УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО АНАЛИЗА ПУЛЬП ОБОГАТИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
DEVICE FOR X-RAY FLUORESCENT ANALYSIS OF CONCENTRATING PRODUCTION PULPS

Настоящее изобретение относится к устройствам для рентгеновского флуоресцентного анализа пульповых продуктов и может быть использовано в горной, химической и других отраслях промышленности.
Рентгеновский флуоресцентный (XRF) анализ широко используется для химического анализа материалов. На настоящий момент времени известен достаточно большой ряд технических решений, реализующих данный принцип измерений. Большая группа приборов работает по известной схеме, включающей рентгеновскую трубку, высоковольтный источник, кювету для заполнения образцами, кристалл-анализатор и детектор излучения (Рентгенофлюоресцентный метод анализа. Методические указания к лабораторным работам. Санкт-Петербургский технологическтий университет растительных полимеров. СПб., 2008 г., рис. 3. http://www.nizrp.narod.ru/rentgenoflour.pdf).
Анализ характеристического спектра вторичного флюоресцентного излучения пробы, возникающего под действием рентгеновских лучей, генерируемых рентгеновской трубкой, позволяет определить элементный состав анализируемого образца.
Недостатком такого принципа построения анализаторов является необходимость выполнения большого объема ручных операций, связанных с отбором, доставкой, сушкой, доизмельчением и заполнением кюветы анализируемым материалом, что значительно увеличивает время анализа.
Известен также большой класс приборов, нашедший широкое применение в промышленности, лишенных данного недостатка благодаря реализации возможности осуществления анализа элементного состава материалов непосредственно в потоке, что существенно повышает оперативность проведения измерений.
К такому классу приборов может быть отнесен анализатор РЛП-3M-П для анализа элементного состава жидких технологических сред в потоке (http://www.mekoteh.ru/RLP-3M-P-pulpa.html), который по технической сущности и достигаемому результату является наиболее близким к предложенному устройству.
Известное устройство для рентгеновского флуоресцентного анализа пульп состоит из пробозаборника, измерительной камеры, малогабаритного многоканального рентгенофлюоресцентного анализатора, электронного блока обработки информации и управления устройством.
В измерительной камере размещен датчик на базе многоканального спектрометра, включающего малогабаритный рентгеновский излучатель и SDD детектор высокого разрешения. Выход спектрометра соединен с измерительным модулем, построенным на базе планшетного компьютера, подключенного по 485 интерфейсу к компьютеру верхнего уровня.
К недостаткам известного устройства для рентгеновского флуоресцентного анализа пульп следует отнести то обстоятельство, что при анализе пульпы в потоке интенсивности аналитических линий определяемых элементов зависят не только от содержания элементов в твердой фазе пульпы, но и от плотности или, иначе, количества самого твердого, содержащегося в единице объема пульпы, что ухудшает точность его работы.
Кроме того, датчик анализатора обладает низкой надежностью из-за абразивного износа участка байпасного отвода в зоне облучения, имеющем окно, покрытое тонкой прозрачной для прохождения рентгеновских лучей пленкой, отделяющей рентгеновскую трубку от потока пульпы.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в повышении точности выполнения анализов и надежности работы устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для рентгеновского флуоресцентного анализа пульп обогатительного производства, содержащее пробозаборник, измерительную камеру, малогабаритный многоканальный рентгенофлюоресцентный анализатор, электронный блок обработки информации и управления устройством, согласно изобретению отличается тем, что пробозаборник выполнен в виде аэролифта, а измерительная камера выполнена в виде проточной емкости с переливом, при этом устройство дополнительно содержит динамический сократитель пробы, перекачивающий насос, вакуум-линию, вакуумный насос, датчик вакуума, держатель пробы, состоящий из корпуса фильтр-патрона, закрепленного на подвижной тяге, содержащей на противоположном от корпуса фильтр-патрона конце зубчатую рейку, находящуюся в зацеплении с ведущей шестерней, насаженной на ротор шагового электродвигателя, управляемого контроллером, обжимной механизм, устройство также дополнительно содержит автоматические переключающие клапаны подачи воздуха в аэролифт, сброса пробы пульпы в дренаж из накопительной емкости, сброса пульпы в дренаж из циркуляционного контура подачи пробы пульпы в измерительную камеру, подачи воды на промывку накопительной емкости, подачи воды на обмыв валиков, автоматический трехходовой клапан переключения присоединения вакуум-линии к магистрали подачи воды на промывку или к всасывающему входу вакуумного насоса, причем, динамический сократитель содержит направляющее сопло, подключенное посредством гибкой вставки к выходному патрубку аэролифта, привод направляющего сопла, корпус, состоящий из дренажного отсека и накопительной емкости с датчиком уровня пульпы, при этом выход накопительной емкости соединен со входом перекачивающего насоса, нагнетающий выход перекачивающего насоса соединен со входом измерительной камеры, дренажный патрубок измерительной камеры соединен со входом в накопительную емкость, внутренняя полость корпуса фильтр-патрона соединена вакуум-линией с установленными на ней автоматическим трехходовым клапаном и вакуумметром со входом вакуумного насоса, причем подвижная тяга держателя пробы выполнена с возможностью обеспечения движения корпуса фильтр-патрона от состояния погружения в проточную часть измерительной камеры до прохождения между валиками, а малогабаритный многоканальный рентгенофлюоресцентный анализатор установлен с возможностью рентгеновского облучения фронтальной поверхности корпуса фильтр-патрона выше зоны его погружения в проточную часть измерительной камеры, причем измерительные входы блока обработки информации и управления соединены с выходами датчика уровня в накопительной емкости, вакуумметра и рентгенофлюоресцентного анализатора, а выходы блока обработки информации и управления соединены с управляющими входами автоматического переключающего клапана подачи воздуха в аэролифт, привода направляющего сопла динамического сократителя, перекачивающего насоса, контроллера шагового двигателя, вакуумного насоса, рентгенофлюоресцентного анализатора, автоматического трехходового клапана, автоматических переключающих клапанов подачи воды на промывку в накопительную емкость, сброса пробы пульпы в дренаж из накопительной емкости, циркуляционного контура подачи пробы пульпы в измерительную камеру и подачи воды на обмыв валиков.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что корпус фильтр-патрона может быть выполнен в форме полого прямоугольного параллепипеда, фронтальная поверхность которого состоит из двух частей: фильтрующей вставки и прижимной накладки толщиной не менее 2 мм, причем прижимная накладка имеет по центру сквозное отверстие круглой формы, диаметром не менее пяти диаметров проекции пучка рентгеновских лучей, испускаемых малогабаритным многоканальным рентгенофлюоресцентным анализатором, на поверхности фильтрующей вставки, измерительная камера содержит статический турбулятор, выполненный в виде сегмента шара, выпуклой стороной обращенного навстречу направлению движения потока анализируемого материала, а плоская сторона сегмента шара расположена параллельно и ниже на 3-5 мм плоскости основания корпуса фильтр-патрона в момент нахождения его в нижней точке погружения в измерительную камеру.
А так же тем, что обжимной механизм может быть выполнен в виде двух расположенных напротив друг друга вращающихся валиков, закрепленных на нижних частях вертикальных кронштейнов, противоположные концы которых при помощи скользящих втулок посажены на горизонтально распложенную направляющую цилиндрической формы, имеющую по центру кольцевое отверстие для прохождения подвижной тяги держателя пробы, а на концах упоры, при этом между последними и торцами скользящих втулок установлены пружины для обеспечения взаимного прижатия поверхностей валиков, причем поверхности валиков покрыты водоотталкивающим материалом.
А так же тем, что дополнительно содержит датчик величины магнитной индукции пульпы, перекачиваемой по циркуляционному контуру, а в качестве датчика величины магнитной индукции пульпы используют датчик Холла.
На фиг. 1 изображена схема реализации устройства для рентгеновского флуоресцентного анализа пульп обогатительного производства
На фиг. 2 изображен фильтр-патрон.
На фиг. 3 изображена схема обжимного механизма.
Устройство содержит блок 1 обработки информации и управления; автоматический переключающий клапан 2 подачи воздуха в аэролифт 3; технологическую емкость 4; динамический сократитель, включающий гибкую вставку 5, направляющее сопло 6, привод 7 направляющего сопла 6, корпус 8, дренажный отсек 9, накопительную емкость 10, датчик 11 уровня пульпы; перекачивающий насос 12; измерительную камеру 13; вакуумный насос 14; корпус 15 фильтр-патрона; фильтрующую вставку 16; прижимную накладку 17; статический турбулятор 18; вакуум-линию 19; датчик 20 вакуума; контроллер 21; шаговый электродвигатель 22; ведущую шестерню 23; ротор 24; подвижную тягу 25; зубчатую рейку 26; обжимной механизм, включающий валики 27, поверхность которых покрыта водоотталкивающим материалом 28, вертикальные кронштейны 29, скользящие втулки 30, горизонтальную направляющую 31, кольцевое отверстие 32 по центру горизонтальной направляющей 31, упоры 33, пружины 34; малогабаритный многоканальный рентгенофлюоресцентный анализатор 35; автоматический переключающий клапан 36 сброса пробы пульпы в дренаж из циркуляционного контура; автоматический переключающий клапан 37 подачи воды на промывку накопительной емкости 10, автоматический переключающий клапан 38 подачи воды на обмыв валиков 27; автоматический трехходовой клапан 39 переключения присоединения вакуум-линии 19 к магистрали подачи воды на промывку или ко всасывающему входу вакуумного насоса 14; датчик 40 Холла величины магнитной индукции; усилитель 41 сигнала датчика 40 Холла величины магнитной индукции.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
В исходном состоянии автоматические переключающие клапаны 2, 36, 37, 38, закрыты, автоматический трехходовой клапан 39 находится в положении, обеспечивающем подключение вакуум-линии 19 к вакуумному насосу 14. Вакуумный насос 14, перекачивающий насос 12, и шаговый электродвигатель 22 выключены, датчик 40 Холла величины магнитной индукции и усилитель 41 сигнала датчика 40 выключены. Малогабаритный многоканальный рентгенофлюоресцентный анализатора 35 выключен и установлен с возможностью рентгеновского облучения фронтальной поверхности корпуса 15 фильтр-патрона выше уровня перелива измерительной камеры 13. Корпус 15 фильтр-патрона опущен в измерительную камеру 13 в крайнее нижнее положение. Валики 27 прижаты друг к другу.
В режиме «работа» с выхода блока 1 обработки информации и управления на управляющий вход автоматического переключающего клапана 2 подачи воздуха в аэролифт 3 поступает команда Y1 на его открытие и Y2 на включение привода 7. Вследствие этого, под воздействием поступающего сжатого воздуха пульпа из технологической емкости 4 по внутреннему трубопроводу аэролифта 3 поднимается вверх и через гибкую вставку 5 и направляющее сопло 6 направляется в корпус 8 динамического сократителя. Привод 7 начинает совершать возвратно-поступательные движения, благодаря чему поток пульпы распределяется между дренажным отсеком 9 и накопительной емкостью 10. Управляя интервалами и длительностью включения привода 7 можно задавать требуемую дискретность отбора и формировать необходимый объем проб для анализа. При достижении уровнем пульпы в накопительной емкости 10 заданного значения, контролируемого датчиком 11, с выхода последнего на вход блока 1 управления поступает сигнал X1. На основании полученной информации блоком 1 в соответствии с заложенной в него программой формируются команды Y1 на останов подачи сжатого воздуха в аэролифт 3 путем закрытия автоматического переключающего клапана 2, Y2 на останов привода 7 и Y3 на включение перекачивающего насоса 12. В результате этого пульпа начинает циркулировать по контуру, включающему накопительную емкость 10, перекачивающий насос 12 и измерительную камеру 13. По истечении некоторой выдержки времени Δt1, необходимой для получения однородного состава пульпы вследствие перемешивания ее при движении по замкнутому контуру циркуляции, блок 1 выдает команды Y4, Y5 (в случае необходимости измерения содержания магнитной фракции, например, магнетита Fe3O4, в пульпе) на подачу питания датчика 40 Холла величины магнитной индукции и усилителя 41 сигнала датчика 40 Холла величины магнитной индукции и Y6 на включение вакуумного насоса 14.
В результате включения датчика 40, последним, в соответствии с принципом его работы (http://sensorse.com/page16.html), производится измерение величины магнитной индукции, пропорциональной содержанию магнитных включений в пульпе. Усиленный сигнал Х4 с выхода усилителя 41 поступает на вход блока 1 для дальнейшей обработки. По истечении заданной выдержки времени Δt2 датчик 40 с усилителем сигнала 41 из работы выключают.
Включение в работу вакуумного насоса 14 приводит к всасыванию пульпы во внутреннюю полость корпуса 15 фильтр-патрона через фильтрующую вставку 16.
Для увеличения интенсивности всасывания пульпы ниже корпуса 15 фильтр-патрона на пути движения потока пульпы в накопительной емкости 10 устанавливают статический турбулятор 18. Увеличения интенсивности всасывания достигается благодаря тому, что при обтекании турбулятора 18 поток пульпы приобретет вихреобразный характер, вследствие чего часть восходящего потока будет перенаправлена непосредственно на фронтальную поверхность корпуса 15 фильтр-патрона.
Образующийся при прохождении через фильтрующую вставку 16 фильтрат из внутренней полости корпуса 15 фильтр-патрона через вакуум-линию 19 откачивается вакуумным насосом 14 в дренаж. Твердая же фаза пульпы в виде слоя влажного кека оседает на внешней поверхности фильтрующей вставки 16, заполняя круглый вырез в прижимной накладке 17.
Диаметр выреза прижимной накладки 17 выбран превышающим не менее, чем в 5 раз диаметр проекции пучка рентгеновских лучей, испускаемых малогабаритным многоканальным рентгенофлюоресцентным анализатором 35, на поверхности фильтрующей вставки 16, для обеспечения возможности смещения корпуса 15 фильтр-патрона вверх или вниз относительно центра проекции пучка лучей с целью выполнения дополнительных экспозиций, позволяющих повысить представительность анализа.
По мере заполнения материалом выреза в прижимной накладке 17 сопротивление движению фильтрата через фильтрующую вставку 16 будет возрастать, что приведет к увеличению вакуума в вакуум-линии 19, измеряемого датчиком 20. При достижении величиной вакуума некоторого заданного значения с выхода датчика 20 на вход блока 1 поступает сигнал Х2 в соответствии с которым с выхода блока 1 на управляющий вход контроллера 21 шагового электродвигателя 22 поступает команда Y7 на включение последнего в работу.
Вращение ведущей шестерни 23, насаженной на ротор 24 шагового электродвигателя 22, благодаря зацеплению с зубчатой рейкой 26 приводит к подъему подвижной тяги 25 сквозь кольцевое отверстие 32 по центру горизонтальной направляющей 31.
Вертикальное движения подвижной тяги 25 продолжается до того момента, пока корпус 15 фильтр-патрона полностью не пройдет между валиками 27. Давление, создаваемое вращающимися валиками 27 при прохождении между ними корпуса 15 фильтр-патрона под воздействием сжимающихся пружин 34, расположенных на горизонтальной направляющей 31 между упорами 33 и скользящими втулками 30 кронштейнов 29, способствует формированию постоянной глубины слоя кека благодаря удалению лишнего материала, выступающего над поверхностью прижимной накладки 17, разравниванию и уплотнению его поверхности, что создает дополнительные условия для повышения точности измерений.
Толщина прижимной накладки 17 выбрана равной 2 мм, исходя из условия достаточности глубины проникновения рентгеновского излучения в анализируемый материал такого рода, каким является твердая фаза пульп обогатительного производства (http://www.studfiles.ru/preview/2460659/page:2).
Рабочую поверхность обжимных валиков 27 покрывают водоотталкивающим материалом 28, например, пленкой из майлара, что предотвращает налипание материала на поверхности и возможное заражение последующих проб.
После достижения верхней точки подъема корпусом 15 фильтр-патрона, задаваемой количеством шагов электродвигателя 22, с выхода блока 1 на управляющий вход контроллера 21 поступает команда Y7 на реверсирование направления вращения ротора электродвигателя 22. Вследствие этого подвижная тяга 25 начнет движение вниз. Команда Y7 задается такой величины, что бы обеспечить останов подвижной тяги 25 в момент совпадения положения геометрического центра слоя анализируемой пробы на внешней поверхности фильтр-патрона 15 с направлением оси рентгеновской трубки малогабаритного многоканального рентгенофлюоресцентного анализатора 35. По достижению подвижной тягой 25 заданного положения блоком 1 вырабатывается команда Y8 на включение экспозиции анализатора. При необходимости, после выполнения первой экспозиции, положение корпуса 15 фильтр-патрона и, соответственно, образца анализируемой пробы, может быть смещено вверх или вниз относительно оси рентгеновской трубки на расстояние, не превышающее  диаметра выреза прижимной накладки 17, для осуществления измерений в других точках образца с целью получения более представительных результатов анализа.
Результаты измерений с выхода Х2 анализатора 35 поступают в блок1 для дальнейшей обработки и использования. Далее блоком 1 выдаются команды Y4 на останов вакуумного насоса 14, Y7 на опускание передвижной тяги 25 в нижнее положение, Y9 на переключение автоматического трехходового клапана 39 в положение присоединения вакуум - линии 19 к магистрали подачи воды на промывку, Y3 на реверсирование перекачивающего насоса 12, Y10 на включение клапана 36 сброса пробы пульпы в дренаж из циркуляционного контура, Y11 на включение клапан 37 подачи воды на промывку накопительной емкости 10 и Y12 на включение клапана 38 подачи воды на обмыв валиков 27.
По истечении некоторой заданной выдержки времени Δt3 с блока 1 поступают команды Y9 на переключение автоматического трехходового клапана 39 в положение присоединения вакуум-линии 19 к всасывающему входу вакуумного насоса 14, Y3 на останов перекачивающего насоса 12, Y10 на выключение клапана 36 сброса пробы пульпы в дренаж из циркуляционного контура, Y11 на выключение клапан 37 подачи воды на промывку накопительной емкости 10, Y12 на выключение клапана 38 подачи воды на обмыв валиков 27, после чего устройство возвращается в исходное положение.
Таким образом, предложенное устройство для рентгеновского флуоресцентного анализа пульп обогатительного производства позволяет полностью автоматизировать процесс рентгеноспектрального анализа, повысить точность и надежность работы устройства благодаря устранению влияния на результаты измерений колебаний плотности анализируемых продуктов и отсутствию абразивного износа компонентов анализатора, непосредственно участвующих в процессе измерений, а так же расширить область его применения благодаря возможности реализации функции измерения магнитной индукции анализируемой пробы.