煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書.doc

煤矸石自動(dòng)分選機(jī)煤矸石自動(dòng)分選機(jī) 技術(shù)白皮書技術(shù)白皮書 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 1 目 錄 一 設(shè)計(jì)綜述 2 1 設(shè)計(jì)背景 2 2 設(shè)計(jì)要求 2 3 主要技術(shù)指標(biāo) 3 4 若干技術(shù)關(guān)鍵問題 3 5 產(chǎn)品特點(diǎn) 4 6 前景與應(yīng)用 5 二 技術(shù)原理 5 1 構(gòu)成原理 5 2 機(jī)械傳輸 6 3 雙能 射線投射法在線識(shí)別原理 8 三 傳感器及信號(hào)處理電路 11 1 傳感器及其高壓控制 11 2 輸入緩沖放大及微分電路設(shè)計(jì) 12 3 脈沖放大及數(shù)字增益控制 13 4 幅值分析及自適應(yīng)穩(wěn)峰 15 四 微機(jī)系統(tǒng)硬件配置和軟件設(shè)計(jì) 17 1 硬件配置 17 2 軟件功能設(shè)計(jì) 17 五 分選控制機(jī)理及其組成 20 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 2 一 設(shè)計(jì)綜述一 設(shè)計(jì)綜述 1 1 設(shè)計(jì)背景 設(shè)計(jì)背景 煤中矸石的自動(dòng)剔選是現(xiàn)代化煤炭生產(chǎn)加工過程中的重要環(huán)節(jié)之一 先進(jìn) 的分選方式與方法研究已逐漸引起煤炭生產(chǎn)和應(yīng)用部門的重視 煤矸石自動(dòng)分 選機(jī)是對(duì)塊狀原煤里的矸石在傳輸過程中實(shí)現(xiàn)其物理分選的專用設(shè)備 它的出 現(xiàn)主要基于對(duì)以下幾方面的考慮 1 我國煤炭年產(chǎn)量已超過 19 億噸 年入洗量卻低于 20 大部分煤炭仍 延續(xù)著人工選矸的落后方式 勞動(dòng)強(qiáng)度大 生產(chǎn)效率低下 矸石揀選率也直接 受人員素質(zhì) 管理水平等人為因素影響 2 傳統(tǒng)的重介分離等排矸方法產(chǎn)生大量難以處理的煤泥污染物 對(duì)人和 農(nóng)作物賴以生存的水源和耕地破壞嚴(yán)重 尤其是在我國主要產(chǎn)煤地區(qū)出現(xiàn)的開 采煤炭資源與環(huán)境污染以及原本就十分匱乏的水資源間的矛盾日顯突出 目前 已有不少煤炭生產(chǎn)加工企業(yè)不同程度地受到我國環(huán)境保護(hù)法的制約 造成設(shè)備 閑置 產(chǎn)量下降 經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重 3 煤是一種資源 它作為特殊能源和產(chǎn)品原料 在諸多行業(yè)生產(chǎn)中起著越 來越重要的作用 在國際國內(nèi)市場上 塊煤交易形勢一直較好 但由于我國煤 炭初加工能力較弱 塊煤含矸率偏高 價(jià)格損失較大 市場競爭力不強(qiáng) 4 干式分選方法是當(dāng)今煤炭分選技術(shù)的重要發(fā)展趨勢之一 大量文獻(xiàn)資料 表明 目前在國際上尚未見有煤矸石自動(dòng)分選機(jī)實(shí)用產(chǎn)品或類似設(shè)備的出現(xiàn) 因此 煤矸石自動(dòng)分選設(shè)備對(duì)我國干式分選技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展也將起到積極的 推動(dòng)作用 2 2 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)要求 連續(xù)化生產(chǎn)是煤炭加工過程的基本特征 其中皮帶傳輸方式較為普遍 考 慮到煤矸石自動(dòng)分選機(jī)位置設(shè)置的靈活性及與整體加工過程的統(tǒng)一性 設(shè)計(jì)中 應(yīng)首先建立起具備一個(gè)來料輸入口和煤及矸石兩個(gè)出料口的皮帶 接力 傳輸 工作平臺(tái) 以便在其上實(shí)現(xiàn)對(duì)煤矸石的識(shí)別與分選 因此 從完成基本功能上 考慮 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)由機(jī)械傳輸 煤矸石識(shí)別和分選自動(dòng)控制三部分構(gòu)成 其中對(duì)各部分的基本設(shè)計(jì)要求如下 1 根據(jù)所需處理煤量的大小 確定傳輸皮帶寬度及帶速 使來斗不致形成 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 3 堆積 并在皮帶中部設(shè)置簡單有效的排隊(duì)機(jī)構(gòu) 組成若干個(gè)通道 以保證識(shí)別 與分選的準(zhǔn)確性 2 連續(xù)工作條件下 要求對(duì)煤矸石的識(shí)別與分選控制以在線實(shí)時(shí)方式進(jìn)行 工作 3 遵循集散控制系統(tǒng)的構(gòu)成原則 在各通道獨(dú)立設(shè)置一套識(shí)別與分選控制 單元儀表 以確保整機(jī)系統(tǒng)的工作可靠性 4 分選執(zhí)行器應(yīng)滿足一定的響應(yīng)時(shí)間和頻率要求 分選控制延遲時(shí)間可調(diào) 5 考慮現(xiàn)場操作人員的技術(shù)素質(zhì) 充分利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)功能 盡量簡 化儀表操作過程 6 傳感器及二次儀表應(yīng)滿足在惡劣環(huán)境條件下長期穩(wěn)定工作要求 該系統(tǒng)在技術(shù)上主要解決了以下幾個(gè)關(guān)鍵問題 1 運(yùn)用新型雙能 射線衍射方式 實(shí)現(xiàn)了在較大粒度范圍的煤與矸石的 在線識(shí)別 2 采用集散控制方式 確保了識(shí)別儀表系統(tǒng)在惡劣工礦下的長期可靠運(yùn) 行 3 機(jī)械排隊(duì)機(jī)構(gòu)更加簡便有效 滿足了對(duì)物料進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別的要求 4 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡單可靠 3 3 主要技術(shù)指標(biāo) 主要技術(shù)指標(biāo) 1 輸送機(jī)皮帶寬度 1 2 米 2 輸送機(jī)皮帶速度 0 8 米 秒 3 分選粒度范圍 50 150 毫米 根據(jù)需要可設(shè)計(jì) 30 300 毫米 4 一次凈選率 大于 85 5 單通道平均處理量 8 噸 小時(shí) 6 執(zhí)行器最高工作頻率 10 次 秒 4 4 若干技術(shù)關(guān)鍵問題 若干技術(shù)關(guān)鍵問題 1 激勵(lì)場的選取 采用何種場物質(zhì)作為激勵(lì)媒介是確定識(shí)別方法的先決條件 對(duì)于組分識(shí)別 激勵(lì)場的選擇依據(jù)是由場物質(zhì)對(duì)煤矸石組分的敏感性 應(yīng)用環(huán)境條件 工作可 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 4 靠性等因素決定 在原理上 對(duì)煤矸石組分敏感的場主要有 各種核射線輻射 場 微波場 電場 光場等 對(duì)應(yīng)用條件的可行性來說 射線場無疑是最為 適合的選擇 在它的激勵(lì)作用下 不僅煤和矸石呈現(xiàn)的輻射通量強(qiáng)度差別較顯 著 而且最具有長期穩(wěn)定可靠 不受環(huán)境條件變化影響 結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn) 2 組分識(shí)別問題 依據(jù)前述設(shè)計(jì)要求與技術(shù)指標(biāo) 完成自動(dòng)分選的首要技術(shù)關(guān)鍵在于對(duì)煤矸 石的組分識(shí)別 在理論上它隸屬于固態(tài)物組分模式分類識(shí)別的研究范疇 我們 知道 對(duì)具有確定被測厚度物體的二元組分識(shí)別問題 可用單一輻射源方式解 決 但對(duì)于像煤矸石這類被測物厚度不確定的動(dòng)態(tài)組分識(shí)別 由于其厚度變化 與組分差異所呈現(xiàn)的信號(hào)特征相同 目前尚無有效解決方法 因此設(shè)法消除由 粒度變化因素造成的混疊影響成為識(shí)別方法研究中必須解決的技術(shù)難點(diǎn) 根據(jù)現(xiàn)代傳感理論 在非差模條件下 抵消測量中某個(gè)未知量的有效方法 是在原有基礎(chǔ)上 恰當(dāng)?shù)刈⑷胍粋€(gè)確定的激勵(lì)分量 并相應(yīng)作某些數(shù)學(xué)變換來 達(dá)到 由此 設(shè)計(jì)應(yīng)用了由一個(gè)低能源和一個(gè)中能源復(fù)合構(gòu)成的雙能 射線輻 射激勵(lì)場 成功地解決伴有強(qiáng)粒度變化擾動(dòng)情況下的煤矸石組分識(shí)別難題 3 識(shí)別與分選控制系統(tǒng)構(gòu)成原則 系統(tǒng)處于連續(xù)不斷的工作條件下 其可靠性與用戶的經(jīng)濟(jì)效益直接相關(guān) 因此不但要求儀表本身具有高的可靠性 同時(shí)要求系統(tǒng)能保證其工作的最大安 全性 為此 本識(shí)別與分選控制系統(tǒng)按信息集中 控制分散的原則構(gòu)成 所謂 信息集中 即在控制室中能實(shí)時(shí)地 隨機(jī)地監(jiān)測到系統(tǒng)的工作狀況 控制分散 實(shí)質(zhì)上是危險(xiǎn)分散 在微機(jī)控制的歷史上曾出現(xiàn)過一臺(tái)微機(jī)控制多個(gè)回路的情 況 即集中控制方式 這在當(dāng)時(shí)微機(jī)造價(jià)很高的情況下對(duì)節(jié)約投資是有效的 但隨著微機(jī)應(yīng)用的發(fā)展 集中控制影響連續(xù)生產(chǎn)的弊病就充分暴露出來 當(dāng)控 制機(jī)出現(xiàn)故障時(shí) 不僅所有與之相關(guān)的受控部分都將因此停止下來 而且還可 能造成整個(gè)生產(chǎn)過程的大面積癱瘓 因此隨著微機(jī)價(jià)格的下降 分散控制模式 被廣泛應(yīng)用 而且分散愈徹底 其可靠性愈高 5 產(chǎn)品特點(diǎn) 產(chǎn)品特點(diǎn) 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)屬于干選設(shè)備 煤和矸石經(jīng)過該設(shè)備后即可自動(dòng)分開 不同于目前國內(nèi)外采用的水洗 濕洗和風(fēng)選 它具有如下優(yōu)點(diǎn) 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 5 1 投資少 見效快 2 分選效率高 不低于 85 保證選出的矸石中不含煤塊 可靠性好 3 系統(tǒng)操作簡單 維護(hù)方便 運(yùn)行成本低 4 分選的煤種范圍廣 不受濕度的影響 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng) 5 處理粒度根據(jù)不同煤質(zhì)可設(shè)定為 30 50 50 150 150 250 毫米 6 不消耗水資源 能耗極低 不對(duì)環(huán)境造成破壞和污染 6 前景與應(yīng)用 前景與應(yīng)用 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)的完善 推廣應(yīng)用 將對(duì)我國煤炭產(chǎn)品質(zhì)量提升起到積 極作用 可廣泛應(yīng)用于物料分選等其他生產(chǎn)領(lǐng)域 就煤炭生產(chǎn)而言 可用于 1 現(xiàn)有煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)改造 該設(shè)備可在煤流系統(tǒng)進(jìn)行在線分選 不另需場地 直接將原人工揀矸皮帶改為自動(dòng)分選 能夠大大提高原 煤分選率及生產(chǎn)自動(dòng)化水平 2 完善干法選煤工藝 現(xiàn)有空氣重介質(zhì)流化床干法選煤及 FGX 系列復(fù)合 式干法選煤入選原煤粒度均為 0 50mm 及 0 80mm 而煤矸石自動(dòng) 分選機(jī)入選原煤最佳粒度為 30 300mm 彌補(bǔ)了上述兩種干法選煤工 藝的不足 為干法選煤工藝起到積極推動(dòng)作用 煤矸石的綜合應(yīng)用 由于煤矸石質(zhì)量吸收系數(shù) K 值可調(diào) 可對(duì)煤矸石進(jìn)行 準(zhǔn)確分類 低熱值劣質(zhì)煤 碳質(zhì)頁巖 以分別應(yīng)用于劣質(zhì)煤發(fā)電 水泥生產(chǎn)等 二 技術(shù)原理二 技術(shù)原理 1 1 構(gòu)成原理 構(gòu)成原理 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)主要由原煤進(jìn)料斗 煤和矸石出料斗 皮帶傳輸機(jī)以及 識(shí)別與分選控制系統(tǒng)幾部分構(gòu)成 見圖 2 1 由于整個(gè)識(shí)別與分選工作過程 是非接觸 實(shí)時(shí)的 因此不會(huì)影響正常的物料傳輸 皮帶上設(shè)有若干個(gè)物料排 隊(duì)通道 每一通道獨(dú)立地配置一套由雙能 射線源 射線傳感器 氣動(dòng)執(zhí)行器 和測控儀表組成的識(shí)別與分選系統(tǒng) 以提高整機(jī)的運(yùn)行可靠性 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 6 圖 2 1 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)構(gòu)成示意圖 系統(tǒng)對(duì)煤和矸石的識(shí)別與分選時(shí)序過程是經(jīng)篩分后一定粒度范圍的塊狀原 煤由進(jìn)料斗落到傳送皮帶上 在排隊(duì)機(jī)構(gòu)的作用下順序排列對(duì)中穿過由雙能 射線源和 射線傳感器構(gòu)成的具有上下對(duì)應(yīng)幾何結(jié)構(gòu)的通道 由此獲得的信號(hào) 經(jīng)放大 成形 分層等預(yù)處理后 由單片計(jì)算機(jī)依據(jù)識(shí)別數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算 將計(jì)算值與經(jīng)預(yù)先標(biāo)定得出的閥值進(jìn)行比較 若大于該閥值 則被判定為矸石 經(jīng)一定時(shí)段延時(shí)后 瞬時(shí)打開高壓氣閥 使之在被拋落過程中偏離原軌跡 落 入矸石料斗 若小于閥值則被判定為煤 氣閥不動(dòng)作 使之自然拋入煤料斗 2 2 機(jī)械傳輸 機(jī)械傳輸 1 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)機(jī)械傳輸部分的結(jié)構(gòu)簡圖如下 高 壓 進(jìn)料斗 氣 物料傳送方向 排隊(duì)機(jī)構(gòu) 射線 傳送皮帶 氣閥 放 射 源 傳 感 器 煤 斗 矸 石 斗 控制儀表 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 7 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖煤矸石自動(dòng)分選機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖 1 2 3 4 5 6 7 1 儲(chǔ)氣罐 2 高頻電磁氣閥 3 傳感器 4 射線源 5 識(shí)別裝置固定架 6 排隊(duì)裝置輸送機(jī) 7 輸送機(jī) 機(jī)械組成部主要包括 給料 輸送 排隊(duì)機(jī)構(gòu) 氣控部分 儲(chǔ)氣罐 高頻 電磁氣閥 2 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 按年產(chǎn)量 120 萬 T 的礦井作為設(shè)計(jì)依據(jù) 除前面提及的主要技術(shù)指標(biāo)外 輸送機(jī)膠帶寬度 1 2m 分選通道 6 個(gè) 矸石實(shí)體比重 2 3 煤實(shí)體比重 1 35 50 300 級(jí)占原煤的 35 569 50 150 級(jí)的含矸率按 30 計(jì) 產(chǎn)量的不均 衡系數(shù)取 1 5 粒度的不均勻系數(shù)取 1 1 計(jì)算 a 要求每秒鐘處理粒度范圍內(nèi)的產(chǎn)量為 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 8 1200000000 年產(chǎn)量 300 生產(chǎn)天數(shù) 14 每天生產(chǎn)小時(shí) 3600 35 569 16 3kg 矸石 16 3 30 4 89kg s 煤 16 3 70 11 41 kg s b 每塊矸石的重量 按小值計(jì)算 0 5 3 2 3 0 29kg c 每秒鐘要處理的矸石的塊數(shù) 4 89 0 29 17 塊 d 每塊煤的重量 按平均值計(jì)算 0 5 3 1 35 0 17kg e 每秒鐘要處理的煤的塊數(shù) 4 89 0 17 29 塊 f 每秒鐘煤和矸石總的塊數(shù) 17 29 46 塊 g 每秒鐘每通道通過的煤和矸石的塊數(shù) 46 6 7 7 塊 秒 考慮連續(xù)兩塊或三塊都是矸石 并且都是最小粒度 再加之來料的不均衡 性 高頻電磁氣閥的動(dòng)作頻率為 7 10 次 3 3 雙能 雙能 射線投射法在線識(shí)別原理射線投射法在線識(shí)別原理 粒度不同是塊狀原煤在皮帶傳輸過程中的實(shí)際存在 因此利用雙能 射線 投射法實(shí)現(xiàn)煤中矸石的分選 必須解決兩個(gè)基本問題 第一 確立在粒度變化 條件下的煤和矸石組分有效識(shí)別方法 第二 不影響正常傳輸過程 即要求識(shí) 別模型簡單 滿足在線實(shí)時(shí)性條件 1 組分模式特征分析 射線與物質(zhì)的相互作用理論指出 強(qiáng)度為 的窄速 射線在穿透物質(zhì) 時(shí) 被物質(zhì)的原子所散射和吸收的程度可用指數(shù)定律來描述 I I0exp mdm 1 衰減后的射線強(qiáng)度 主要取決于物質(zhì)化學(xué)成分有關(guān)的質(zhì)量衰減系數(shù) m和 質(zhì)量厚度 dm 其中 質(zhì)量衰減系數(shù)是射線能量 的函數(shù) 且與物質(zhì)的平均原子 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 9 序數(shù)總和平均質(zhì)量數(shù) 相關(guān)聯(lián) 在以光電效應(yīng)為主導(dǎo)的低能區(qū)域和以康譜頓效 應(yīng)為主導(dǎo)的中能區(qū)域 其質(zhì)量衰減系數(shù)分別為 ml f E Z 4 A 2 ml f E Z A 3 根據(jù)煤和矸石的成分分樣得知 煤屬于低原子序數(shù)物質(zhì) C 6 9 A 13 4 矸石屬高原子序數(shù)物質(zhì) S 12 4 AS 24 7 將這些參數(shù)分別代入 2 和 3 即可得到煤和矸石的質(zhì)量衰減系數(shù)與射線能量的基本變化關(guān)系 如圖 2 2 所示 從中可以看出 約在 0 5 Mev 的低能段 煤和矸石的質(zhì)量衰減 系數(shù)存在較明顯的差異 即反映了兩者不同的組分 而約在 0 5 Mev 的中 能段 其質(zhì)量衰減系數(shù)卻幾乎相等 與兩者的組分基本無關(guān) 0 05 0 5 E MeV 0 4 0 2 0 00 m cm2 g 1 矸石 煤 圖 2 2 煤和矸石質(zhì)量衰減系數(shù)與射線能量的變化關(guān)系 這一特點(diǎn)說明 利用中 低兩種不同能量的 射線作激勵(lì) 由其輻射通量 強(qiáng)度可分別獲取煤和矸石的組分及厚度信息 同時(shí)它也為消除質(zhì)量厚度因子提 供了條件 2 動(dòng)態(tài)識(shí)別建摸 設(shè)當(dāng)一識(shí)別物體橫穿有中 低兩種確定能量的一束復(fù)合 射線時(shí) 其輻射 通量強(qiáng)度服從 Lambert 公式 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 10 J J0exp mmdm 4 I I0 exp nmdm 式中 J I 和 J0 I0分別是有或無物體被透射時(shí)傳感器檢測到的中 低能量 射線輻射通量強(qiáng)度 mm ML和 dm 分別對(duì)應(yīng)為中 低能量 射線透射時(shí)的 質(zhì)量衰減系數(shù)和質(zhì)量厚度 對(duì)式 4 兩邊取對(duì)數(shù)得 lnJ ln J0 mmdm lnI lnI0 mldm 5 由于中 低能量射線透射的是同一物體的同一部位 故消去其中質(zhì)量厚度 因子 即得到識(shí)別函數(shù) ml lnI0 lnI K 6 mm ln J0 ln J 式 6 表明 a 由于衰減系數(shù)比 表征了在中 低能量 射線共同作用下 與物體質(zhì)量厚度因子無關(guān)的組分信息 故可直接作為判別煤和矸石的依據(jù) b 對(duì)一定 源活度和幾何條件 式中 0和 0是可預(yù)先確定的常數(shù) 因此只需同 時(shí)測定物體穿過線束時(shí)段的平均輻射強(qiáng)度 和 即能方便的求出系數(shù)比 3 誤差分析 煤和矸石的判別誤差主要是由 射線的統(tǒng)計(jì)漲落引起的 衰減系數(shù)比 的 均方根誤差的相對(duì)值 K 1 J J I I 2 2 7 K dm mm ml 式中 J J和 I I 分別是中 低能射線輻射通量強(qiáng)度的相對(duì)誤差 若 用其對(duì)應(yīng)的脈沖計(jì)數(shù)代替 則得到 K 1 1 1 8 K dm 2mmnm 2mlnl 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 11 由式 7 和 8 可見 減小識(shí)別誤差的有效途徑是適當(dāng)增大中 低能 射線 強(qiáng)度 以提高其單位時(shí)間內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)量 同時(shí)式 8 表明了對(duì)源強(qiáng)的設(shè)計(jì)意義 當(dāng)選定兩種 射線源的種類后 質(zhì)量衰減系數(shù) mm 和 ml均為確定值 將矸石 的最大質(zhì)量厚度代入 即可計(jì)算出滿足某一給定誤差的最小脈沖計(jì)數(shù)量 三 傳感器及信號(hào)處理電路三 傳感器及信號(hào)處理電路 1 1 傳感器及其高壓控制 傳感器及其高壓控制 光電倍增管 前置放大器 微 機(jī) I OI O 閃爍體 高壓 12V 12V 信號(hào) 圖 3 1 每個(gè)分選通道都有一個(gè)獨(dú)立的傳感器 其結(jié)構(gòu)如圖 所示 它由四個(gè) 部分構(gòu)成 1 Nal T1 閃爍體 其尺寸為 25 20mm 閃爍體受到穿過靶物質(zhì)的射線作 用 形成可被光電倍增管接受的光子 2 光電倍增管的作用是把接收的光信號(hào)放大并轉(zhuǎn)化成電信號(hào) 它的各打拿 極由高壓分壓控制 倍增后的信號(hào)進(jìn)入前置放大極 在本系統(tǒng)中選用 CDB20 或 CDB23 它們要經(jīng)老化篩選以去掉早期失效器件 3 前置放大極一般做成跟隨器形成 因?yàn)楫?dāng)傳感器與后續(xù)儀表距離較遠(yuǎn)時(shí) 用跟隨器更易于傳送脈沖信號(hào) 按設(shè)計(jì)約定 經(jīng)前置放大極輸出的有效信號(hào)為 負(fù)向脈沖 其輻值在 50 mV 100 mV 之間 后續(xù)電路據(jù)此設(shè)計(jì)和調(diào)整參數(shù) 4 高壓控制系統(tǒng) 傳感器必須由高壓電源供電 理論和實(shí)踐證明 傳感器 的靈敏度對(duì)電源電壓極為敏感 它是光電峰漂移的重要因素 在核電子儀器中 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 12 典型的方式有兩種 一種是穩(wěn)定高壓以保證系統(tǒng)靈敏度的穩(wěn)定 另一種是經(jīng)常 測量靈敏度而通過調(diào)整高壓來修正靈敏度 此時(shí) 高壓的控制已不單純是穩(wěn)壓 問題 而是涉及整個(gè)系統(tǒng)靈敏度穩(wěn)定的問題 后一種方法可以消除多種因素 如溫度 對(duì)靈敏度的影響 本系統(tǒng)采用后一種方法 圖 3 2 圖 3 2 表示高壓控制的原理方框圖 圖中虛線所包圍的部分由微處理機(jī)實(shí) 現(xiàn) 高壓控制包括兩個(gè)相關(guān)控制環(huán)路 在沒有圖中下面部分 含光電倍增管的 反饋線路 時(shí) 上面環(huán)路部分構(gòu)成典型穩(wěn)壓環(huán)路 由微機(jī)控制著 DC DC 變換器 的輸出 當(dāng)高壓部分帶上負(fù)載 光電倍增管 時(shí) 上下兩個(gè)環(huán)路同時(shí)發(fā)生作用 微機(jī)用軟件方法定時(shí)地檢測下面的系統(tǒng)靈敏度 K 包括光電倍增管 微分 幅 值分析等 若 K K0 則輸出校正信號(hào) 這個(gè)信號(hào)通過系統(tǒng)環(huán)路控制使 K K0 不難證明 上述系統(tǒng)有串級(jí)系統(tǒng)的動(dòng)特性又有自適應(yīng)系統(tǒng)的靜特性 但 光電倍增管對(duì)高壓變化十分敏感 因此這種控制只在高壓粗調(diào)時(shí)使用 高壓微 調(diào)將采用另外的方法 系統(tǒng)正常工作時(shí)處于單回路狀態(tài) 2 2 輸入緩沖放大及微分電路設(shè)計(jì) 輸入緩沖放大及微分電路設(shè)計(jì) 微分電路的目的是在多個(gè)脈沖形成的卷積信號(hào)中 將各個(gè)脈沖分離開來 微分電路參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的脈沖時(shí)間分辨能力影響很大 為提高脈沖時(shí)間分辨能力 微分電路時(shí)間常數(shù) RC 應(yīng)愈小愈好 但此時(shí)卻增加了微分驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載 為此 通常在前置放大器之后和微分電路之間插入一級(jí)緩沖放大 如圖 3 3 所示的 IC1 及 T1 組成的緩沖放大器 一方面用于與信號(hào)電纜匹配 另一方面又能驅(qū)動(dòng) 很小的 RC 而不會(huì)產(chǎn)生失真 這點(diǎn)對(duì)分選尤為重要 由于在分選中經(jīng)常出現(xiàn)空帶 分壓器 ADC數(shù)字 PIDDAC 低壓 DC 高壓 DC 光電 倍增 微 分 線 放 幅值 分析 靈敏度 檢 驗(yàn) 系統(tǒng)設(shè)定 高壓 輻射 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 13 情況 此時(shí)信號(hào)的幅值可能超過設(shè)計(jì)值 50 100mvpp 的幾十倍 如果微分電 路產(chǎn)生過載堵塞 將會(huì)影響到以后的計(jì)數(shù)率 這是分選系統(tǒng)中應(yīng)用放射性同位 素檢測的一個(gè)特殊問題 根據(jù)實(shí)際源的強(qiáng)度情況 一般調(diào)整源的平均計(jì)數(shù)率在 40000cps 左右 若考慮到脈沖時(shí)間間隔的隨機(jī)性 應(yīng)選擇更大一些的計(jì)數(shù)率以 便給系統(tǒng)留一定的反應(yīng)裕度 為此 選擇最大計(jì)數(shù)率為 200000cps 與此相應(yīng) 微分時(shí)間常數(shù) t 1 200000 5 1 s 左右 圖 3 3 3 3 脈沖放大及數(shù)字增益控制 脈沖放大及數(shù)字增益控制 脈沖放大是測量中的關(guān)鍵部分 系統(tǒng)的很多重要特性都與此有關(guān) 1 脈沖放大器應(yīng)具有自動(dòng)可調(diào)的 穩(wěn)定的增益變化范圍 按增益分配要求 計(jì)算 Av 5000mv 50 100mv 50 100 倍 按微分后的脈沖要求計(jì)算 放大器 帶寬 W 1 t 1000000Hz 1MHz 2 為使增益能自動(dòng)調(diào)整 并保證帶寬放大器必須由兩級(jí)以上級(jí)聯(lián)而成 而且按最大帶寬原則分配放大器靈敏度 各級(jí)放大器的增益應(yīng)相同或相近 3 為自動(dòng)地調(diào)節(jié)到所要求的放大器增益 在多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)之間引入一個(gè) 數(shù)字衰減器 這樣能通過微機(jī)周期地自動(dòng)微調(diào)增益 可保證放大器增益穩(wěn)定在 0 1 0 4 之內(nèi) 并且對(duì)大信號(hào)與小信號(hào)具有相同的增益 4 為提高放大器的過載性能 放大器之間采用直接耦合方式 微分電路除 C IC1 50 100mV RO R V R1 R2 T1 V 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 14 外 為此要求放大器采用低漂移元件 但一般低漂移元件都具有較低的增益帶 寬積 為保證放大器具有必需的帶寬 而又要求采用寬帶元件 為了合理地解 決寬帶和低漂移二個(gè)要求在元件選擇上的矛盾 脈沖放大器中各級(jí)的閉環(huán)增益 不能太大 以便能采用較低單位增益帶寬元件從而能保證要求的帶寬 經(jīng)實(shí)驗(yàn) 與核算 采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)低漂移器件 OP37 25 85 構(gòu)成三級(jí)放大 每級(jí) 放大 10 倍左右 則總增益可達(dá) 1000 左右 再利用數(shù)字衰減器衰減到所需的級(jí) 聯(lián)增益 由此得 Av Av1 Av2 Av3 AvD Av13 AvD 式中 Av 為總增益 Av1為各級(jí)的增益 AD為數(shù)控衰減器的衰減系數(shù) 由此可見本設(shè)計(jì)中脈沖放大環(huán)節(jié)的一個(gè)特點(diǎn)是各級(jí)都做成固定增益 而用 軟件來自動(dòng)調(diào)節(jié)總增益 這樣就大大簡化了調(diào)整操作和電路結(jié)構(gòu) 有關(guān)數(shù)字衰 減器的其它用途將在下面介紹 為了避免由脈沖后沿的拖尾現(xiàn)象所造成的脈沖重疊 在大過載條件下尤為 嚴(yán)重 脈沖線性放大器中需要采用各種限制負(fù)向過沖的方法來保持脈沖基線的 穩(wěn)定 通常采用二級(jí)管鉗位的方法 由于二極管的溫度特性不好 會(huì)造成基線 的波動(dòng) 為此本系統(tǒng)采用精密整流電路來鉗位 它可保證鉗位電平在全溫域內(nèi) 的波動(dòng)范圍為 1mV 較之普通的二級(jí)管鉗位 鉗位精度高了 2 3 個(gè)數(shù)量級(jí) 根據(jù)以上幾點(diǎn)考慮設(shè)計(jì)的脈沖線性放大電路如圖 3 4 所示 R D7R RD1D2 50 100mV C WinWinDACDAC D0 R R R R D3 v v V0 0 5V 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 15 圖 3 4 圖中第一級(jí)為微分及負(fù)向鉗位級(jí) 第二級(jí)為 8 位的 DAC 組成的程控衰減器 其中 D2 D7來自數(shù)據(jù)鎖存器 可用微機(jī)軟件編程 第三 第四兩級(jí)為增益固定 的放大級(jí) 其中 VR和 D3構(gòu)成過載幅值削波器用來防止過大脈沖所引起的電路 失常 4 4 幅值分析及自適應(yīng)穩(wěn)峰 幅值分析及自適應(yīng)穩(wěn)峰 如前所示 本系統(tǒng)建立在雙源工作的基礎(chǔ)上 雙源工作要求兩個(gè)源均為單 能輻射 且其能量相差越大越好 采用 137C 和241Am 能基本滿足要求 因此輻射 的光子能量圍繞某一中心隨機(jī)分布 所以為了正確反映光電峰的全部能量 本 系統(tǒng)采用定道寬脈沖累級(jí)計(jì)數(shù)法 為此 需要作如下設(shè)計(jì) 1 對(duì)放大器的輸出進(jìn)行分層 以區(qū)分 137C 和241Am 產(chǎn)生的脈沖 計(jì)數(shù) 2 用窗口計(jì)數(shù)技術(shù)以消除光電子能量的隨機(jī)散布 窗口的寬度應(yīng)接近光電 峰的散布區(qū)間 如果寬度過大則使康普頓效應(yīng)影響加大 過小則丟失了有用的 信息 采用窗口計(jì)數(shù)技術(shù)是本系統(tǒng)的又一特點(diǎn) 這種方法較之通常的符合 反符 合法更為簡單 不但易于調(diào)試而且能方便地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)峰 3 一旦道寬和道中心確定 光電峰的計(jì)數(shù)值就可作為分選的依據(jù) 但由于 現(xiàn)場環(huán)境較實(shí)驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜 由光電探測器和脈沖放大器輸出的光電峰能量中心 會(huì)與儀器設(shè)定的道計(jì)數(shù)中心發(fā)生偏離 因此儀器需要有道中心定位系統(tǒng) 在本 系統(tǒng)中考慮了兩種可能出現(xiàn)的自適應(yīng)中心跟蹤方法 圖 3 5 中表示了兩個(gè)理想 的光電峰分布 其中虛線部分為實(shí)際分布 實(shí)線為調(diào)試時(shí)設(shè)定的峰分布 可能 的情況有兩種 D E1 W1 E2 V0 W2 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 16 圖 3 5 a 在某種環(huán)境條件作用下 兩個(gè)光電峰的中心距 D 保持不變 則峰中心值 可能會(huì)平行移動(dòng) b 在另一種環(huán)境條件作用下 不僅兩個(gè)峰中心值發(fā)生偏移而且偏移方向和 中心距離都發(fā)生了變化 在本系統(tǒng)中 能實(shí)現(xiàn)雙峰的自動(dòng)跟蹤 圖 3 6 表示了定寬計(jì)數(shù)中心自動(dòng)跟 蹤的原理線路 它包括了兩套同樣的幅值分析電路 但這兩套電路的參數(shù) R3 R5 各不相同 以便能區(qū)分 137C 和241Am 的信號(hào) 圖中由 IC1 R1 R5 組成幅度分層的基準(zhǔn)電路 通過電位器 W 可以方便地 調(diào)整道寬 一般情況下 R4 R5 以便能得到相等的半道寬計(jì)數(shù) 如果光子能量 為正態(tài)分布 則 R4 與 R5 越接近越好 如果光電子分布的三階矩較大 則應(yīng)在 調(diào)試中改變 R4 R5 的比值 基準(zhǔn)通過 DAC 可以自動(dòng)改變 根據(jù)一定的算法可以 用軟件判定設(shè)定峰中心與實(shí)際峰中心是否一致 若不一致 系統(tǒng)通過兩個(gè)獨(dú)立 的基準(zhǔn)電路分別控制 DAC 來調(diào)整峰中心 這樣就有三種方式解決穩(wěn)峰問題 用 控制高壓方法粗調(diào) 用數(shù)字衰減器細(xì)調(diào) 用分層基準(zhǔn)作兩個(gè)光電峰的各自微調(diào) 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 17 VrVr A DA D IC 1 DA C D7 D0 R1 圖 3 6 四 微機(jī)系統(tǒng)硬件配置和軟件設(shè)計(jì)四 微機(jī)系統(tǒng)硬件配置和軟件設(shè)計(jì) 微機(jī)系統(tǒng)是識(shí)別與分選控制系統(tǒng)的核心 它包括硬件和軟件兩部分 主要 完成數(shù)據(jù)采集 數(shù)值運(yùn)算 判別控制及運(yùn)行管理任務(wù) 1 1 硬件配置 硬件配置 微機(jī)系統(tǒng)的硬件配置是為實(shí)現(xiàn)識(shí)別與分選控制等軟件動(dòng)作提供必要的硬性 支持環(huán)境 它主要由 89C52CPU 和 2764 2864 8256 8253 等外圍接口芯片構(gòu)成 由于這方面的技術(shù)已很成熟且統(tǒng)一 故此處不再贅述 具體結(jié)構(gòu)見附圖 2 2 軟件功能設(shè)計(jì) 軟件功能設(shè)計(jì) 為了保證系統(tǒng)能可靠 準(zhǔn)確地執(zhí)行識(shí)別與分選任務(wù) 其工作方式被定義劃 分為 自檢 調(diào)整 和 工作 三種操作狀態(tài) 并編寫了相應(yīng)的功能軟件 全部軟件程序見附本 1 自檢態(tài) 此狀態(tài)下 系統(tǒng)能對(duì)自射組成的模擬電路 數(shù)字電路主顯示器件進(jìn)行內(nèi)部 R6 R8 R2 R3 VDVD R7 C C R4 R5 CLK1CLK1 CLK2CLK2 CLK3CLK3 MPUMPU GAT1GAT1 GAT3GAT3 IC 2 IC 3 IC 4 R1 0 R1 1 R9 R0 C 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 18 測試 從而得到各硬件環(huán)節(jié)是否處于正常狀態(tài)的信息 其故障定位可達(dá)芯片級(jí) 自檢功能態(tài)主要用于系統(tǒng)工作運(yùn)行等的檢查和維修 圖 4 1 為自檢功能態(tài)的軟 件流程圖 開始開始 LED 自檢自檢 計(jì)數(shù)器自檢計(jì)數(shù)器自檢 數(shù)據(jù)通道自檢數(shù)據(jù)通道自檢 高壓調(diào)節(jié)自檢高壓調(diào)節(jié)自檢 執(zhí)行驅(qū)動(dòng)自檢執(zhí)行驅(qū)動(dòng)自檢 調(diào)整態(tài)調(diào)整態(tài) 工作態(tài)工作態(tài) 啟鎖鍵分析啟鎖鍵分析 圖 4 1 自檢態(tài)軟件流程圖 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 19 2 調(diào)整態(tài) 在此狀態(tài)下 通過儀表功能鍵對(duì)系統(tǒng)設(shè)定的識(shí)別與分選控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置 和調(diào)整 它包括 中 低能空帶值 高壓穩(wěn)峰值 各種閥值和分連控制延遲時(shí) 間等 圖 4 2 為調(diào)整態(tài)軟件流程框圖 開始開始 檢測按鍵檢測按鍵 數(shù)值分析數(shù)值分析 自檢態(tài)自檢態(tài) 工作態(tài)工作態(tài) 加加減減 確認(rèn)確認(rèn) 存儲(chǔ)存儲(chǔ)存儲(chǔ)存儲(chǔ)改參數(shù)改參數(shù)存儲(chǔ)存儲(chǔ) 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 20 圖 4 2 調(diào)整態(tài)軟件流程圖 3 工作態(tài) 在完成以上兩種狀態(tài)操作后 可通過狀態(tài)切換功能鍵使系統(tǒng)進(jìn)入識(shí)別與分選 工作狀態(tài) 在此狀態(tài)中 系統(tǒng)將順序完成 中 低能計(jì)數(shù)值的讀取 運(yùn)算 判別 及延時(shí)等軟操作 為了便于操作人員了解工作情況 此時(shí)顯示器可提供當(dāng)前的計(jì) 算 K 值 并由數(shù)碼形式動(dòng)態(tài)表示當(dāng)前被判別的是煤還是矸石 圖 4 3 為工作態(tài)軟 件流程框圖 按下 到鍵盤調(diào)整狀態(tài) 否 否 開始 系統(tǒng)初始化 設(shè)定采樣初值 控制按鍵按下否 采樣完成否 計(jì)算采樣數(shù)值 是矸石否 送入打擊隊(duì)列 打開氣閥 設(shè)打擊標(biāo)記 是否擊打矸石 設(shè)定工作狀態(tài)設(shè)定工作狀態(tài) 煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書煤矸石自動(dòng)分選機(jī)技術(shù)白皮書 巨龍融智機(jī)電技術(shù) 北京 有限公司 010 62962517 21 否 4 3 工作態(tài)軟件流程圖 五 分選控制機(jī)理及其組成五 分選控制機(jī)理及其組成