Результат интеллектуальной деятельности: Автоматическая система контроля элементного состава проб пульповых продуктов

Настоящее изобретение относится к устройствам для экспрессного анализа элементного состава пульповых продуктов и может быть использовано в горной, химической и других отраслях промышленности.

Известен большой класс технических решений, предназначенных для анализа элементного состава пульповых продуктов.

Известно устройство, предназначенное для измерения массовой доли химических элементов в потоках пульпы различных технологических процессов (https://all-pribors.ru/opisanie/60096-15-arp-1ts-71694#ot). Принцип действия данного устройства основан на возбуждении с помощью закрытых радионуклидных источников, помещенных непосредственно в технологический поток, характеристического рентгеновского излучения определяемых элементов. Недостатками устройства является низкая точность измерений вследствие образования экранирующих пленок на чувствительных органах детекторов излучения, повышенная радиационная опасность их эксплуатации.

Известна система экспресс-анализа пульповых продуктов торговой марки Courier (https://www.outotec.ru/globalassets/ru/brochures/outotec-potokovye-analizatory-courier-s1-pdf). Система содержит разветвленную сеть оборудования опробования и доставки проб для выполнения анализов. Благодаря системе мультиплексирования возможен контроль до 24 технологических потоков одним анализатором. В зависимости от исполнения анализаторы могут использовать методы рентгенофлуоресцентной или лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии. Недостатками системы являются сложность конструкции, большая энергоемкость, высокая стоимость оборудования и эксплуатационного обслуживания.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является автоматизированная система аналитического контроля элементного состава проб пульповых продуктов (АСАК), содержащая нескольких идентичных линий анализа, каждая из которых включает средства отбора, накопления и отправки проб, транспортные магистрали, воздухоотделительные емкости, сократители, комплексы оборудования подготовки и подачи проб на анализ, анализатор элементного состава проб, управляющий контроллер (http://www.uralautomatica.ru/cgi-bin/catalog/viewpos.cgi?in_id=6).

Система представляет собой комплекс технических средств, включающих оборудование пробоотбора, пробоподготовки и рентгенофлуоресцентный анализатор. Один анализатор обеспечивает контроль до 15 технологических потоков при одновременном определении массовой доли в пробе до 8 химических элементов. Известное решение обладает следующими недостатками.

1. Невысокая точность анализа вследствие методологических трудностей определения содержания элементов в пульповых продуктах.

2. Необходимость перенастройки спектрометрических каналов при смене номенклатуры определяемых элементов.

3. Низкая надежность системы вследствие абразивного износа элементов циркулирующего контура и измерительных кювет анализатора.

4. Большая энергоемкость и повышенная радиационная опасность эксплуатации анализатора из-за применения рентгеновской трубки большой мощности.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в улучшении аналитических свойств и эксплуатационных характеристик системы.

Указанный технический результат достигается тем, что автоматическая система контроля элементного состава проб пульповых продуктов, содержащая нескольких идентичных линий анализа, каждая из которых включает средства отбора, накопления и отправки проб, транспортные магистрали, воздухоотделительные емкости, сократители, комплексы оборудования подготовки и подачи проб на анализ, анализатор элементного состава проб, управляющий контроллер, согласно изобретению, дополнительно содержит видеокамеру, комплекс оборудования подготовки и подачи проб на анализ содержит ленточный транспортер, оснащенный датчиком уровня материала на ленте и регулируемым электроприводом, вакуумные стаканы, состоящие из раздельных частей, первые из которых представляют собой расположенные над транспортерной лентой корпуса в форме полых цилиндров, жестко соединенных внешней стенкой с подвижными штоками вертикально установленных линейных модулей перемещения, оснащенных нагревательными элементами и мешалками с электроприводами, валы мешалок оснащены распределителями проб, выполненными в виде емкостей цилиндрической формы с боковыми разгрузочными отверстиями в области доньев, при этом вторые ответные части вакуумных стаканов, выполнены в виде полусфер, закрепленных под транспортерной лентой неподвижно основанием вверх, внешние диаметры оснований которых соответствуют внешним диаметрам корпусов вакуумных стаканов, при этом, основания полусфер закрыты армирующими сетками заподлицо с торцевыми сторонами их стенок, внутренние полости содержат электронагревательные элементы, а вершинные части полусфер герметически соединены со входами в вакуумную систему и многоканальный регулятор температуры, рентгенофлуоресцентный анализатор выполнен в виде малогабаритного анализатора, расположенного источником рентгеновского излучения перпендикулярно рабочей поверхности ленты транспортера и жестко соединенного с рабочим органом трехкоординатного портального манипулятора, управляемого программируемым контроллером, и многоканальный регулятор температуры, при этом выходы многоканального регулятора температуры соединены с нагревательными элементами, выходы программируемого контроллера соединены с управляющими входами исполнительных механизмов трехкоординатного портального манипулятора, выходы датчика уровня материала на ленте, видеокамеры и малогабаритного анализатора соединены со входами управляющего контроллера, а выходы управляющего контроллера соединены с соответствующими входами элементов оборудования отбора, доставки, подготовки и подачи проб на анализ, линейных модулей перемещения, электроприводов мешалок, регулируемого электропривода транспортера, видеокамеры, программируемого контроллера и многоканального регулятора температуры.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что лента транспортера выполнена из фильтровальной ткани, например, лавсанового полотна.

А также тем, что, что в качестве нагревательных элементов могут быть применены греющие кабели.

На фиг. 1 изображена схема реализации автоматической системы контроля элементного состава проб пульповых продуктов, включающей N = 1, 2, 3… идентичных линий отбора, доставки и подготовки проб к анализу.

На фиг. 2 представлена диаграмма зависимости коэффициента сходимости Kni от характеристик состава технологических сортов руд при решении задачи их идентификации.

Автоматическая система контроля элементного состава проб пульповых продуктов содержит (в составе одной линии) пробоотборник 1, станцию 2 накопления и отправки пробы с датчиком 3 уровня пульпы и клапаном 4 подачи сжатого воздуха, трубопровод 5 пневмотранспорта пробы, станцию 6 приема и деаэрации пульпы, динамический сократитель 7, корпус 8 вакуумного стакана, выполненный в форме полого цилиндра и жестко соединенный внешней стенкой с подвижными штоком линейного модуля 9 перемещения, мешалку 10 с электроприводом 11, распределитель 12 пробы, ответную часть 13 вакуумного стакана, армирующую сетку 14, нагревательный элемент 15, а так же общие компоненты - транспортер 16 с рабочим органом в виде ленты 17 и регулируемым электроприводом 18, клапан 19 подачи воды на обмыв ленты 17, воронку 20 для сброса материала в дренаж, датчик 21 уровня материала 22 на ленте 17, клапан 23 подключения трубопровода 24 подвода вакуума к ответной части 13 вакуумного стакана, малогабаритный анализатор 25, видеокамеру 26, трехкоординатный портальный манипулятор 27, программируемый контроллер 28, многоканальный регулятор 29 температуры, анализируемая проба 30 пульпы, дубликат 31 анализируемой пробы 30 пульпы, управляющий контроллер 32 и монитор 33 оператора, общающиеся по компьютерной сети 34, разгрузочное отверстие 35 распределителя 12 пробы.

Ответная часть 13 вакуумного стакана выполнена в виде полусферы, закрепленной под транспортерной лентой 17 неподвижно основанием вверх, внешние диаметры основания полусферы соответствует внешнему диаметру корпуса 8 вакуумного стакана. Основания полусферы закрыты армирующей сеткой 14 заподлицо с торцевыми сторонами ее стенок.

Распределитель 12 пробы выполнен в виде емкости цилиндрической формы с боковым разгрузочным отверстием 35 в области дна.

В качестве манипулятора 27 может быть использовано, например, устройство FESTO YXMR-1 (https://bb-engineering.ru/elektromehanicheskie-sistemy/elektromehanicheskie-privody/mnogokoordinatnye-sistemy-pozicionirovaniya/trehkoordinanye-sistemy-pozicionirovaniya-yxmr/). В качестве малогабаритного анализатора 25, характеристики которого позволяют реализовать заявляемое техническое решение, может быть применен анализатор Olympus Vanta iX (https://olympusxray.ru/shop/поточный-рф-анализатор-vanta-ix-для-автома/)/

Ниже рассмотрена работа системы при условии работы одной линии отбора, доставки и подготовки проб к анализу. Работа системы при подключении других линий аналогична.

В исходном состоянии пробоотборник 1 находится в крайнем нерабочем положении, динамический сократитель 7 выключен, клапаны 4, 19, 23 закрыты, электроприводы 11, 18 выключены, питание нагревательного элемента 15 отключено, корпус 8 вакуумного стакана опущен на ленту 17, малогабаритный анализатор 25 выключен, рабочий орган (на схеме не показан) трехкоординатного портального манипулятора 27 находится в исходном положении, датчик 3 уровня пульпы, датчик 21 уровня материала 22, программируемый контроллер 28, управляющий контроллер 32, монитор оператора 33 и многоканальный регулятор 29 температуры работают в ждущем режиме.

В рабочем режиме с монитора 33 оператор подает команду управляющему контроллеру 32 на запуск системы в работу. В соответствии с заложенной программой, контроллер 32 формирует команду Y1 на включение пробоотборника 1, который начинает с заданным интервалом времени осуществлять отбор разовых проб от исходного потока пульпы заполняя станцию 2 материалом до уровня срабатывания датчика 3. После этого на вход контроллера 32 от датчика 3 поступает сигнал X1, на основании которого контроллер 32 формирует команды Y1 на вывод пробоотборника 1 в крайнее нерабочее положение, Y2 на открытие клапана 4 подачи сжатого воздуха в станцию 2, Y3 на включение в работу динамического сократителя 7, Y4 на включение электропривода 11 мешалки 10, Y5 регулятору 29 температуры на включение нагревательного элемента 15 (связь регулятора 29 с элементом 15 на схеме не показана) и Y6 на включение клапана 23 подключения вакуумсистемы к трубопроводу 24.. Под давлением сжатого воздуха, поступающего через клапан 4 в станцию 2, накопленная в ней проба по трубопроводу 5 поступает в станцию 6 приема и деаэрации пульпы, в которой происходит удаление транспортирующего воздуха и последующая разгрузка в динамический сократитель 7, осуществляющий деление поступившей пробы в заданном соотношении на 2 части, одна из которых образует анализируемую пробу 31 пульпы, а другая является дубликатом 32 анализируемой пробы 31 и может быть использована для градуировки анализатора 25 или других целей. Из сократителя 7 анализируемая проба 31 направляется в распределитель 12, который благодаря вращению совместно с валом мешалки 10 обеспечивает равномерную загрузку через разгрузочное отверстие 35 внутреннего объема корпуса 8 вакуумного стакана. Вращение рабочих органов мешалки 10 способствует дополнительному формированию ровного слоя материала по мере осаждения твердой фракции пробы на ленте 17. Усилие прижатия корпуса 8 к ответной части 13 через ленту 17, выполняющую в данном случае роль уплотнительной прокладки, обеспечивает герметичность соединения частей вакуумного стакана. Регулятор 29 температуры в соответствии с его настройками осуществляет заданный режим нагрева элемента 15. В качестве нагревательного элемента может быть применен греющий кабель (https://teppol.ru/catalog/samoreguliruemye-greyushchie-kabeli/15xtv2-ct-t3-samoreguliruemyy-greyushchiy-kabel/#tab3). Подогрев материала и отвод влаги через ленту 17, выполненную из фильтровальной ткани, например, лавсанового полотна, благодаря подключению вакуумсистемы обеспечат интенсивную сушку пробы. Наличие армирующей сетки 14, предотвращающей деформацию ленты 17 под воздействием веса загруженного материала, является дополнительным средством, способствующем улучшению условий для выполнения измерений малогабаритным анализатором 25. После окончания выдержки времени, задаваемой из условия длительности цикла от отправки пробы до окончания ее сушки, контроллер 32 формирует команды Y3 на останов работы динамического сократителя 7, Y4 на отключение электропривода 11 мешалки 10, Y5 регулятору температуры на отключение питания нагревательного элемента 15, Y6 на закрытие клапана 23 подключения вакуумсистемы, Y7 на подъем линейного модуля 9 вместе с корпусом 8 вакуум стакана и Y8 на включение регулируемого электропривода 18 транспортера 16. Вследствие этих действий высушенная проба 22 с помощью ленты 17 транспортера 16 начнет перемещаться в направлении зоны измерения. При появлении переднего края пробы 22 в зоне срабатывания датчика 21 уровня, последний посылает одновременно на вход контроллера 32 сигнал Х2, соответствующий высоте расположения верхнего слоя пробы 22 относительно плоскости ленты 17 и фиксирующий момент ее появления в зоне измерения. После получения сигнала Х2 контроллер 32 передает необходимую информацию программируемому контроллеру 28 и формирует команды Y9 на запуск его программы позиционирования, Y8 на останов электропривода 18 транспортера 16 и Y10 на включение в работу видеокамеры 26 и анализатора 25. На основании полученной информации и команды Y9 контроллер 28 начнет выполнять программу управления траекторией движения рабочего органа манипулятора 27 с прикрепленным к нему анализатором 25 относительно поверхности высушенной пробы 22 с учетом уровня и координат расположения материала 22 на ленте 17. По мере перемещения анализатор 25 в заданных точках траектории осуществляет анализ элементного состава пробы 22. Одновременно с помощью видеокамеры 26 осуществляют съемку ее поверхности.

Применение видеокамеры увеличивает информативность системы, дополняя ее функциями технического зрения. Использование дополнительных функциональных возможностей системы может быть проиллюстрировано на примере решения задачи идентификации технологических сортов руд, выполненного нами при исследовании состава руд одного из полиметаллических месторождений. Было установлено, что если дополнить оценку технологического сорта руды на основе состава ее химических элементов, информацией, содержащей численную оценку цветовых характеристик поверхности высушенной пробы с применением RGB алгоритма математической обработки изображения (https://ru.wikipedia.org/wiki/RGB), получаемого с видеокамеры, то эффективность идентификации сорта руды существенно возрастает. Оценка эффективности производилась путем вычисляют критерий Kni соответствия неизвестного n сорта руды известным i технологическим сортам месторождения путем нахождения минимального значения суммы абсолютных величин разностей, получаемых в результате поразрядного вычитания соответствующих сводных кодов:

где

r - количество десятичных разрядов сводного кода;

Jir - сводный код, соответствующий известному i-тому сорту руды;

Jnr - сводный код, соответствующий текущему n-ному сорту руды.

Сводные коды сортов руд определялись в соответствии с методикой, изложенной в источнике (RU патент №2720142, кл. В03В 13/06,2019 г.).

Результаты исследования, приведенные в таблице и на фиг.2, показывают, что величина критерия Kni существенно возрастает при использовании дополнительной информации о цветовых характеристиках поверхности анализируемых проб, что в данном случае свидетельствует о повышении разрешающих свойств метода идентификации.

После завершения цикла измерения элементного состава пробы 22, продолжительность которого зависит от количества и длительности экспозиций точек контроля за период перемещения анализатора 25 по заданной траектории, результаты измерений, содержащие информацию об элементном составе и цветовых характеристиках поступают в контроллер 32 и подвергаются дальнейшей математической обработке в зависимости от целей ее последующего использования. По запросу оператора информация из контроллера 32 по компьютерной сети 34 может выводиться на монитор 33 или передаваться в систему верхнего уровня управления технологическим процессом (АСУТП). Далее контроллером 32 формирует команды управления Y10 на отключение, анализатора 25, Y11 на отключение видеокамеры 26, Y9 контроллеру 28 на возвращение рабочего органа манипулятора 27 в исходное состояние, Y8 на включение электропривода 18 транспортера 16 и Y12 на включение клапана 19 подачи воды на обмыв ленты 17. В результате этих действий материал пробы 22 будет смыт в дренаж через воронку 20, проба следующей по порядку расположения линии анализа переместится в направлении зоны измерения до момента обнаружения ее датчиком 21 уровня, после чего следуют соответствующие команды контроллера 32 на прекращение подачи воды на обмыв и выполнение анализа новой пробы аналогично процедуре, описанной выше. После завершения процедуры измерения проб всех линий анализа, предусмотренных конфигурацией системы, следует команда Y12 на включение клапана 19 для смыва материала последней пробы в дренаж и система возвращается в исходное состояние. Количество идентичных линий анализа системы определяется индивидуально при проектировании системы с учетом длительности цикла анализа одной пробы и предельной суммарной длительностью анализа всех проб.

Таким образом предложенная автоматическая система контроля элементного состава проб пульповых продуктов позволяет по сравнению с прототипом улучшить аналитических свойства благодаря оптимизации условий измерения за счет обезвоживания проб, повысить надежность работы оборудования вследствие отсутствия прямых контактов элементов анализатора с измеряемой средой и уменьшить радиационную опасность его эксплуатации благодаря применению малогабаритного анализатора, а так же увеличить информативность системы путем реализации дополнительной функции технического зрения.