. Из зарегистрированной в каждом пикселе соответствующего линейного детектора 7 и 8 интенсивности сигнала I(Е1) и I(Е2) рентгеновского излучения, прошедшего через эталон, вычитают соответствующую интенсивность сигнала I(Е1)и I(Е2)рентгеновского излучения с энергиями Е1 и Е2, измеренную на пустой ленте (2), и нормируют на максимально возможное значение I(Е1) и I(Е2) интенсивности в соответствующем энергетическом диапазоне. Полученная таким образом на наборе эталонов совокупность пар значений определяет область 25 (Фиг. 3) значений характеристики обогащаемых минералов может быть графически представлена как совокупность точек на плоскости с координатами по осям I(E1) и I(E2). Остальные пары значений образуют область 26, не соответствующую характеристике полезного минерал - алмаза.
Чтобы исключить «краевой эффект» - ложные обнаружения на неровных или тонких краях частиц сопутствующих минералов, разделяют множество определяемых точек в области значений характеристики обогащаемых минералов на два подмножества 25а и 25б в зависимости от вероятности повторения их значений в наборе эталонов: 25а - «определенно полезный минерал(алмаз)» и 25б - «вероятно полезный минерал». Область 26 (Фиг. 3), в которой не зарегистрированы сигналы I(E1) и I(E2) прошедшего через эталон рентгеновского излучения соответствует условию «точно не полезный минерал». Выделение подмножеств 25а и 25б в области 25 значений характеристики обогащаемых минералов (так называемая «тернарная» классификация) при выполнении условия максимальной селективности определяется приоритетом обнаружения полезного минерала.
km
km
При обработке алмазосодержащего исходного материала процесс аналогичен обработке эталонов, но компьютерное средство обработки (10) формирует в ОЗУ попиксельное распределение пар значений интенсивности излучения I(E1); I(E2) на плоскости транспортерной ленты (2) (Фиг. 4а). Сравнивая значения пар с базой данных (Фиг. 3), компьютерное средство выделяет (Фиг. 4б) на плоскости ленты пиксели, удовлетворяющие соответствующим областям базы данных сравнения: 25а - «сильные точки» (определенно, алмаз) - черный, 25б «слабые точки» (вероятно, алмаз) - серый, 26 - точно не алмаз - белый. Выделяются связанные области 27 и 28 пикселей, соответствующих областям 25а и 25б базы данных (Фиг 4б). Объекты окончательно классифицируются на основании их размера и числа «сильных» точек модулем объектной классификации. В зависимости от заданного критерия отнесения, который определяет размер связанной области в пикселях (задается исходя из класса крупности обрабатываемого материала и геометрического размера пикселя) и минимальное число пикселей, относящихся к области 25а, частица материала 27 (Фиг.4б) может классифицирована как алмаз, а частица 28 - не алмаз.
0
0
Предлагаемый рентгенографический сепаратор минералов может быть технически реализован следующим образом: транспортер с мотор-редуктором VF44 FA1 20P63 B14 B3 - BN63C2W, лента из полиуретана 2М5 U2-U2 HP VL BLUE A шириной 200 мм, источник излучения - рентгеновские трубки: («низкой» энергии Е1) и («высокой» энергии Е2), например, типа БХВ24-Mo и БХВ24-W, соответственно, с высоковольтным источником питания типа DF75N2X5004 фирмы Spellman, США, для каждой трубки; средства детектирования в виде (1…2N) линейных рентгеночувствительных матриц, например, S8865-128G фирмы Hamamatsu, Япония, или X-Card2-02-256G (Detection Technology, Финляндия); устройство синхронизации может быть выполнено в виде генератора импульсной последовательности частотой до 4 МГц на микросхеме LPC2148FBD64 PBF, компьютерное средство обработки, включающее в себя: процессорную плату IB945F фирмы IBase, Тайвань с процессором CPU-Core2 QUAD-Q930-2.3 GHz и ОЗУ KVR1333D3N9/2G), массив АЦП (1…2N) выполнен на устройствах PCI1714UL фирмы Advantech, Тайвань (в одной плате - 4 АЦП 12 бит с FIFO ), устройство ввода-вывода (УВВ) может быть выполнено на базе платы PCI1734 фирмы Advantech, Тайвань; х, ПЗУ программ, память вспомогательных параметров (Значения интенсивности сигнала энергий I(Е1) и I(Е2), измеренные на пустой ленте, максимальное значение диапазона интенсивности излучения, параметры связности, критерий обнаружения),- хранятся в модуле Compact Flаsh 4ГБ; средства отклонения траектории частиц полезного минерала выполнены на основе электроуправляемых пневмораспределителей VQ21A1-5YOH-C8-L-Q фирмы SMC, Япония.
Пример
Предлагаемый рентгенографический сепаратор был опробован для обогащения алмазного сырья в условиях обогатительной фабрики на однотипном безалмазном материале заданной массы, в который предварительно были внедрены 100 алмазов класса крупности от 3 до 6 мм.
В Таблице 1 приведены параметры устройства, на котором проведены испытания.
В Таблице 2 приведены результаты испытаний сепаратора.
Проведенные испытания показали, что предлагаемый сепаратор обеспечивает низкое количество ложных обнаружений (1,07), соответственно, высокую селективность сепарации, при сохранении высокого процента извлечения (99%).