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太原理工大学硕士学位论文 v 射线检测在跳汰选煤中的应用研究 摘要 本文提出了基于y 射线密度检测原理的跳汰机床层密度 动态检测方法。 在对跳汰机分层理论、丫射线检测物料密度机理和y 射 线计数原理研究的基础上，确定了床层密度检测系统的设计 方案；在实验室里，通过一系列的相关实验，确定了检测系 统中甄别器的阈值电压及相关参数；在实验室内对1 ，射线检 测系统进行测试，结果表明，用v 射线检测法，能够真实地 检测到跳汰机床层的密度值，可以较准确地反映跳汰机的床 层状态。 在邢台东庞矿洗煤厂运行v 射线检测系统，对现场采集 的数据进行分析，得到如下结论，丫射线用于跳汰机床层密 度检测，有良好的精度，在跳汰机床层不同层面所测的的密 度值，包含了丰富的信息，这些信息可以为跳汰机的给煤、 风、水、排料的优化控制提供依据。 关键词：y 射线，跳汰床层，密度，检测 奎堰望三盔堂堡主堂垡堡苎 _ p h 一一 t h er e s e a r c ho f 7 r a yd e t e c t i n g a n di t sa p p l i c a t i o n t ot h e j i g g i n g c o a l r u n n i n g a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，ad y n a m i cw a yt od e n s i t yd e t e c t i n go ft h e j i g g i n g c o a lb e db a s e do nt h et h e o r yo f 7 一r a yi nd e n s i t yd e t e c t i n g i sp r o p o s e d b a s e do i lt h er e s e a r c hi n t ot h et h e o r y o f j i g g i n g d e l a m i n a t i o n 、t h em e c h a n i s mo ft h e7 - r a yi nm a t e r i a ld e n s i t y d e t e c t i n g a n dt h et h e o r yo f 7 - r a yi nc o u n t i n gn u m b e r s ，t h ed e s i g n p r o j e c t o ft h e d e t e c t i n gs y s t e m o ft h ec o a lb e dd e n s i t yi s c o n f i r m e d ；i nt h el a b o r a t o r y , as e r i e so f r e l a t i v ee x p e r i m e n t sa r e m a d et oo b t a i nt h eg a t i n gv o l t a g ea n dr e l a t i v ep a r a m e t e r so f t h e d i s c r i m i n a t i n g w a r ei nt h ed e t e c t i n gs y s t e m t h el a b o r a t o r i a lt e s t o ft h e7 - r a yd e t e c t i n gs y s t e ms h o w s ：? - r a yd e t e c t i o nc a ng e tt h e t r u ed e n s i t yo ft h ej i g g i n gb e dl a y e ra n dr e f l e c tt h es t a t eo ft h e j i g g i n g b e d l a y e rc o r r e c t l y , b o t h i nac o n s i d e r a b l el e v e l 。 a st h e7 - r a yd e t e c t i n gs y s t e mr u n n i n gi nd o n g p a n gc o a l m i n ei n x i n g t a i ，r e a l - t i m ed a t a i sc o l l e c t e da n da n a l y z e d ，a c o n c l u s i o ni sr e a c h e d ：t h ew a yo f t r a yi nd e t e c t i n gt h ed e n s i t y o fj i g g i n gb e dl a y e rh a sc o n s i d e r a b l ep r e c i s i o n t h ed e n s i t y v a l u e s d e t e c t e di nd i f f e r e n tb e d 1 a y e rs c h l e p a b u n d a n c e i n f o r m a t i o n ，w h i c h c a n p r o v i d e e v i d e n c et ot h e o p t i m i z i n g 珏 太原理工大学硕士学位论文 c o n t r o lo f t h e c o a l - d e l i v e r i n g 、w i n d 、w a t e r a n de d u c t i o n k e yw o r d s ：y - r a y , j i g g i n g b e d l a y e r , d e n s i t y , d e t e c t i n g i i i 查曼堡三奎兰堕圭兰垡望塞一一 第一章绪论 1 1 选题背景和国r a i l 、研究现状 目前，跳汰选煤是我国应用较为广泛的一种方法，影响跳汰分选 效果的因素有多种，如：入料原煤特性、跳汰机各室迸排气阀工作制 度、矸石段排料情况、中煤段排料情况、各室顶水情况、风压、水压 等。这些因素均对跳汰机的床层状态和所排物料的组成有影响，并且 因素之间又相互制约。对于一个跳汰司机来讲，在如此众多的因素影 响下，而处理的物料又是大批量的、散状的、性质变化的原煤，要兼 顾精煤质量和分选效率，仅凭手动操作是非常困难的。实际情况经常 是：以牺牲精煤回收率为代价来换取精煤的质量。 我国目前入洗原煤中6 0 左右是跳汰洗选，洗选效率每增减1 ， 全年下来，效益是非常惊人的。因此，对跳汰机进行自动控制，使之 在保证精煤质量的前提下最大限度地提高洗选效率是非常重要的。而 进行跳汰自动控制的前提是对跳汰过程的状态和运行参数进行精确测 试。 跳汰过程状态和运行参数的测试包括很多内容，主要有： 1 ) 跳汰机床层状态的检测： 2 ) 空气室内压力的检测： 3 ) 跳汰室脉动水流运动特性的检测； 4 ) 跳汰床层松散过程的检测等。 跳汰过程的这些参数，在一个跳汰周期中始终处于动态变换过程 中，而且这些参数的变化又是相互关联的，只凭简单的理论设想或直 观的感觉很难做出可靠的判断。 太原理工大学硕士学位论文 因此，全面获取跳汰过程状态及运行参数的准确信息，进而对跳 汰机进行自动控制，使之在保证精煤质量的前提下最大限度地提高洗 选效率就成为重要的研究课题。 对于跳汰过程状态和运行参数的测试技术的研究，国外开始于五 十年代末，其中风压和垂直水流位移的测试已有较成功的经验；松散 过程的测试经历了一段时间的研究，未有成熟的报道；水流脉动速度 的测试近几年也有一定程度的进展，已取得了丰富的经验资料，从本 质上说，也不成为技术难点；跳汰机床层状态的检测目前仍然是手工 探杆探测和浮标探测共存的状态，可以说停留在了目前的自由浮标水 平上，从而限制了跳汰机控制水平的提高。 在目前业内应用的跳汰机自动控制系统中，普遍的方法是利用浮 标传感器对跳汰机的重物料层进行检测，探知重产物床层厚度，以此 为依据对排料进行控制，目标是保持床层厚度的稳定。但是浮标传感 器仅仅是对床层状态的局部测量，不能全面反映跳汰机中料层的分层 状态，提供确切的分层信息。 近年来国内外研究了多种能直接或间接反映跳汰机物料床层状态 的探测方法。如利用安置在物料层中的多个压力传感器，间接反映物 料按密度分层状态；模仿人工探杆，用可在床层中以一定速度往复运 动、固定端装有力传感器的“智能”探杆，用运动阻力的变化来探测 床层情况和松散度，但由于技术上还不够完善，上述装置在工业上都 没有得到成功的应用。 使用高能y 射线来检测跳汰机床层的密度，在国内外还未有较成熟 的技术，但研究人员从多个方面对此已进行过探讨和分析。扰顺市三 元工业测控技术研究所所长于海波工程师对跳汰机实时分选密度测控 及灰分闭环控制进行了探讨，从跳汰机实时控制的角度提出了跳汰机 太原理工大学硕士学位论文 二段实时分选密度和灰分闭环控制的概念；在平朔安太堡矿选煤 厂，以前采用双管压差密度计对重介悬浮液密度进行检测，所测的密 度和实际密度误差很大，精度要求不能很好地满足，研究人员采用了y 射线检测系统以后，避免了以上缺陷，使整个悬浮液系统性能稳定可 靠，保证系统实现良好的分选效果。除此之外，山东科技大学王增爿和 中国矿业大学王汝琳等曾研究过t 射线法在采煤机摇臂自动调高中检 测煤层厚度。 综上所述，随着y 射线密度检测理论和技术的发展，用y 射线探测 器进行跳汰机床层密度的实时检测，以实现床层状态的可视化，有充 分的可能性，并有非常好的应用前景。 1 2 本文研究的内容 1 2 1 课题的提出 通过以上分析说明： l 、跳汰机床层状态检测是目前选煤行业未解决的最关键问题，这 个问题不解决，就决定了跳汰机的自动控制水平只能维持在目前的自 动排料水平上，也就决定了跳汰机分选效果不可能有大幅度的提高。 2 、跳汰机床层状态的动态描述到目前为止还仅仅停留在定性的水 平上，尽管我们可以对跳汰机静态( 停车后) 的床层进行人工分析， 但关键问题是不能对床层进行动态检测。 3 、能指导跳汰机操作和控制的跳汰机床层状态的数学描述不具 体，建立以模型为基础的控制系统就缺乏可靠的依据。目前应用的一 些检测方法不够直接，也未能得到选煤界的认同。 因此，非常有必要对跳汰机床层状态检测方法进行研究。 太原理工大学硕士学位论文 1 22 研究内容 本文主要研究以下内容： 1 、床层分层状态各种检测方法对比和选择； 2 、v 射线检测物体密度的原理； 3 、不同密度、不同粒度的煤对y 射线衰减试验研究； 4 、y 射线检测床层密度装置的硬件组成及电路参数的实验确定 5 、跳汰机实际床层分层状态的采样、试验及分析； 6 、检测系统的应用程序设计。 4 太原理工大学硕士学位论文 第二章检测系统的理论研究 2 1 跳汰床层的松散机理 跳汰机是一种机械矿物分选设备，在现代化的大型选煤厂的生产 中占有重要的地位。跳汰选煤具有生产周期短、生产效率高、生产量 大、自动化程度日益提高等优点，所以自问世以来，就得到了广泛的 应用。 2 1 1 跳汰机的工作过程 跳汰机的结构示意简图见图2 1 所示。图中虚线分割部分表示跳 汰机内不同密度物料层的扇形分布。 跳汰机在工作过程中，被选物料( 原煤) 在给入跳汰机后落到筛 板上，形成一个密集的物料层，这个物料层称为床层。在给料的同时， 风阀周期地开启和关闭。当进气风阀开启时，压力风经入风口进入跳 汰室，使水具有一定的压力，压迫水流上升，床层被冲起，呈现松散 及悬浮状态。此时，床层中的矿粒，按其自身的特性( 密度、粒度和 形状) ，彼此作相对运动，开始进行分层。当进气风阀关闭时，水流 停止上升，但还没有转为下降水流，此时，由于惯性的作用，矿粒仍 在运动，床层继续松散、分层。当排气风阀打开时，水流转为下降， 床层逐渐紧密，但分层仍在继续。当全部矿粒落回筛面，它们彼此之 间已经丧失相对运动的可能，则分层作用基本停止。下降水流结束， 床层完全紧密，分层便暂告结束。水流完成一次周期性变化所用的时 间称为跳汰周期。在一个周期内，床层经历了从紧密到松散分层再到 紧密的过程，颗粒受到了分选作用。只有经历多个跳汰周期之后，分 层才逐渐完善，最后，高密度矿粒集中在床层下部，低密度矿粒则集 中在床层上部。高密度的矸石从矸石排料口排出，中煤从中煤排料口 5 太原理工大学硕士学位论文 排出，低密度的精煤则从上端的精煤溢流堰排出，从而得到跳汰洗选 的三种产物。 1 ：入煤口2 ：原煤3 ：中煤4 ：矸石5 ：筛板 6 ：压力顶水7 ：溢流堰8 ：排矸轮9 ：矸石排出道 1 0 ：中煤排出道1 1 ：排中煤轮1 2 ：精煤出口 1 3 ：精煤1 4 ：跳汰室1 5 ：风阀 图2 1 跳汰机结构简图 2 1 2 床层松散机理 l 、床层松散的类型 从物料床层在整个跳汰周期中的松散过程看，床层的松散分层与 水流脉动特性有着十分密切的关系。在实验室中通过改变床层厚度、 脉动水流上升最大速度、加速度，可以说明床层松散有四种类型： 1 ) 、上层先开始松散然后下层松散 当床层薄，上升水流速度、加速度很小时( 水流速度u = 5 c m s ，加速 太原理工大学硕士学位论文 度u = 3 c m s 2 ) ，床层从上层开始松散，然后下层松散或不动( 如图2 2 a 所示) 。 2 ) 、上、下层先开始松散，然后中间层松散 当床层中等厚度，上升水流速度和加速度中等时( 如速度u = l o 2 0 c m s ，加速度u = 1 2 4 5 c m s 2 ) ，在上升初期床层接个被托起之后上层 和下层首先松散，然后中间层松散，这时整个床层能很快松散，为物 料按密度分层创造了先决条件( 如图2 2 b 所示) 。 3 ) 、下层先松散，然后上层松散 当床层厚度较大，厚度h = 3 0 0 r f f i l 并以较大的上升水流速度和加速 度( u = 4 0 c m s ，加速度u = 1 8 0 c m s 2 ) 作用于床层，则在上升期出现床层整 个被托起，之后下层开始松散，重粒首先下降，而上层松散不显著( 如 图2 2 c 所示) 。 4 ) 、床层整体移动，没有明显松散 当床层很厚、上升水流速度及加速度也很大时( u = 8 0 c m s ， u = 7 2 0 c m s 2 ) ，床层形成整起整落，基本上不松散( 如图2 - - 2 d 所示) 。 图2 2 床层松散类型 实验证明，上述四种松散状态中，以第二种类型最为理想，床层 松散快、分选效果好。 2 、床层松散的影响因素 太原理工大学硕士学位论文 _ _ _ _ - _ _ - _ - - _ - _ _ _ _ - - - 一 床层松散状态与水流脉动特性有关，而水流脉动特性不仅与跳汰 机的风水制度及风阀特性有关，而且与使用的跳汰频率、振幅、床层 厚度、物料的性质( 包括物料的粒度组成和密度组成) 等都有很大的关 系。 1 ) 、风水制度与风阀特性对床层松散状态的影响 增加风量和筛下水都能提高松散度，使松散度的变化范围增大， 但对维持床层松散状态的时间并无明显的增加。改变风阀特性和改变 风量的大小对床层松散的影响是不同的，延长风阀的膨胀期，能显著 地延长床层处于松散状态的时间，但一般不能改变松散度的大小。延 长进气期一般也能使松散度增加。但进气期的时间超过排气期时，松 散度反而可能下降，这可能与风阀的进气孔面积和排气孔面积比例有 关。 2 ) 、跳汰频率对松散度的影响 在其它条件不变的情况下，跳汰频率增加床层松散度显著减少。 对筛下空气室跳汰机进行了测试，测试结果见表2 一l 。 表2 一l 筛下气室跳汰机跳汰频率与松散度的关系 跳汰频率( 次m i n ) 3 85 05 66 2 7 0 i 中间床层的最大松散度m ， 0 5 40 5 20 4 80 4 60 4 5 i 下部床层的最大松散度。一z 0 5 60 5 40 4 60 5 l 0 4 7 3 ) 、床层厚度及物料性质对松散度的影响 要维持跳汰过程的正常分选，床层必须具有一定的厚度。床层过 薄，松散度过大，甚至会破坏分层；床层过厚或矸石层厚度增加时， 松散度会减少。床层厚度h 与松散度m 的关系见图2 3 。床层的合适 厚度还与物料的性质有关。原料中细粒较多，矸石量大时一般床层薄 些：粗粒级多，矸石量少时，床层可以厚些。若床层厚度不变，随着 太原理工大学硕士学位论文 床层粒度组成变细，通常松散度也逐渐增加，但细粒级达到一定的比 例时，松散度可能反而下降，以至引起床层不能很好分层，而造成床 层整起整落。 图2 3 床层厚度h 与松散度m 的关系 3 、床层松散度的表示方法 床层中矿粒的松散和分层属于干扰沉降分选过程，其松散度用m 来表示。松散度用下列公式表示： r r l ：竺二! !( 2 一1 ) = 一 l z lj y 式中：v 一床层中矿粒及水的总体积； v 1 床层中矿粒的体积； 床层中的不同高度的各个层面，由于它的密度和粒度组成各不相 同，在上升水流的作用下，其扩展的高度也可能不同，如图2 4 所示， 整个床层或其中某一床层所能达到的松散度可用下式计算： 肌= 】一 1 + ! ! 二兰2 矗。 式中：床层密实期的松散度，用小数表示； h 。整个床层或某一床层的厚度，c m ； s - 、s ：一床层或某一床层上边界和下边界上升的高度，c m 9 ( 2 2 ) 太原理工大学硕士学位论文 上升水流 图2 4 床层松散图解 对于整个跳汰床层，若达到最大松散度时，上边界上升了s i ，下边 界一般认为床层没有离开筛面( 即8 2 = o ) ，这时床层最大的松散度m 。、 为： 一告 ( 2 _ 3 ) 1 + 二l h o 因为床层物料的运动总是落后于上升水流，所以s l a ，a 为脉动水 流的双振幅( 波高) 。所以 聊一一羞小暑 q _ 4 ， h oh o 根据实际所测的吣s l 、s 2 ，按照上述公式近似地算出整个床层或 某一床层的最大松散度。 2 2 煤密度的表示形式 密度是煤的主要物理性质之一，凡涉及到煤的体积和质量方面的 关系问题，都要使用煤的密度，在通常情况下，煤的密度有以下三种 表示方式。 l 、真密度 煤的真密度是煤的主要物理性质之一。在研究煤的煤化程度、确 定煤的类别、选定煤在减灰时的重液分选密度等都要涉及到煤的真密 1 0 太原理工大学硕士学位论文 度指标。 2 、视密度( 也叫容积密度和假密度) 视密度是计算煤层储量的重要参数之一，煤的视密度的定义是： 在2 0 。c 时，煤的质量与同温度、同体积( 包括煤的内外表面孔隙) 水的 质量之比。所以煤的视密度永远低于它的真密度。 由于煤中矿物质分布的不均匀性，因而对灰分较高的煤来说，其视 密度的测定误差往往较大。视密度的测量方法一般有两种：一种是掏槽 法，即在煤层中掏出一个槽，量出它的体积并称出它的重量，换算出单 位体积的重量；二是在实验室利用阿基米德原理，用水或水银通过置换 法测得。 根据煤的真密度和视密度，可以计算出煤的空隙度( ) ，孔隙度是 计算煤层瓦斯含量的重要参数。 孔隙姗，= 等基墓芋x 1 0 0 c z 叫 3 、跳汰机床层内密度的表述 选煤厂生产过程中对产品密度的检测主要是用浮沉法，即用氯化 锌配置一定密度的溶液，将待测的煤或矸石置于其中，捞出浮在上部 的即为小于该密度液密度的部分，沉在底部的即为大于该密度液密度 的部分。这种方法只能区分各个密度区间的物料量，它是一种近似估 计测量，不能确定一个煤样的真、假密度值。并且不可能配置无限多 的密度液供我们实验，仅可用于指导生产，不可能用于在线控制。 在跳汰选煤时，我们所测量的床层密度一般指容积密度( 即假密 度) ，因为床层在正常工作中始终为水所浸泡，煤与煤的缝隙中为水所 占据，利用射线在线测量的床层密度值是该层煤和水的平均密度。 太原理工大学硕士学位论文 2 3 煤的组成及特征参数 对于我们来说，在用y 射线来测量跳汰机床层的密度时，选用煤炭 的品种不同，所检测的床层密度值也有所不同，不同元素对y 射线的吸 收也不同，因此了解所要处理的煤炭特性( 煤炭的组成元素、灰分等) ， 有针对性地选择合适的参数是非常必要的。 l 、表2 2 所示为所测煤炭的组成元素 煤是多种元素的混合物，可燃烧的物质主要是碳( c ) ，不可燃烧的 物质为灰分，主要组成元素的含量见下表。 表2 2 不同煤炭品种的元素组成 煤 灰分元素 种 a dchns t 原 2 34 16 5 9 74 1 71 2 905 8 煤 1 73 57 0 1 44 2 91 2 605 2 精 1 01 67 6 5 34 6 01 4 204 5 煤 8 7 57 7 5 44 2 91 3 80 4 3 中 3 3 7 35 4 183 4 40 6 80 5 9 煤 3 1 6 45 6 4 33 6 21 1 105 6 矸 8 2 0 9 石 8 4 8 9 注：s t 表示其它可燃烧的元素 2 、不同煤炭品种灰分组成部分 煤炭灰分是目前表征煤炭质量的最关键特性，是煤炭企业尤其是 炼焦煤生产企业所要控制的最重要指针。灰分是煤炭充分燃烧后剩余 物占总量的百分数，了解煤炭灰分的组成，扣除其中的氧含量，就可 知道某一灰分下煤炭中各元素的组成( 如表2 3 所示) 1 2 奎堕堡王盔堂堡主兰焦笙苎 表2 3 煤炭成分分析结果 煤 灰分 灰成分中的组成 种 a d s i 0 2f e 2 0 3 a i 2 0 3 c a o m g o t i 0 2k 2 0n a 2 0 原 2 34 14 6 7 230 7 3 80 039 1 0 7 506 8o8 4 煤 173 54 8 9 929 23 17 36 4 11 0 4 1 3 4 o 6 50 8 4 精 1 01 64 89 91 9 23 45 02 6 806 4 07 206 1 煤 87 54 8 9 93 0 73 4 5 87 13o9 5 14 4 o 3 21 4 1 中 3 37 34 89 92 4 63 15 54 6 307 4 1 15 0 8 904 5 煤 3 16 44 89 918 33 3 5 13 3 208 8 1 4 0 05 704 8 矸 8 2 0 94 89 93 8 23 0 5 722 40 2 9 12 9 石 8 4 8 94 8 9 932 63 02 31 8 005 7 1 3 2 3 、灰成分中元素所占比例 通过以上分析，即可计算出某一煤炭品种中各元素所占比例。 表2 4 不同煤炭品种各( 主要) 元素所占比例 煤 灰分各元素所占百分比 种 a d s if ea 1c a m g t ikn ao 原 2 3 4 12 1 8 42 1 52 0 1 12 7 90 4 50 0 00 5 60 6 24 6 3 0 煤 1 7 3 52 2 9 02 0 41 6 t 7 94 5 80 6 3o 8 00 5 406 24 5 8 0 精 1 0 1 62 2 9 01 3 41 8 2 61 9 20 3 9o 0 00 6 00 4 54 4 1 3 煤 87 52 2 9 02 1 51 8 3 05 1 0o 5 70 8 60 2 71 0 54 7 4 7 中 3 37 32 2 9 01 7 21 6 6 93 3 10 4 50 ，6 90 7 40 3 34 5 0 7 煤 3 1 6 4 2 2 9 01 2 81 7 7 32 3 70 5 30 8 40 4 70 3 64 4 6 7 矸 8 2 0 92 2 9 02 6 71 6 1 81 6 0o 1 70 7 70 ，0 00 0 04 5 5 7 石 8 4 8 92 2 9 02 2 81 60 01 2 90 3 40 7 90 0 000 04 4 8 5 4 、煤与灰平均吸收系数 知道了所要处理煤炭的各组成元素，根据附表1 和公式2 7 ( 在以 后介绍) ，即可计算出不同品种煤炭对y 射线的吸收系数。 太原理工大学硕士学位论文 表2 5煤、灰平均吸收系数 煤灰分a s h灰平均c 0 a l煤平均 种a ds u m吸收系数s u m吸收系数 原 2 34 19 39 70 0 7 5 9 5 6 9 5 4 20 0 8 0 0 煤 17 3 59 3 9 2o0 7 6 0 7 59 3 5 6 0 0 8 0 3 精 101 69 00 6o0 7 5 2 9 79 31600 8 0 5 煤 8 7 59 78 900 7 5 9 7 89 2 3 9 o0 8 0 4 中 3 37 39 08 60 0 7 6 3 0 5 9 2 6 2o0 7 9 5 煤 3 16 49 0 9 80 0 7 5 5 1 39 33 6 00 7 9 4 矸 8 20 98 7 2 0 00 7 7 7 3 08 2 0 900 7 7 7 石 8 48 98 6 1700 7 7 4 2 2 8 4 8 900 7 7 4 由以上几个表可以看出，原煤、精煤、中煤的平均吸收系数基本相 同，在0 0 8 左右，而矸石的吸收系数则较小，这样既可确定跳汰机床 层内密度探测器随床层深度的增加，吸收系数应逐渐减少，以适应床 层的自然分层状态。 5 、表2 5 中各项数据的确定( 以原煤为例) 1 ) 、a s hs u m 的数值可按照表2 - 3 来确定，例：灰分为2 3 4 1 的原 煤，其数值： a s hs u m = s i 0 2 + f e 2 0 3 + a 1 2 0 3 + c a o + m g o + k 2 0 + n a 2 0 = 4 6 7 2 + 3 0 7 + 3 8 + 3 9 1 + 0 7 5 + 0 6 8 + 0 8 4 = 9 3 9 7 2 ) 、灰平均系数的确定按照附表一和公式2 7 分别计算出s i 0 2 、 f e 2 0 s 等的吸收系数，按照同样方法计算出灰的吸收系数。如： s i 。：的吸收系数= 三萎熊吸收系数+ 兰墨糕吸收系数 ：黑0 0 7 6 6 9 + 黑0 0 7 6 7 3 ：0 0 7 6 7 1 6 0 0 96 0 0 9 同理，可计算出其它元素的吸收系数，最后计算出灰的吸收系数。 3 ) 、c o a ls u m 数值是通过表2 2 来确定，同样对灰分为2 3 4 1 的 太原理工大学硕士学位论文 - _ 一。 一 原煤来说： c o a ls u m = 灰分+ 各元素的含量= 2 3 4 1 + 6 5 9 7 + 4 1 7 + 1 2 9 + 0 5 8 = 9 5 4 2 4 ) 、同样，根据灰平均系数的确定办法来计算煤的平均系数。 2 4v 射线检测物料密度机理 我们知道，射线与物质相互作用是射线探测的物理基础。y 射线本 身不带电，不能直接测量它们，需要通过y 射线与物质相互作用产生次 级效应，然后再通过对次级效应的测量来确定y 射线的能量。 1 、密度测量原理 1 ) 、当y 射线穿过物质时，由于射线与物质的三种相互作用：光电 效应、康普顿效应和电子对效应，其强度受到衰减，对于窄束平行的 射线，它遵从如下的指数衰减规律： i = ，oe x p ( - p ，p d ) ( 2 6 ) 式中： 1 0 - 一v 射线与物质作用前的强度； p 物质的散密度( g c m 3 ) ； i y 射线与物质作用后的强度； d 一床层厚度( c m ) ； 。一物质质量吸收系数( c m 2 g ) ； 2 ) 、吸收系数的确定 对于单原子的物质，根据附表l 可以确定它的吸收系数，但对于 多元物质，其质量吸收系数有如下的关系式： u = c l l l + c2 z2 + c3 3 + + c 。 ( 2 7 ) 太原理工大学硕士学位论文 式中：c 。，c ：，c ，c 。为物料中各元素的组成成分； u l ，u2 u 。为物料中各元素的质量吸收系数； 质量吸收系数决定了物质对y 射线的吸收程度，它不仅与物质的元 素有关，还与v 射线的能量有关，即： 。= f 。+ 盯。+ z 。 ( 2 8 ) f 。、口。、z 。为光电效应、康普顿效应和电子对效应引起的质量 吸收系数，大小与1 r 射线的能量e r 有关。当射线的能量e ， 1 0 2 m e v 时，电子对效应起主要作用；当 强度在o 3 m e v e r 1 2 m e v 时，康普顿效应占主要地位，三者之间的相 互关系如图2 5 所示。但在实际过程中，三种作用同时存在，因此对 总的质量吸收系数都有贡献。 注：x 轴为射线的能量，单- 1 , 2 ( 兆电子伏) ； y 轴为吸收物质的原子系数； 图2 5y 射线三种相互作用与光子能量、吸收物质原子序数的关系 从公式2 6 中可以看出，射线强度的变化只对物质的密度和厚度 敏感，这样就可以利用康普顿散射测量单位面积上物质的重量和一定 厚度物质的密度。如果确定了厚度d ，则散射强度衰减就只与透射物质 的散密度有关，也就是当我们测得透射前后的射线强度变化，也就得 出物质的密度。至此，我们就找到了测定跳汰床层密度的新方法。 常用的同位素放射源有钴6 0 ( c 0 6 0 ) 和铯1 3 7 ( c s l 3 7 ) 。这两种放射源 1 6 太原理工大学硕士学位论文 的半衰期较长，c 0 6 0 为5 2 7 1 年，g s l 3 7 为3 0 】7 年，它们放射出的y 射 线穿透能力强，适合跳汰机床层密度测量要求。 2 、射源与接收器距离d 的确定 射源与接收器距离d 实际是测量距离，理论上讲，当然测量整个 床层宽度最为理想，但测量距离有多方面因素的限制，测量整个床层 宽度不可能，也没有必要，测量距离d 的确定要兼顾以下几个方面的 要求： 1 ) 、大于跳汰机所处理的物料的最大粒度。其目的是要保证在跳 汰机床层内安装的传感器不能影响跳汰机床层的正常流动。 2 ) 、射源能量强度在0 3 m e v e r 2 m e v 范围，如果加长距离，同样 的测量时间内，计数器计数值将减小，测量的精确度会降低。一味地 增强射源强度，则会带来防护上的困难。 3 ) 、和测量时间结合考虑，测量时间长时，可以弥补增大d 带来 的计数值降低，影响精度的问题。但考虑到跳汰机的床层特性，由于 床层一直在运动，长时间的测量会造成所测物料已排走的窘境，这是 要避免的。 太原理工大学硕士学位论文 第三章检测系统的原理及设计 3 1 光子计数原理 自然科学中，当被测的物理量很微弱时，一般显示粒子特性。同 理，当被测的光很微弱时，光的粒子性同样会显示出来，我们称为光 子，相应的电信号就是离散的电脉冲信号。 图3 1 为光子计数原理框图。以光子形式出现的极微弱光打击在 光电倍增管光阴极后，经多次倍增输出电脉冲，并伴随其它噪声及干 扰脉冲，又经前置放大器，对脉冲放大，再经过甄别器排除幅度小的 热噪声、暗电流噪声脉冲和幅度很大的高能宇宙射线、离子噪声脉冲 等，送到计数器对光子脉冲进行计数。 图3 1 光子计教原理框图 要实现光子的准确计数，关键是光电探测器的噪声脉冲及光子发 射本身随机起伏引起的本征噪声。 3 1 1 光电倍增管的噪声性能 光电倍增管是一种光电转换倍增器件，其作用是将闪烁体发射的 微弱光信号转变为放大的电信号。光电倍增管的光电转换部分为光阴 极，它位于管子顶部，管中按定方式排列有许多电极，称为打拿极， 紧靠光阴极的电极为第一打拿极，依次为第二、第三、。最后一 个打拿极后面的电极为阳极，它是收集倍增后电子的部分。当光作为 入射射线打到光阴极上时，光阴极将光子转变为光电子，通过后续的9 级打拿极对光电子进行多次倍增，最后到达阳极( 又称为收集极) ，收 太原理工大学硕士学位论文 集倍增后的光电子形成阳极电流脉冲，即可进行光子计数。 光电倍增管作为光电探测器，最大的优点是具有很高的灵敏度及 快响应速度。限制对微弱光检测的关键因素是光电倍增管的输出噪声， 有以下几种： 1 、散粒噪声 这种噪声来自光电子发射及倍增过程的随机起伏。 2 、暗电流噪声 暗电流是将光电倍增管置于完全黑暗的环境中，当外加工作电压 时输出的电流。阴极的热电子发射是暗电流产生的主要因素，其次还 有第一打拿极的热电子发射、阴极漏电流、场效发射等。暗电流与温 度密切相关，因此采用冷却阴极的制冷套或在阴极端附加磁场滤去热 电子的方法可以降低暗电流噪声。 3 、离子噪声 光电倍增管内离子或反馈离子入射到光阴极，也同样要激发出光 电子。另外，宇宙射线也会引起光阴极的光电子发射，从而会引起噪 声。 经过测量，发现各种噪声脉冲与光电子信号脉冲幅度还是有差别 的，大致可以分成三类： 光信号脉冲：玻璃发射、反馈粒子、宇宙射线； = 光信号脉冲：光阴极发射、反馈光子。 图3 2 给出了光电倍增管输出不同高度脉冲分布图( p h d 曲线) 。 曲线表明脉冲高度小于a 线的部分是由于热电子发射引起，而高度大 于b 线的部分是由于高能粒子激发引起的，而介于a 和b 线之间即为 光信号脉冲，称为单光电子响应峰。显然，只有具有图3 - - 2 所示的p h d 1 9 太原理工大学硕士学位论文 形状的光电倍增管才能用于光子计数器。其次，暗计数率应越小越好。 一3 弋 一 苞2 褥 籁 奉l 0 岔 2 一 珏 糕 盎 誊 图3 2 光电倍增管的p h d 曲线 3 1 2 光子发射的泊松分布 光子计数器的计数随机起伏，另一个主要原因是由被测射源发射 的光子本身具有随机性引起的。即使没有光电倍增管的噪声脉冲，对 微弱光进行计数测量时，也会发现光子计数结果起伏变化。 来自射源发射光予的随机起伏，通常认为服从泊松分布。设在t 时间内平均发射光子数r t ，其中r 为光子平均速度，则在t 时间内发 射光予数为m 的概率为 p ( 聊，) ：堕# 。e - r t ( 3 - 1 ) m ! 上式说明，在t 时间内发射的光子数是起伏的，根据泊松分布， 其标准偏差为： 叮：瓜( 3 - - 2 ) 由于光子发射的不均匀性，造成了光子计数器读数的不准确，其 输出信噪比： 太原理工大学硕士学位论文 s n r 。：婴：4 2 ； ( 3 3 ) 。4 r t 上式说明，在r 一定时，计数时间t 越小，则输出信噪比越低。 可见，光子计数器的计数时间越长，则计数结果的相对起伏越小，即 测量准确性越高，但是，相应测量时间也越长。 综上所述，要提高光子计数器的计数准确性，关键是要减小光电 倍增管的噪声脉冲及增加计数时间。 3 1 3 光电子脉冲堆积效应 光子计数器可以用来测量极微弱的光，但对于强光测量时就可能 造成较大误差。因为光强很高时，光子速率r 很大，很可能在同一时 刻有多个光子一起发射及接收，从而相当为一个光子的效应，造成了 计数误差。显然，光越强，相当r 越大，则漏计概率也越大，这就称 为脉冲堆积效应。因此，光子计数器只能用于极微弱光测量。 3 2 光子计数器 根据图3 1 所示的光子计数原理及要求，一个光子计数器应包括： 光电探测器、前置放大器、甄别器和计数器。 3 2 1 光电探测器 光电探测器是在核辐射探测中应用较为广泛的一种探测器，它主 要是利用射线与物质相互作用时的激发效应。它具有分辨时间短、探 测效率高等优点。因此，它是目前使用最多的核辐射探测器之一。 光电探测器是利用某些物质在核辐射激发作用下会发光的特性来 探测的。这些物质称为荧光物质或闪烁体，光电倍增管将闪烁体中产 生的微弱的荧光转换为光电子，再使光电子经过多次的倍增放大，最 后输出一个较大的电信号，供后续的电路处理使用。 2 l 奎堕里三奎堂堡主堂焦笙苎 一 由图3 - - 3 可知，光电探测器主要由闪烁体、光电倍增管和电子检 测组件组成。闪烁体和光电倍增管都要求避光保存和使用，通常把它 们与前置放大器合装在一个暗盒中，统称为探头部分，探头部分在光 电探测器中起着关键的作用。光电探测器的性能好坏，在很大程度上 是与选择合适的闪烁体以及与闪烁体相匹配的光电倍增管有着密切的 关系。 5 1 一闪烁体；2 一光导；3 一光电倍增管；4 一前置放大器；5 一暗盒； 6 一放表器；7 一记录、分析仪器；8 一高低压电源 图3 3 光电探测器组成示意图 光电探测器记录粒子的过程是： 1 粒子进入闪烁体，闪烁体分子、原子吸收入射粒子能量产生电 离激发，退激时发射荧光； 2 光子经光导后打在光电倍增管的光阴极上发生光电作用而发 射电子； 3 光阴极发射的电子打在光电倍增管的打拿极上而逐级倍增； 4 倍增后的电子到达光电倍增管的阳极产生电流脉冲； 5 电流脉冲经过阳极负载电阻而产生电压脉冲； 6 电压脉冲送入电子仪器放大、记录和分析。 3 22 前置放大器 光电探测器输出的电压脉冲有一定的宽度，因此前置放大器必须 有足够的带宽，才能对脉冲信号进行放大，带宽过窄将会使放大器输 太原理工大学硕士学位论文 出脉冲展宽，从而影响计数准确性。光子计数器的前置放大器的带宽 通常要达到1 0 0 2 0 0 m h z ，上升时间约为1 5 n s ，非线性度优于1 ，以 及具有良好的增益稳定性( o 1 ) 。 i 1 2 v b ，门 4 、上：卜尸 f ) 、l 厂叶乇 ilr - 一l 1i h 卜+ 二_ _ l j 口口 一 上i 一1 2 v 图3 4 光子计数器中采用的前置放大器 图3 4 为光子计数器中采用的前置放大器，电路采用二极串、并 联负反馈，增益为1 0 倍，带宽达1 5 0 m h z 。 3 2 3 甄别器 甄别器是光子计数器中必不可少的一个电路环节。根据光电倍增 管的p h d 曲线( 图3 2 ) ，本电路用于对脉冲高度分布做一次甄别，即 将图3 2 所示的幅度大于b 线及幅度小于a 线的噪声剔除，使后接的 计数器只接收脉冲幅度介于a ，b 之间的光电脉冲信号，则计数结果准 确性大大提高，噪声也会消除。 根据上述，甄别器应给出两个电平v n 和v b 分别称为第一甄别电平 和第二甄别电平。其中v a v b ，v = v b v a ，称为允许脉冲通过的阈值。 根据p h d 曲线设定，v a ，v b 可以任意调节。表3 1 给出了甄别器的控 制方式： 1 、单电平甄别：只要输入脉冲幅度大于第一甄别电平v a ，就得 到一个输出，这种方式可将打拿极的热发射噪声除去。 太原理工大学硕士学位论文 2 、窗甄别：设置两个甄别电平v a 和v b ，只有输入脉冲幅度在两 个甄别电平之间，才能获得输出。 3 、校正：设置两个甄别电平v a 和v b ，当输入脉冲幅度在甄别器 阈值v 之中，则输出一个脉冲；如大于甄别电平v b ，则输出为两个 脉冲，这种方式可以用于校正因脉冲堆积造成的漏计数。 表3 一i 甄别器的电平设置方式 甄别方式单电平甄别窗甄别校正 p h a预定标 计 0o0 藿 1 11 v 1 02 4 、p h a ：即脉冲高度分析方式，用于测量完整的从光电信增管来 的脉高谱，即p h d 曲线。这时v a 与v b 非常接近，v 很小且固定。这 样，逐步移动窗口位置，即可得到要求的p h d 曲线。 5 、预定标：适用于非常高的计数率，并允许仪器用于较慢速度的 数字计数设备。 图3 5甄别器电路框图 由图3 5 可知，当输入脉冲幅度小于v a 时，则上、下甄别器均无 输出；当输入脉冲幅度大于v a ，但小于v b ，则下甄别器有脉冲输出， 而上甄别器无脉冲输出，因此经反符合门电路有计数脉冲输出，可进 太原理工大学硕士学位论文 行计数；当输入脉冲幅度大于v b 时，则上、下甄别器均有脉冲输出 这时反符合门电路没有计数脉冲输出，从而不进行计数。 1 5 v u u t 图3 6 反符合门电路 由此可见，反符合门是一个关键电路。这个电路不是简单的减法 器，因为由上、下甄别器送出的脉冲宽度是不相等的，因此简单相减 后仍会有信号输出。图3 6 是一种反符合门电路。当输入的脉冲信号 幅度大于u b 时，则上、下甄别器均会有脉冲输出，见u l 及u 2 脉冲。然 后，再经单稳态i 及单稳态1 1 分别对u - 及“2 展宽，见波形“k i 及u u 。 这时l k 】经附微分后波形为u 所示，l “口沿形成i ：i l 脉冲馒i ，小：l ， 后沿形成的下跳脉冲j 使r 2 导通。l 2 的作_ = j 使t l 戳l f ：。由此 tj 列，j 后r 。及t 二均不能嗣时导通，即输出为零，达到了反符介fj 作川。 太原理工大学硕士学位论文 当输入的脉冲信号幅度在u a ，u b 之间，则仅有u k l 而无u k 2 ，故 u k l 的下跳脉冲即可通过t 2 导通而输出，达到计数的目的。 3 2 4 计数方式 计数器的目的是对光电倍增管来的光电子脉冲进行计数。根据光 子计数原理，计数器时间t 越长，则信噪比改善越大。为此，计数器 应设置计数时间t ，并在t 时间内进行计数。设t 时间内总计数为n a ， 则光子速度r a 及光强p a 分别为： r 。：生( 3 - - 4 ) p 。= r 。e ，：挚e ，( 3 - - 5 ) 下面介绍几种计数法的计数器 l 、正常计数法计数器 图3 - - 7 为正常计数法计数器原理框图。来自甄别器的光子速率r a 输入到计数器a 。计数器c 计时钟脉冲数，其脉冲速率为r c 。预置设 定数n 由面板决定，可自由选择。启动电路工作后，计数器a 及计数 器c 同时开始