способ сепарации материала

Формула изобретения

СПОСОБ СЕПАРАЦИИ МАТЕРИАЛА, включающий подачу материала в зону контроля, регистрацию набора величин интенсивностей излучения сортируемого материала, вычисление контролируемого параметра, по величине которого определяют сорт материала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности сепарации, предварительно материал известных сортов делят на порции каждого сорта, регистрируют наборы величин интенсивностей излучения в порциях каждого сорта, по зарегистрированным величинам интенсивностей излучения строят эллипсоиды рассеивания интенсивностей излучения в порциях каждого сорта, определяют координаты величин зарегистрированных интенсивностей излучения сортируемого материала и расстояния от этих координат до центров этих эллипсоидов, выделяют два наименьших расстояния, по которым определяют сорт материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обогащению полезных ископаемых и может быть использовано, например, в устройствах для сепарации угля по зольности, содержанию серы, для сепарации железных и полиметаллических руд по показателям качества и так далее.

Известен способ сепарации полезных ископаемых, включающий облучение кусков белым светом, измерение интегральной интенсивности рассеянного света и разделение кусков на полезное ископаемое и породу, в котором дополнительно измеряют дифференциальную интенсивность рассеянного света и фоновую интенсивность, которую сравнивают с интегральной интенсивностью, и по длительности превышения интегральной интенсивности над фоновой определяют время нахождения куска в зоне контроля, определяют среднее значение отношения дифференциальной интенсивности к интегральной интенсивности за время нахождения куска в зоне контроля и по величине указанного отношения проводят разделение кусков на полезное ископаемое и породу.

Недостатком известного способа является низкая точность сепарации на несколько сортов по качеству.

Известен способ сепарации полезных ископаемых, включающий облучение полезного ископаемого белым светом, измерение интенсивностей рассеянного белого и оранжевого света, измерение температуры полезного ископаемого, измерение сопротивления ископаемого, измерение диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь, измерение емкости конденсатора с полезным ископаемым, измерение шумов при прохождении полезного ископаемого по наклонной пластине и измерение спектра этих шумов, сравнение измеренных сигналов с заданными значениями и сепарацию полезного ископаемого по сортам по результатам сравнения измеренных сигналов с заданными значениями.

Недостатком известного способа является низкая точность сепарации, связанная с влиянием неодинаковых флуктуаций сигналов в пробах разных сортов и ограниченность применения только линейной зависимостью сигналов от контролируемых параметров полезного ископаемого.

Поставленная цель достигается тем, что в способе сепарации полезных ископаемых, включающем измерение n сигналов и их сравнение с заданными значениями, в результате которого полезное ископаемое разделяют по сортам, предварительно приготовляют по q проб (q > 5) полезного ископаемого каждого из m сортов так, чтобы в пробах каждого сорта оставалось постоянным значение самого сорта и чтобы произвольно изменялись влияющие (неконтролируемые) параметры полезного ископаемого и чтобы значения сортов в приготовленных пробах равномерно заполняли весь диапазон изменений сорта в полезном ископаемом, после этого в каждой k-й пробе каждого j-го сорта измеряют значения всех сигналов X_1jk, X_2jk, . . . , X_njk, определяют параметры эллипсоидов рассеивания сигналов для порций каждого сорта полезного ископаемого, измеряют значения сигналов в порции полезного ископаемого неизвестного сорта (состава) X_1a, X_2a, . . . , X_na, определяют m расстояний до центров всех эллипсоидов рассеивания сигналов d₁, d₂, . . . , d_mи выделяют два наименьших расстояния d_j+1 и d_jот измеренных сигналов до центров эллипсоидов, определяют относительные значения двух наименьших расстояний в единицах эллипсоидов рассеивания сигналов, определяют величину изменения сорта в пробах, эллипсоиды рассеивания сигналов в которых наиболее близки к измеренной точке X_1a, X_2a, . . . , X_na, а о сорте (составе) полезного ископаемого судят по двум наименьшим относительным расстояниям и по величине изменения С сорта полезного ископаемого.

Сущность изобретения при создании способа сепарации полезных ископаемых состоит в получении такого алгоритма (такой последовательности операций) над полученными n сигналами, при котором одновременно учитываются как неодинаковые флуктуации сигналов для разных сортов полезного ископаемого (эллипсоиды рассеивания сигналов неодинаковы по размерам и неодинаково ориентированы в пространстве сигналов, что имеет место в подавляющем большинстве случаев), так и любые виды зависимостей сигналов от сорта вещества (они могут быть линейными, экспоненциальными, параболическими, гиперболическими, возрастающими, падающими или любыми другими и это никак не скажется на результатах определения сорта при сепарации). Отличительными признаками способа являются: 1) предварительно приготовляют по q проб (q > 5) полезного ископаемого каждого из m сортов так, чтобы в пробках каждого сорта оставалось постоянным значение самого сорта и чтобы произвольно изменялись влияющие (неконтролируемые) параметры полезного ископаемого и чтобы значения сортов в приготовленных пробах равномерно заполняли весь диапазон изменений сорта в полезном ископаемом; 2) в каждой k-й пробе каждого j-го сорта измеряют значения всех n сигналов X_1jk, X_2jk, X_njk; 3) определяют параметры эллипсоидов рассеивания сигналов для порций каждого сорта полезного ископаемого; 4) измеряют значение n сигналов в порции полезного ископаемого неизвестного сорта (состава) X_1a, X_2a, . . . , X_na; 5) определяют m расстояний до центров всех эллипсоидов рассеивания сигналов d₁, d₂, . . . , d_m 6 выделяют два наименьших расстояния d_j+1 и d_jот измеренных сигналов до центров эллипсоидов; 7) определяют относительные значения двух наименьших расстояний в единицах эллипсоидов рассеивания сигналов; 8) определяют величину изменения сорта в пробах, эллипсоиды рассеивания сигналов в которых наиболее близки к измеренной точке X_1a, X_2a, . . . , X_na; 9) о сорте (составе) полезного ископаемого судят по двум наименьшим расстояниям и по величине изменения сорта полезного ископаемого. Ни один из девяти этих отличительных признаков ранее никогда не применялся при сепарации полезных ископаемых и естественно не служил для поставленной в способе цели. Поэтому, по мнению автора, совокупность отличительных признаков соответствует критериям "новизна" и "существенные отличия". Если исключить или заменить на эквивалентной любой из девяти отличительных признаков, то поставленная цель не будет достигаться. Невозможность исключения или замены на эквивалентный любого из отличительных признаков однозначно следует из приводимого ниже описания.

На фиг. 1 приведена геометрическая интерпретация способа сепарации полезных ископаемых по совокупности двух сигналов X₁ и X₂; на фиг. 2 - геометрическая интерпретация определения сорта вещества по совокупности трех сигналов X₁, X₂ и X₃; на фиг. 3 - геометрическая интерпретация повышения достоверности при сепарации полезных ископаемых по совокупности двух сигналов X₁ и X₂.

Способ сепарации полезных ископаемых реализуется следующей последовательностью операций.

Из контролируемого полезного ископаемого приготовляют по q проб (q > 5) каждого из m сортов так, чтобы в пробах каждого сорта оставалось постоянным значение самого сорта (показателя качества, содержания полезного ископаемого или другого параметра, по которому проводится сепарация) и чтобы в пробах каждого сорта произвольно изменялись значения неконтролируемых (влияющих) параметров полезного ископаемого и чтобы значения сортов в приготовленных пробах равномерно заполняли весь диапазон изменения сорта в полезном ископаемом. Всего приготовляют qm проб (порций) полезного ископаемого.

В каждой k-й пробе каждого j-го сорта измеряют значения всех n сигналов X_1jk, X_2jk, . . . , X_njk, где X_1jk - i-й сигнал от k-й пробы j-го сорта полезного ископаемого.

Определяют средние значения сигналов в каждой группе проб каждого j-го сорта

= qX_ijk, = qX_ejk. (1)

Определяют элементы ковариaционной матрицы рассеивания каждого j-го из n сигналов в каждой j-й группе проб j-го сорта полезного ископаемого. Для j-го сорта материала формулы для определения элементов ковариaционной матрицы имеют вид

K_iij= (q-1)(X_ijk-)²,

K_ilj= (q-1)(X_ijk-)(X_ljk-), (2) где 1, 2, 3, . . . , i, . . . , l, . . . , n - номера измеренных сигналов; 1, 2, 3, . . . , j, . . . m - номера сортов полезного ископаемого; 1, 2, 3, . . . , K, . . . , q - номера проб каждого сорта полезного ископаемого.

Определяют значения определителей D для каждого j-го сорта полезного ископаемого, которые построены из элементов ковариационной матрицы рассеивания сигналов

K_11j K_12j . . . K_1ij . . . K_1lj . . . K_1nj

K_12j K_22j . . . K_2ij . . . K_2lj . . . K_2nj

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D_j =

K_1ij K_2ij . . . K_iij . . . Kilj . . . K_inj (3)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

K_1nj K_2nj . . . K_inj. . . K . . K _nnj .

Определяют значения миноров M_{ilj i}-го и l-го сигналов для каждого сорта полезного ископаемого, которые получаются из определителя Dj вычеркиванием i-й строки и l-го столбца. Для j-го сорта материала и для i-го и l-го сигналов формула расчета минора имеет вид

K_11j K_12j . . . K_1ij . . . K_1(l-1)j K_1(l+1)j . . . K_1nj

K_12j K_22j . . . K_2ij . . . K_2(l-1)j K_2(l+1)j . . . K_2nj

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4) M_ilj=

K_1(i-1)j K_2(i-1)j. . . K_(i-1)ij. . . KK. . . K_(i-1)nj

K_1(i+1)j K_2(i+1)j. . . K_i(i+1)j. . . KK. . . K_(i+1)nj

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

K_1nj K_2nj . . . K_inj . . . K K . . . K_nnj .

Определяют элементы обратной к ковариaционной матрицы рассеивания сигналов

K_iij^(-1) = M_iij D_j^-1, K_ilj^(-1) = M_ilj D_j^-1 . (5)

По значениям элементов обратной матрицы и средним значениям сигналов (их математическим ожиданиям) определяют параметры эллипсоидов рассеивания сигналов для проб каждого сорта полезного ископаемого. Для j-го сорта полезного ископаемого уравнение эллипсоида рассеивания сигналов имеет вид

a_iijX²_i + 2a_iljX_iX_l+ 2A_ijX_i+A_n+1= 0, (6) где значения коэффициентов уравнения эллипсоида соответственно равны

a_iij = K_iij^(-1), a_ilj= K^(-1_ilj⁾, A_ij= -K^(-1_ilj⁾ ,

A_(n+1)j= K^(-1_iij⁾ + 2 K^(-1_ilj⁾ . (7)

Аналогично опреляются средние значения сигналов и коэффициенты для всех остальных (m-1) эллипсоидов рассеивания сигналов. Для этого достаточно в формулах (1)-(7) заменить индекс j на соответствующий из оставшихся индексов 1, 2, 3, . . . , (j-1), (j+1), . . . , m.

Теперь в сепаратор помещают пробу неизвестного сорта (неизвестного значения показателя качества) и измеряют значения n сигналов X_1a, X_2a, . . . , X_na.

Определяют все m расстояний от измеренной точки А со значениями сигналов X_1a, X_2a, . . . , X_na до центров всех m эллипсоидов рассеивания сигналов, для расстояний до эллипсоидов Э_j и Э_j+1, соответствующих j-му и (j+1)-му сортам полезного ископаемого, dj и d_j+1 формулы имеют вид

d_j= AO_j= (X_ia-),

d_j+1= AO_j+1= (X_ia-). (8)

Из полученных m значений расстояний путем сравнения их друг с дpугом выделяют два наименьших расстояния, пусть например это будут например, расстояния d_j и d_j+1, что свидетельствует о том, что в пространстве сигналов точка А, соответствующая неизвестному значению сорта полезного ископаемого, находится между эллипсоидами Э_j и Э_j+1.

Теперь необходимо определить относительные значения наименьших расстояний d_j0 и d_(j+1)0 в единицах эллипсоидов рассеивания сигналов Э и Э_j+1. Для этого поступают следующим образом. Записывают уравнения прямой AO_j в n-мерном пространстве как уравнение прямой, проходящей через точку А и О_j:

(X₁ - X_1a)( - X_1a)^-1 = (X₂ - X_2a)( -X_2a)^-1,

(X₁ - X_1a)( - X_1a)^-1 = (X₃ - X_3a)( - X_3a)^-1, . . . ,

(X₁ - X_1a)( - X_1a)^-1 = (X_n - X_na)( - X_na)^-1. (9)

Решая совместно уравнение эллипсоида Э_j (6) и уравнения прямой AO_j(9), находят координаты точки А_j. Для этого из уравнений (9) определяют значения X₂, X₃, . . . , X_n через значение X₁ и подставляют их в уравнение (6). Решая квадратное относительно X₁ уравнение (6)/ находят координаты точки A_j X (10) где обозначено (11)

Аналогично, решая совместно уравнение эллипсоида Э_j+1 и уравнение прямой AO_j+1, находят координаты точки A_j+1. Отметим, что координаты точки Aj соответствуют пересечению прямой AO_j с эллипсоидом Эj а координаты точки A_j+1 соответствуют пересечению прямой AO_j+1 с эллипсоидом Э_j+1; . Геометрическая интерпретация этих определений координат точек A_j и A_j+1показана на фиг. 1 для совокупности двух сигналов и на фиг. 2 для совокупности трех сигналов.

По координатам точек A_j и A_j+1 находят расстояние O_jA_j и Oj₊₁A_j+1

,

O_j+1A_j+1= (X_i(j+1)-X_iA(j+1)) _, . (12)

Расстояние O_jA_j по существу является размером эллипсоида Э_j в направлении точки A от центра O_j. Аналогично расстояние O_j+1A_j+1является размером эллипсоида Э_j+1 в направлении точки A, что иллюстрируется на фиг. 1 и фиг. 2 соответственно для совокупности двух и трех сигналов. Для совокупностей большего количества измеряемых сигналов представить геометрическую интерпретацию невозможно.

Теперь находят относительные значения двух наименьших расстояний в единицах эллипсоидов рассеивания сигналов

d_j0 = d_j[O_jA_j] ^-1, d_(j+1)0 = d_j+1[O_j+1A_j+1] ^-1. (13)

Сумма относительных расстояний d_j0 и d_(j+1)0 d₀ = dj₀ + d_(j+1)0характеризует разность значений (j+1)-го и j-го сортов полезного ископаемого или разность значений соответствующего параметра, по которому производят сепарацию Р = | Р_j+1 - P_j| . На этом основана следующая операция по определению сорта, соответствующего совокупности сигналов, дающих точку A.

О сорте (составе, о показателе качества) полезного ископаемого судят по двум относительным наименьшим расстояниям d_j0 и d_(j+1)0 и по величине изменения сорта Р:

P_a¹ = P_j + Pd_j0(d_j0 + d_(j+1)0)^-1,

P_a¹¹ = P_j+1 - Pd_(j+1)0(d_j0 + d_(j+1)0)^-1. (14)

Значения P_a¹ и P_a¹¹ определены с соответствующими погрешностями и поэтому их нужно скорректировать. Если два наиболее близких значения эллипсоидов рассеивания сигналов Э_j и Э_j+1 имеют неодинаковые размеры и неодинаково ориентированы в пространстве сигналов, как это показано на фиг. 1 и фиг. 2, то более точным из P_a¹ и P_a¹¹ будет то значение, которое определено по меньшему расстоянию. Поэтому точное значение сорта полезного ископаемого, которое определяется по координатам измеренных сигналов, то есть по координатам точки A, P_a определяется по значениям P_a¹ и P_a¹¹, взятым с весами (коэффициентами важности), пропорциональными относительным расстояниям от точки А до центров эллипсоидов O_j и O_j+1

P_a = [P_a¹d_(j+1)0 + P_a¹¹d_j0] [d_j0 + d_(j+1)0] ^-1 =

= { [P_j + Pd_j0(d_j0 + d_(j+1)0)^-1] x d_(j+1)0 +[P_j+1 -

-Pd_(j+1)0(d_j0 + d_(j+1)0)^-1] d_j0} (d_j0 +

+ d_(j+1)0)^-1 . (15)

Как видим, в формулу (15) для определения неизвестного значения сорта полезного ископаемого входят значения относительных расстояний d_j0и d_(j+1)0, величина изменения сорта полезного ископаемого Р, а также значения наиболее близких к точке A сортов P_j+1 и P_j.

Новый способ сепарации полезных ископаемых по сортам по совокупности n сигналов пригоден при любых принципах и устройствах для сепарации и поэтому в новом способе никак не конкретизированы типы сигналов. В качестве сигналов могут быть напряжения или токи в электрических принципах сепарации, интенсивности излучения в радиоактивных принципах, напряженности электромагнитного поля в радиоволновых принципах, плотности потоков в ультразвуковых принципах, световые потоки в оптических и инфракрасных принципах сепарации и т. д. Новый способ сепарации предусматривает только новые операции по получению и по обработке полученных сигналов независимо от их природы.

Для обеспечения повышения точности сепарации новым способом воспользуемся показанной на фиг. 3 геометрической интерпретацией сепарации по совокупности двух сигналов X₁ и X₂. На фиг. 3 показаны гомотетичные эллипсоиды (эллипсы для пары сигналов) рассеивания сигналов X₁ и X при P₁ = const и P₂ = const, причем внутренние эллипсы соответствуют односигмовым разбросам сигналов с вероятностью 0,68, средние - двухсигмовым с вероятностью 0,954 и наружные - трехсигмовым с вероятностью 0,9974. Из фиг. 3 видно, что по сигналу X1 можно отличить P₁ от P₂ c вероятностью 0,61, а по сигналу X₂ - с вероятностью 0,65. Зато пор совокупности сигналов X₁ и X₂предложенным способом сепарации можно отличить P₁ от P₂ с вероятностью 0,9999936, так как эллипсы начинают снаружи касаться друг друга при четырехкратном рассеивании сигналов по сравнению со средним квадратическим отклонением. Видно, что вероятность ошибки при сепарации по двум сигналам предложенным способом сепарации уменьшается по сравнению с сепарацией по одному сигналу соответственно в 609375 и в 546875 раз, то есть уменьшается более чем на шесть порядков.

Реализация способа сепарации. Определили три наиболее информативные сигналы для сепарации угля по зольности. Таковыми оказались интенсивности обратно рассеянного углем гамма-излучения в диапазонах энергий 50-70 кэВ, 150-175 кэВ и 230-310 кэВ. При сепарации угля по его зольности новым способом сепарации по измеренным значениям трех интенсивностей вероятность ошибки составляет 0,11 10^-14. При сепарации угля по зольности по значению одной интенсивности вероятность ошибки равна 0,09, а при сепарации по двум интенсивностям вероятность ошибки равна 0,4 10^-4. Таким образом, при сепарации угля по одному сигналу допускается 9 ошибок на 100 сепарируемых проб или кусков, при сепарации по двум сигналам допускается одна ошибка на 100000 кусков, а при сепарации по трем сигналам допускается одна ошибка на 10¹⁵ кусков. Количество ошибок при переходе от одного сигнала до двух уменьшается в 11000 раз, а при переходе от двух сигналов к трем количество ошибок уменьшается в 10¹⁰ раз.

Технико-экономическими преимуществами предложенного способа по сравнению с прототипом являются: резкое повышение выхода кондиционных сортов угля при его сепарации по зольности за счет уменьшения потерь угля в некондиционных сортах из-за ошибок, упрощение аппаратурной реализации способа, а также увеличение быстродействия, то есть рост производительности сепаратора. (56) Авторское свидетельство СССР N 1094629, кл. B 03 B 13/06, 1984.