Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние исследуемого вопроса 13
1.1. Характеристика грузопотока ленточного конвейерного транспорта угольной шахты как объекта исследования 15
1.1.1. Количественные характеристики шахтного грузопотока и его аналитическое описание 15
1.1.2. Основные физико-химические свойства и показатели качества грузопотока горной массы на ленточном конвейере 19
1.2. Объемная плотность сыпучего материала и ее связь с массовым расходом и минеральной зольностью потока на ленточном конвейере 21
1.3. Краткий обзор и анализ методов и средств измерения количественных характеристик сыпучих материалов 23
1.3.1. Измерение массы сыпучего материала на ленточном конвейере 23
1.3.2. Метод измерения объемной производительности ленточного конвейера 24
1.3.3. Современные методы и средства измерения объемной плотности сыпучих грузов
1.3.3.1. Весовой метод 26
1.3.3.2. Метод гидростатического взвешивания 27
1.3.3.3. Механические методы 28
1.3.3.4. Рентгенографический метод 28
1.3.3.5. Ультразвуковой метод 29
1.3.4. Радиометрические методы определения объемной плотности 30
1.4. Выводы по главе 1.
Постановка цели и задач исследований 33
2. Теоретические основы радиоизотопного метода измерения параметров
2.1. Обоснование использования радиоизотопного измерительного метода 36
2.2. Физика процесса взаимодействия гамма-излучения с потоком сыпучего материала з
2.2.1. Основные виды взаимодействия гамма-излучения с веществом 39
2.2.2. Определение линейного коэффициента ослабления 41
2.2.3. Основные законы ослабления гамма-излучения в веществе 44
2.2.4. Характеристика радионуклида цезий - 137 46
2.3. Разработка имитационной математической модели сигнала РИИС на гетерогенном потоке горной массы 47
2.3.1. Исследование случайного нестационарного сигнала РИИС от неравномерно распределенной плотности на конвейере 48
2.3.2. Имитационное математическое моделирование случайного сигнала первичного преобразователя для потоков угля и горной массы 53
2.4. Влияние возмущающих факторов на измерение массового расхода контролируемого потока 59
3. Синтез и анализ радиоизотопной измерительной системы 61
3.1. Описание и принцип действия измерительной системы 61
3.2. Технические средства первичного преобразователя 62
3.2.1. Блок ионизирующего излучения 62
3.2.2.Блок детектирования 62
3.3. Технические средства вторичного преобразователя 70
3.3.1. Программа микроконтроллера блока детектирования 70
3.4. Оценка возможностей РИИС 78
3.4.1. Метод селективного определения содержания пустой породы в составе гетерогенного потока горной массы 78
3.4.2. Оценка массового расхода груза и производительности ленточного конвейера 82
3.4.3. Измерение минеральной зольности 87
3.5. Методы повышения точности 90
3.5.1.Программными средствами 90
3.5.2. Инструментальными средствами 98
4. Экспериментальная часть 101
4.1. Планирование эксперимента 101
4.2. Методика поверки РИИС. Определение погрешностей измерений
4.2.1. Методика и практические работы по поверке РИИС как метрологического прибора 104
4.2.2. Построение гистограмм для БД№3 и БД№7 115
4.3. Оценка метрологических свойств РИИС 117
4.3.1. Оценка точности РИИС согласно информационно-энергетической теории измерительных устройств 117
4.3.2. Результаты статической градуировки РИИС 125
4.4. Меры безопасности при использовании прибора 129
Заключение 133
Список проработанной литературы
- Основные физико-химические свойства и показатели качества грузопотока горной массы на ленточном конвейере
- Физика процесса взаимодействия гамма-излучения с потоком сыпучего материала
- Технические средства первичного преобразователя
- Оценка точности РИИС согласно информационно-энергетической теории измерительных устройств
Введение к работе
Актуальность работы. Главной целью работы горнодобывающего предприятия является получение прибыли за счет максимальной добычи полезного ископаемого при минимальных издержках. При этом необходима гарантия получения продукции необходимого количества и заданного качества. Следует отметить, что от точного учета количества и оценки качества угля зависит как эффективность и рентабельность работы всей шахты, так и эффективность, и надежность функционирования отдельных видов технологического оборудования, в частности ленточного конвейерного транспорта.
В повседневной практике деятельности угольной шахты учет продукции ведется обычно по производительности магистрального конвейерного транспорта. Однако как показывает практика, наряду с полезным ископаемым к скипам угольной шахты поступает доля пустой породы, вследствие чего учет количества материала заданного качества не всегда точен и эффективен.
Промышленность пока не располагает номенклатурой приборов для точного учета полезного ископаемого непосредственно на ленточном конвейере с одновременным контролем его качества и соответствия товарному продукту, а имеющиеся отдельные методы измерения объемной плотности, массового расхода и показателей качества не обладают удовлетворяющей точностью и имеют основные относительные погрешности измерений, значительно превышающие допустимые пределы ±5-10 %.
В связи с этим учет и оценку качества продукции горной отрасли при транспортировании ленточным конвейером целесообразно проводить с использованием радиоизотопного метода измерения объемной плотности, обеспечивающего возможностью бесконтактного контроля и селективного измерения объемных плотностей отдельных компонентов и оценки качества гетерогенного потока, простотой, надежностью и точностью измерений.
Цель работы: повышение точности технологического учета потока горной массы путем измерения ее объемной плотности и минеральной зольности горной массы методом селективного змерения объемных плотностей отдельных составляющих горной массы при транспортировании ленточным конвейером.
Идея работы: для повышения точности технологического учета потока горной массы необходимо минимизировать случайные и систематические погрешности прибора и повысить точность измерения объемной плотности и определения массового расхода и минеральной зольности исследуемого потока при транспортировании ленточным конвейером.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:
провести анализ существующих методов измерения параметров гомогенных и гетерогенных потоков сыпучих материалов;
обосновать выбор радиоизотопного метода для измерения объемных плотностей потока горной массы и отдельно пустой породы, а также определения массового расхода и минеральной зольности;
подтвердить на имитационных математических моделях для потоков угля и горной массы с массовыми концентрациями угля 70%, пустой породы 30% зависимости изменения объемной плотности исследуемых сред от распределения интенсивностей прямого и рассеянного гамма-излучений;
провести статистическую обработку стробированных случайных процессов и на ее основе разработать алгоритм автоматической корректировки градуировочных характеристик;
разработать метод снижения случайных и систематических погрешностей измерений за счет увеличения частоты измерений и усреднения полученных результатов;
обосновать и разработать метод измерения объемной плотности угольного потока и метод селективного измерения объемной плотности пустой породы в составе гетерогенного потока горной массы и связанную с ней минеральную зольность и дать принцип построения радиоизотопной измерительной системы (РИИС) для реализации этих методов;
разработать инженерную методику и исследовательский стенд для статической градуировки прибора по объемным плотностям угля, пустой породы и горной массы, а также по минеральной зольности горной массы, связанной с массовой концентрацией пустой породы;
разработать алгоритм снижения систематических погрешностей прибора автоматической корректировкой градуировочных характеристик;
разработать макет грузопотока ленточного конвейера и градуировочного стенда для измерения объемной плотности материалов на ленточном конвейере; произвести оценку погрешности и точности РИИС.
Защищаемые научные положения:
-
Анализ взаимодействия заряженных частиц с образцом гетерогенного потока горной массы, определяющего объемную плотность и линейный коэффициент ослабления образца, входящих в качестве сомножителей в отрицательный показатель степени экспоненциальной зависимости интенсивностей прямого и рассеянного гамма-излучений, позволяет рассчитать массовый расход потока горной массы на ленточном конвейере, а также определить селективно объемную плотность одного компонента в составе двухкомпонентного потока горной массы и массовую концентрацию минеральной зольности с использованием метода прицельной регистрации интенсивности рассеянного излучения из фокуса ионизации другого компонента.
-
Выделение полезного сигнала статистическим пульсационным методом из информативного параметра при наличии в угольном потоке пустой породы во всем динамическом диапазоне осуществляется переключением градуировочной характеристики передним фронтом корреляционной функции, при этом уменьшение случайных погрешностей обеспечивается за счет увеличения частоты дискретизации измерений до с последующим усреднением значений, а минимизация систематических погрешностей достигается автоматической корректировкой градуировочных характеристик путем усреднения вычисленных и измеренных значений информативного параметра.
Методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием математических методов анализа физических процессов взаимодействия гамма-излучения с веществом, теории потоков, теории случайных процессов и пульсационных измерений для имитационного математического моделирования случайного процесса изменения информативного параметра РИИС. В работе использовались экспериментально-аналитические методы исследований, а именно, теория планирования эксперимента, статистической обработки результатов измерений, теории погрешностей и экспериментальные исследования, оценка метрологических свойств РИИС на основе энергоинформационной теории измерительных устройств.
Научная новизна работы:
-разработана принципиальная основа и рекомендации к технической реализации метода селективного контроля компонентов гетерогенного потока горной массы путем прицельного детектирования из фокуса ионизации рассеянного излучения;
-предложен метод статистических пульсационных измерений, обеспечивающий наименьшие погрешности непрерывных измерений характеристик потока и осуществления селективного измерения физических характеристик потока;
- разработаны метод снижения случайной погрешности РИИС после выделения информативного параметра в виде дискретных статистических значений, а также алгоритм снижения систематических погрешностей измерений при автоматической корректировке градуировочных характеристик РИИС во всем динамическом диапазоне с использованием методов Монте-Карло и скользящего среднего, путем усреднения вычисленных и измеренных значений информативного параметра, причем частота корректировки выбирается не меньше частоты дискретности по теореме Котельникова
Обоснованность и достоверность выводов и рекомендаций
Доказаны на основе удовлетворительной сходимости результатов функционального и системного анализа процессов взаимодействия гамма-излучения с потоком горной массы, расчетов отдельных физических показателей исследуемой транспортируемой среды, определяющих расчетные соотношения для проходных характеристик системы «первичный преобразователь – контролируемый поток», которые достаточно плотно коррелируют с экспериментально полученными градуировочными характеристиками, а также со статистической обработкой результатов измерений на макете РИИС. Экспериментальные данные подтверждены результатами официальных испытаний РИИС для проб горной массы, состоящей из каменного угля и пустой породы.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработана принципиальная структура, функциональные и инструментальные составляющие РИИС для измерения объемной плотности как гомогенных, так и гетерогенных потоков сыпучего полезного ископаемого на ленточном конвейере на примере горной массы угольной шахты;
обоснован и рекомендован метод измерения объемной плотности отдельных компонентов гетерогенного потока горной массы, состоящего из угля и пустой породы, транспортируемого ленточным конвейером;
по измеренной объемной плотности исследуемого потока даны рекомендации к определению массового расхода материала, а также качественных показателей транспортируемого материала на примере минеральной зольности горной массы;
разработан метод обработки информативного параметра РИИС с использованием теории статистических пульсационных измерений и метод снижения систематических погрешностей автоматической корректировкой градуировочных характеристик;
изготовлен макет РИИС для градуировки по объемной плотности в статическом режиме и получены основные экспериментально-аналитические зависимости интенсивности импульсов с выхода блока детектирования от объемной плотности различных исследуемых сред, позволяющие разработать техническое задание на проектирование и построение опытно-промышленного образца РИИС для транспортных конвейерных потоков угольных шахт;
проведена поверка средств измерения РИИС, в частности блоков детектирования, разработано программное обеспечение для поверки.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты диссертационной работы переданы в ОАО «Воркутауголь» и приняты к использованию в ОАО «Беларуськалий» с целью совершенствования технологии добычи и улучшения качества продукции для случая построения и внедрения автоматического устройства как системы учета продукции и основа открытой интеллектуальной сети рудника.
Рекомендации по функциональной структуре РИИС, по методике измерений объемной плотности пустой породы в составе гетерогенного потока горной массы, по методу снижения систематических погрешностей приняты и документально оформлены в ООО «Комплекс-ресурс».
Личный вклад автора:
на основе литературных источников, аналитических и экспериментальных исследований обоснована возможность применения радиоизотопного метода для измерений массового расхода и массовой концентрации пустой породы или минеральной зольности горной массы на ленточном конвейере;
выполнен структурный синтез РИИС для измерения объемной плотности как гомогенных, так и гетерогенных потоков сыпучих материалов на ленточном конвейере;
разработан исследовательский стенд для экспериментального определения градуировочных характеристик прибора для измерения объемной плотности угля и пустой породы, а также содержания минеральной зольности в горной массе;
выполнены экспериментальные испытания работоспособности РИИС на экспериментальном макете и получены погрешности измерений.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях: в 2009г. в Краковской горно-металлургической академии, «Ежегодная научная вузовская конференция студентов и молодых ученых в 2010г. в СПГГИ (ТУ), «Scientific reports on resource issues» в 2011г во Фрайбергской горной академии, Германия; а также переданы в виде отчета по результатам конкурса грантов для студентов, аспирантов вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга в виде отчета в 2011г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе три в изданиях, входящих в список рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 143 страницах. Содержит 42 рисунка, 17 таблиц и список литературы из 100 наименований.
Основные физико-химические свойства и показатели качества грузопотока горной массы на ленточном конвейере
Ультразвуковые методы контроля ОП СМ [2, 43, 50] обладают высокой чувствительностью, быстродействием и позволяют исключить контакт с испытуемым веществом.
Распространение ультразвуковой волны в СМ сопровождается поглощением звуковой энергии, что характеризуется коэффициентом поглощения а. Интенсивность / ультразвука при прохождении расстояния / убывает по экспоненциальному закону Коэффициент поглощения зависит от концентрации твердых частиц в газовой фазе, т.е. от объемной плотности СМ.
Все ультразвуковые методы измерения плотности СМ могут быть разделены на скоростные, импедансные и импедансно-скоростные [50]. Скоростные методы основаны на регистрации изменения скорости распространения звука в контролируемых материалах при одностороннем (рис. 1.7, а) или двустороннем (рис. 1.7, б) доступе к объекту. УЗ колебаний Об изменении скорости звуковых колебаний судят по изменению фазы колебаний или увеличению времени прохождения сигнала по контролируемому материалу. В основу импедансных методов положена зависимость импедансов изделий при их акустическом облучении от физико-механических свойств этих изделий. Обычно оценивают механический импеданс.
Однако данный метод применим к материалам с небольшими высотой насыпки и размерами кусков, что исключает его применение для контроля объемной плотности грузопотока ленточного конвейера угольной шахты. 1.3.4. Радиометрические методы определения объемной плотности
В настоящее время в промышленности достаточно широкое применение получили радиоизотопные методы измерения и контроля параметров сыпучих и твердых материалов. Это касается в первую очередь измерений объемной плотности материалов. В таблице 1.5 приведены радиоизотопные способы и устройства для измерения объемной плотности. Таблица 1.5. Радиоизотопные способы и устройства для измерения объемной плотности и их недостатки
Все способы относятся к бесконтактным и основаны на свойстве ослабления интенсивности потока радиоактивного излучения исследуемым материалом в результате поглощения у-квантов первичного излучения и выражается зависимостью: = 10е где /0 - начальная интенсивность гамма-излучения; /- интенсивность гамма-излучения, прошедшего через слой измеряемой среды толщиной d и плотностью рсм\ (і - массовый коэффициент поглощения гамма-излучения [77].
Анализируя радиометрические методы для определения плотности и в частности объемной плотности сыпучих материалов, можно судить об их наибольшей эффективности и точности в сравнении с остальными методами и средствами измерений. Однако все эти способы обладают рядом схожих недостатков, заключающихся в следующем.
Способы подходят для однородных по составу сыпучих материалов с плотностями, отличающимися незначительно, и не подходит для грузопотоков со случайным непрерывным распределением плотности на конвейере. При этом обладают погрешностями измерений в связи с увеличением количества веществ в составе исследуемого объекта, имеющих сложную молекулярную структуру с заранее неизвестными плотностями и коэффициентами ослабления первичного излучения.
При построении любой измерительной системы главной задачей является нахождение и выделение информативного параметра (ИП) об измеряемой величине (ИВ). В нашем случае ИВ является объемная плотность транспортируемого конвейером (независимо какой конструкции) полезного ископаемого (ПИ), позволяющая косвенно определить такие параметры, как массовый расход потока полезного ископаемого, производительность ленточного конвейера и оценить качество потока с точки зрения минеральной зольности.
При анализе существующих методов и средств измерения параметров грузопотоков сыпучих материалов следует сделать вывод, что ни один из них не дает точной, независимой и универсальной оценки количественных и качественных показателей исследуемого объекта.
В силу изложенного в работе принята отличная от существующих концепция построения измерительной системы.
С начала 50-х годов в особо ужесточенных условиях эксплуатации и технологии металлургической, горной, нефтяной и других отраслях промышленности успешно применяются высоконадежные, с большим сроком эксплуатации радиоизотопные плотномеры. Просвечивая 7_излУчением поток полезного ископаемого на конвейерной ленте, можно получить информативный параметр об объемной плотности материала по уровню поглощения потоком ПИ прямого и рассеянного излучений.
О различных включениях (например, пустая порода), о качестве ПИ (минеральная зольность) судят по различным характеристикам рассеянного у -излучения (энергия и частота у- квантов) и характере их распределения в сечении потока ПИ. Такой подход к проблеме хорош тем, что он позволяет: 1) измерить объемную плотность как гомогенного, так и гетерогенного потока ПИ на ленточном конвейере в процессе перемещения груза; 2) определить массовый расход транспортируемого суммарного потока ПИ за любой промежуток времени (смена, месяц, год); 3) определить по отдельности объемную плотность отдельных компонентов, составляющих суммарный поток ПИ на ленточном конвейере; 4) оценить показатели качества исследуемого объекта, в частности минеральной зольности транспортируемого потока ПИ для оценки эффективности технологических процессов и технологического добычного оборудования; 5) интеллектуальная часть измерительной системы может служить основой для построения открытой интеллектуальной сети горного предприятия, роль и место которой будет показано ниже. Изложенные преимущества и отличия синтезируемой РИИС позволяют судить о ее безусловной лидирующей конкурентоспособности, а сама она вместе с изложенным подходом к ее построению является прогрессивной.
Физика процесса взаимодействия гамма-излучения с потоком сыпучего материала
Измерительная система состоит из блока гамма-излучения (БГИ), ленточного конвейера, транспортируемого материала, блока детектирования (БД) и блока регистрации, преобразования и передачи измерительной информации [29-32]. Блок гамма-излучения вместе с блоком детектирования образуют первичный преобразователь РИИС. Вторичным преобразователем служит блок регистрации, преобразования и передачи измерительной информации. Принцип действия РИИС основан на измерении объемной плотности потока полезного ископаемого при транспортировании его на ленточном конвейере путем пропускания через контролируемую среду у - излучением строго коллимированного источника у - квантов от блока гамма-излучения и регистрации в блоке детектирования интенсивностей прямого и рассеянного излучений. Информативным параметром здесь является ослабленное материалом потока /-излучение, как показано на рисунке 3.1.
Функциональная схема измерительной системы При этом порог чувствительности по прямом и рассеянному каналам измерений составляет 500 с-1. Так как источником гамма-излучения является радионуклид Cs, то энергия одного кванта составляет 662кэВ. Первичный гамма-луч, взаимодействуя с потоком на конвейере, ослабляется за счет фотоэлектрического поглощения квантов и выхода квантов из узкого пучка при комптоновском рассеянии. Таким образом, при взаимодействии с потоком на конвейере пучок излучения преобразуется в две составляющие: прямое с энергией кванта 550кэВ и рассеянное с энергией кванта ЗООкэВ у -излучение. Таким образом, по степени ослабления излучения и характеру пульсаций информативного параметра или выходного сигнала блока детектирования в определенном энергетическом спектре можно оценить измеряемый параметр среды, которым в данном случае является объемная плотность.
Блок гамма-излучения БГИ входит в состав первичного преобразователя РИИС и предназначен для формирования пучка излучения от закрытого радионуклиидного источника гамма-излучения в вертикальном направлении и защиты обслуживающего персонала от воздействия ионизирующего излучения при работе изделия.
Блок БГИ в рабочем (открытом) состоянии формирует узкий пучок гамма-излучения, который «просвечивает» измерительный участок ленточного конвейера по поперечному сечению. При прохождении гамма-излучения через измерительный участок оно ослабляется находящимся там сыпучим материалом.
Блок детектирования предназначен для: 1) детектирования узкого пучка прямого гамма-излучения радионуклида Цезий- 137 и рассеянного гамма-излучения, образовавшегося в результате взаимодействия прямого излучения с веществом объекта контроля; 2) для формирования двух массивов данных (исходных массивов), представляющих собой результаты подсчета в дискретные интервалы времени импульсов, полученных в результате детектирования прямого и рассеянного излучений. Эти импульсы образуют две параллельные хронологические последовательности (последовательность импульсов, соответствующая продетектированному прямому излучению, и последовательность импульсов, соответствующая продетектированному рассеянному излучению); 3) для корректировки исходных массивов с учётом эффекта «старения» источника ионизирующего излучения; 4) для корректировки исходного массива данных, полученных при детектировании рассеянного излучения, с учётом комптоновского рассеяния гамма - квантов прямого излучения в сцинтилляционном детекторе и их регистрации в энергетическом окне, соответствующем рассеянному излучению; 5) для измерения «аппаратного» энергетического спектра регистрируемого излучения; 6) для восстановления «физического» спектра регистрируемого излучения по измеренному «аппаратному» спектру; 7) для обработки в микроконтроллере скорректированных исходных массивов в соответствии с заложенными в микроконтроллере программами; 8) для осуществления автоконтроля блока детектирования и внутренней диагностики неисправностей; 9) для передачи результатов обработки данных, автоконтроля и внутренней диагностики во внешние устройства; 10) для приёма от внешних устройств программ обработки в микроконтроллере скорректированных исходных массивов; 11) для приёма от внешних устройств данных: - определяющих режим работы блока детектирования (автономная работа, испытания, градуировка, поверка, работа совместно с другими средствами измерений или устройствами); определяющих выбор варианта программы обработки скорректированных исходных массивов данных; задающих значения параметров алгоритмов и констант, используемых при обработке скорректированных исходных массивов; - определяющих работу системы стабилизации рабочих характеристик блока детектирования.
Областью применения блока детектирования являются радиоизотопные плотномеры гомогенных и гетерогенных веществ в процессе их транспортирования. Эти плотномеры используются в том числе на предприятиях по добыче, сбору, подготовке, транспортировке и переработке нефти, газоконденсата и природного газа на открытом воздухе и в помещениях, относящихся по условиям взрывопожароопасности к категории IVBIF. Условия эксплуатации БД: 1)температура окружающей среды от минус 50 до 50 С; 2)относительная влажность не более 95 % при 25 С; 3)атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа; 4)допускается воздействие вибрации частотой в диапазоне от 5 до 25 Гц и амплитудой не более 0,1 мм.
Технические средства первичного преобразователя
Вычисление интеграла / можно трактовать как решение математически сформулированной задачи с одной стороны, и прямое моделирование определения объёма, находящегося под функцией f(x) с другой стороны.
Вычисление одномерного интеграла /, методом Монте-Карло соответствует вычислению / по методу прямоугольников с шагом Ax l/N и погрешностью є{Ах). В принципе, при достаточно хорошей функции f(x) в одномерном случае, не увеличивая существенно количество вычислений, интеграл можно вычислять с точностью (дх3) по трапециям, с точностью по параболам и, вообще, с любой точностью. В многомерном случае трудности использования схем высокого порядка становятся настолько существенными, что при вычислении n-мерных интегралов 1п при п Зредко используются схемы высокого порядка.
Проведём соответствие между эффективностью регулярных и статистических методов. Пусть п - размерность задачи, Y - число узлов на оси, R = Y" - общее число узлов для регулярных методов, q - порядок точности схемы, N - число статистических испытаний, v - количество операций обработки одного узла, єL = Y " - погрешность вычислений для регулярных - М 2 методов, ек = N погрешность вычислении для статистических методов, L(e) = ve ч - количество операций при решении задачи регулярными методами, к(є) = v N = v є"2 - количество операций по методу Монте-Карло. В случае одинакового количества операций при вычислении решения тем и другим методом с одинаковой точностью мы получаем соотношение n = 2q
Это означает, что при п 3, где в основном используются схемы первого порядка, методы Монте-Карло становятся предпочтительней.
Поскольку непрерывная случайная функция аргумента у имеет явный высокочастотный характер, введем в качестве ее аргумента дискретизации промежуток А по величине значительно меньше интервала At, используемого в теореме Котельникова, как показано на рисунке 3.7. К ) " " % \ - - —- О А. S— А /— э- Рис. 3.7. График случайной функции y{t) Как видно из графика, если выделить область, соответствующую интервалу Ак под кривой функции и представить ее в виде четырехугольника, то его площадь будет равна:
При делении площади под кривой S„ на длину основания фигуры или Ак получим с незначительным допущением ни что иное, как ординату функции или величину плотности в исследуемом интервале. Поскольку отрезок Ак имеет малую размерность, а величина активности гамма-излучения после прохождения через вещество имеет порядок Ю5 имп/с, то подобные допущения точны и адекватны. Другими словами, переходя в размерность дискретов, возможно измерить ук (t) с минимальной погрешностью. При этом наряду с измерением текущего значения плотности происходит вычисление заданного значения плотности в тот же момент времени по градуировочнои характеристике, после чего происходит усреднение этих величин и получение среднего, более точного и конечного значения плотности, вычисляемого как: Я0 = -(7выч(0+7и,и(0) (3.22) Последовательность операций в данном случае иллюстрирует рисунок
ІщІ» ы- у БД BtOpirtHbD"!гц еобр т$оаатепь \ А 1 гт у "\ А груэ , . -—- Кш+К \ ) 2 ) лежа Кор р «кг і іроака град\іфК№кн БПІ Г Локальная Рис. 3.8. Функциональная схема нахождения средней объемной плотности груза на ленточном конвейере Для минимизации систематических погрешностей целесообразно использовать метод скользящего среднего с усреднением значений объемной плотности в каждые 0,005с измерений.
Скользящее среднее - один из распространенных методов сглаживания временных рядов. Метод полезен в цифровой обработке сигналов для устранения высокочастотных составляющих и шумов, то есть он может быть использован в качестве фильтра низких частот.
Пусть имеется оцифрованный сигнал S(n), где п - номер отчета в выборке сигнала. Применив метод простого скользящего среднего получаем сигнал F(n). Формула для вычисления простого скользящего среднего: і WI2 F(k) = — У S(k + i) WJ&n (3.23) где W - ширина области усреднения. Суть метода заключается в замене точки выборки средним значением соседствующих точек в заданной окрестности точки S(k). Весовые коэффициенты для простого скользящего среднего Pi=\IW.
Простое скользящее среднее подходит для устранения высокочастотных шумовых составляющих из сигнала при его обработке, когда к фильтру не предъявляется высоких требований по фазово - частотной характеристике, хорошего подавления в полосе заграждения и крутизне среза. Например, при устранении шумов перед декодированием из оцифрованного сигнала информации.
Главным достоинством алгоритма простого скользящего среднего являются простота его реализации и вычислительная эффективность по сравнению с цифровыми фильтрами, реализующимися дискретной линейной сверткой.
Для реализации измерения объемной плотности, а также минимизации случайных и систематических погрешностей были разработаны блок-схемы алгоритмов разделения полезного сигнала информативного параметра от помехи и автоматической корректировки градуировочных характеристик, представленные на рисунке 3.9. а)
Оценка точности РИИС согласно информационно-энергетической теории измерительных устройств
Итак, изложенное выше в теоретической и экспериментальной постановке проблемы предложенного метода измерений доказывает, что возможно сформировать информационное поле в поперечном сечении потока, извлечь информативный параметр, преобразовать его по нужному сценарию и получить результаты в той постановке задачи, которая изложена в начале работы.
Чтобы объективно оценить результаты исследований, необходимо показать их адекватность, что будет служить правильной и качественной их оценкой [88].
Методология исследований и организаций экспериментов дает возможность найти канонический подход в решении указанной задачи. Мы используем эту методологию для доказательства того, что научная гипотеза, представленная в диссертации, является научным фактом.
Итак, планирование эксперимента состоит в выборе числа и условий проведения опытов, позволяющих получить необходимые знания об измеряемой величине и объекте измерения с требуемой точностью [94].
В нашем случае важным условиям научно поставленного эксперимента является минимизация числа опытов, так как для горного предприятия - это очень трудоемкая задача. Например, чтобы определить гранулометрический состав сыпучего потока нужно отобрать несколько сотен килограммов полезного ископаемого специальными пробоотборниками, пересекающими весь исследуемый поток.
А для градуировки РИИС по крупности, например, необходимо насыпать на конвейер уголь разной крупности (20, 30, 40, 50... 100мм) по всей длине со среднестатистической величиной насыпки. То же относится и к градуировке реального грузопотока с включением разного гранулометрического состава или разным содержанием в потоке пустой породы.
Сделать это в полном объеме практически невозможно, поэтому в работе используются методы моделирования различных потоков с помощью ЭВМ.
Принципиальных различий, как известно, в таких подходах нет, но в последнем случае изменять и стабилизировать любые переменные, которые учтены в модели, препятствий нет.
Реальная система и связанные с ней случайные процессы проявлений некоторых параметров легко имитируются с помощью типовых и специальных программ. И поскольку, весь процесс синтеза РИИС построен на основе экспериментальных данных, использование имитационного моделирования -важнейшее условие успеха.
В нашем случае входные переменные (насыпной объем потока, зольность угля, крупность) являются влияющими факторами. Для нашего случая основная трудность - это их плохая управляемость (возможность установить нужный уровень фактора, застабилизировать в течение опыта).
Выходной переменной является изменение выходного сигнала вторичного преобразователя, вызванное различным соотношением числа квантов прямого и рассеянного излучения. Выходная переменная (функция отклика) определяется целью измерения. Ее возможно представить как экономическую (стоимость, производительность), технологическую (точность, качество, характеристика оборудования) или другую характеристику производственного транспортного потока. Получить математическое описание взаимодействия жесткого электромагнитного излучения с веществом в настоящее время невозможно, так как никогда не учесть всех взаимосвязанных переменных, как правило действующих парно или множественно, никогда не получить адекватную функцию отклика.
В данной работе используется другой принцип. На основе огромного числа статистических измерений в лабораторных установках получаем проходные характеристики (вход-выход) по прямому и рассеянному каналам. При этом учитываются все энтропийные влияния на выходной сигнал. Для конкретных условий с учетом априорных сведений с помощью ЭВМ интерпретируется та или иная модель в виде аппроксимирующего полинома и заносится в качестве первичной (базовой) градуировочной характеристики микропроцессора вторичного преобразователя РИИС.
Все неточности аппроксимации или вычислений в процессе работы РИИС автоматически компенсируются методом скользящего среднего и Монте-Карло. Измерение основного (чистого) угольного потока осуществляется по предварительно отградуированной РИИС. Полученный с первичного преобразователя информативный параметр преобразуется в электрический сигнал и представляет случайный процесс. В потоке горной массы помимо чистого угля присутствуют порода, уголь аномальной крупности, зола и другое. При работе РИИС в режиме автоматических весов по системе «площадь-скорость» это и есть выходной сигнал.
При работе РИИС в интеллектуальном режиме возможна отдельная регистрация угля с определенными физическими свойствами и работа системы по функционалам. При этом выходной сигнал представляет собой сумму двух или трех случайных процессов. Интеллектуальная часть РИИС распознает образ чистого потока угля и угля с примесями.
Отсюда следует задача найти математическую модель случайного процесса «чистый уголь» и случайного процесса «уголь с примесями».
В процессе измерений чистый уголь регистрируется отдельно, а при прохождении угля с примесью РИИС автоматически переключает градуировочную характеристику на этот случайный процесс. Таким образом, помеха в виде случайного процесса (примесь) является пороговым элементом, и система переключается на новый диапазон измерений. В некоторых случаях РИИС не переключает измерения на другой диапазон, а просто не фиксирует этот поток, то есть учет полезного ископаемого идет только по чистому углю. Это оправдано, так как в этом случае РИИС получается значительно проще и понятнее. И производителю, и покупателю важно знать количество лишь чистого продукта. Учитывая изложенное, для реализации этой измерительной идеологии необходимо решить задачу нахождения математической модели чистого потока.
