Актуальность темы: Выбор темы обусловлен потребностями

На правах рукописи
Тараканов Евгений Александрович
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ
НАЛИЧИЯ ПОСТОРОННИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРЕДМЕТОВ В
СЫРЬЕ И МАТЕРИАЛАХ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО
ПРОИЗВОДСТВА
Специальность: 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды,
веществ, материалов и изделий»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Норильск – 2008
2
Работа выполнена
в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Норильский индустриальный институт»
Научный руководитель:
Официальные оппоненты:
Ведущая организация:
кандидат технических наук, доцент
Вячеслав Иванович Синицын
(г. Норильск)
доктор физико-математических наук,
профессор
Черемисин Александр Алексеевич
(г. Красноярск)
доктор технических наук, профессор
Ловчиков Анатолий Николаевич
(г. Красноярск)
ООО «Институт гипроникель»
Защита состоится «30» октября 2008 г. на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.05 в СФУ по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. акад.
Киренского, 26, ауд. Г 4-18
Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. акад.
Киренского, 26, СФУ, ученому секретарю диссертационного совета
ДМ 212.099.05 Е. А. Вейсову.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СФУ
Автореферат разослан «29» сентября 2008 г. И выставлен на сайте
СФУ по адресу: http://sfu-kras.ru/science/dissertations.
Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат технических наук, профессор
Е. А. Вейсов
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы: На современном этапе развития экономики и
бизнеса большое значение имеет снижение себестоимости продукции, в том
числе, и за счет снижения затрат на ремонты и обслуживание технологического оборудования. При этом рост производства цветных металлов обуславливает увеличение объемов перерабатываемой руды, и, как следствие,
нагрузки на технологическое оборудование. В связи с этим растут потери
производства, вызванные простоями оборудования и затратами на его ремонт. Одной из основных причин выхода из строя оборудования является
воздействие на него рудозасоряющих металлических предметов, появление
которых обусловлено существующей технологией добычи руды. Эти предметы представляют собой элементы крепления горных выработок, фрагменты
колосниковых решеток грохотов, футеровки рудоспусков и бункеров, детали
машин и механизмов и другие металлические приспособления, используемые
в повседневной производственной деятельности. Так за 2005 г. прямые затраты на ремонты технологического оборудования Талнахской обогатительной
фабрики (ТОФ) заполярного филиала открытого акционерного общества горно-металлургическая компания «Норильский Никель» (ЗФ ОАО ГМК «Норильский Никель»), вышедшего из строя вследствие воздействия рудозасоряющих металлических предметов, составили около 10 млн. руб., а за 2006 г.
около 15 млн. руб.
Основными последствиями этих воздействий являются порывы конвейерных лент (до сотен метров) или разрушение узлов дробильных машин
(заклинивание конусной дробильной машины, повреждение самого конуса, а
также разрушение шестерней редуктора привода этой машины). Одним из
путей решения этой проблемы явилось оснащение конвейерных линий доставки руды магнитными уловителями. Однако это не принесло ощутимых
результатов, так как с их помощью удаляются только предметы, лежащие на
поверхности транспортируемой руды, и не удаляются немагнитные металлические предметы, представляющие значительную часть металлических рудозасоряющих предметов.
Более эффективным способом решения проблемы снижения количества отказов оборудования является введение в технологические переходы
переработки руды высокоэффективных автоматических устройств обнаружения посторонних металлических предметов.
Проведенные на ЗФ ОАО ГМК «Норильский Никель» испытания, анализ перспективных, а также выпускаемых серийно отечественной и зарубежной промышленностью устройств, показал их низкую эффективность, так как
использование подобных устройств для контроля богатых медно-никелевых
руд, приводит к значительному количеству ложных срабатываний вследствие
их низкой селективности.
В связи с этим разработка эффективных устройств обнаружения металлических предметов в потоке транспортируемого сырья и материалов и в
настоящее время является актуальной задачей.
4
Цели и задачи исследования: Целью настоящего исследования является повышение эффективности работы устройств обнаружения металлических предметов. Исходя из указанной цели в работе решаются следующие
научные и практические задачи:
- исследование и анализ технологических процессов горнообогатительного производства, требующих обнаружения и удаления
посторонних металлических предметов;
- анализ и классификация методов и устройств автоматического обнаружения рудозасоряющих предметов;
- аналитическое исследование и разработка датчика обнаружения металлических предметов;
- разработка методики расчета сигнала и чувствительности вихретокового датчика;
- разработка структуры устройства для обнаружения металлических
предметов в руде.
Методы исследования: Задачи исследования решались путем комплексного подхода учитывающего как технологические, так и технические
стороны проблемы, с помощью аналитических и экспериментальных методов.
В процессе разработки чувствительного элемента для обнаружения металлических включений и его экрана, при расчете электромагнитного поля
использовался метод конечных элементов, а при определении выходных параметров датчика метод энергетического баланса, математической статистики и теорема Умова-Пойнтинга.
Оптимизация и синтез элементов устройства обнаружения металлических включений выполнен с применением методов спектрального анализа,
теории оптимальной линейной фильтрации сигналов и методов имитационного моделирования.
Все необходимые расчеты проводились с применением программных
комплексов Elcut, Matlab, Mathcad.
Научная новизна: полученных результатов заключается в том, что:
- на основании проведенных исследований и анализа определены причины засорения руды металлическими предметами и разработана их
классификация;
- на основании расчетов электромагнитного поля предложено обоснование выбора конструктивного исполнения первичного преобразователя,
а также оптимизация размеров и формы его экрана;
- предложена методика расчета чувствительности предлагаемых
устройств обнаружения металлических включений на фоне руды;
- выполнена оптимизация и синтез структуры частотнозависимых узлов
устройства обнаружения металлических включений;
- разработано новое, защищенное патентом, устройство для обнаружения металлических включений, создана и испытана его лабораторная
модель.
5
Практическая ценность работы состоит в создании новых технических средств для обнаружения металлических включений в руде. Практическая реализация результатов позволит сократить количество отказов и затраты на ремонт технологического оборудования вышедшего из строя, вследствие воздействия на них металлических включений, а также будет способствовать увеличению производительности горно-обогатительного производства.
Результаты диссертационной работы можно использовать на предприятиях горно-металлургической, строительной и в других отраслях промышленности.
На защиту выносятся:
1. Классификация рудозасоряющих металлических включений по критериям существенным для разработки устройства их обнаружения;
2. Конструкция первичного преобразователя и его экран;
3. Методика расчета чувствительности датчика;
4. Структура устройства обнаружения металлических включений в потоке руды.
Апробация работы.
Полученные автором результаты исследований докладывались на:
- Региональной научно-технической конференции «Молодые ученые
Норильского промышленного района Российскому северу» г. Норильск 2006 г.;
- Научно-практических конференция студентов и аспирантов Норильского индустриального института 2006-2007 г.;
- Заседаниях кафедры Э и АТПП ГОУ ВПО «Норильский индустриальный институт».
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в четырех научных работах общим объемом 1,5 печатных листа.
Имеется патент на изобретение RU 2332691 C1, МПК G01V3/11, опубл
27.08.2008, бюл №24. «Устройство для обнаружения металлических предметов в потоке материала» / Синицын В. И., Тараканов Е. А.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 70 источников, 50 рисунков и приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе представлены результаты исследований и анализ технологических процессов переработки руды, требующих обнаружения и удаления металлических включений. На основании проведенного анализа выявлена актуальность проблемы исключения металлических включений из потока руды, определены цель и задачи исследования. В результате экспериментальных исследований в производственных условиях определены источники
6
и причины засорения руды. Проведена классификация и количественная
оценка металлических включений попадающих в руду в процессе ее добычи
и переработки.
Вредное воздействие металлических включений на технологическое
оборудование переработки руды известно давно и является актуальной проблемой, не решенной полностью до настоящего времени. Научные исследования по данному вопросу были направлены в основном на создание
устройств для обнаружения намагничиваемых металлических предметов в
руде. Однако в связи с тем, что значительная часть металлических рудозасоряющих предметов является немагнитными, внедрение результатов этих исследований не дало желаемого эффекта. Кроме того, использование подобных устройств при переработке богатых медно-никелевых руд, приводит к
значительному количеству ложных срабатываний вследствие их низкой селективности. Оснащение конвейерных линий доставки руды магнитными
уловителями также не принесло ощутимых результатов, так как с их помощью удаляются только предметы, лежащие на поверхности транспортируемой руды, и не удаляются немагнитные металлические предметы, и предметы, находящиеся в толще потока руды.
Рост производства цветных металлов обуславливает увеличение объемов перерабатываемой руды, и, как следствие, нагрузку на технологическое
оборудование. В таких условиях простои оборудования и затраты на его ремонт приводят к все более ощутимым финансовым потерям.
Следовательно, вопрос о снижении количества отказов технологического оборудования вызванных воздействием металлических предметов
представляет актуальность и в настоящее время.
Проанализировав технологию добычи и переработки руды, с точки
зрения причин появления посторонних металлических предметов, их размеров и опасности их для производства, предложена классификация металлических предметов по следующим признакам:
- причины появления посторонних металлических предметов;
- объем;
- потери производства.
При этом к причинам появления посторонних металлических предметов относятся: элементы крепления горных выработок, фрагменты колосниковых
решеток грохотов, футеровки рудоспусков и бункеров, детали машин и механизмов и другие металлические приспособления, используемые в повседневной производственной деятельности. Выход из строя технологического
оборудования вызванный воздействием этих предметов приводит к потерям
производства заключающимся в простоях оборудования и затратах на его
ремонт.
Исходя их этого, сделан вывод о том, что присутствие посторонних металлических предметов в руде обуславливается существующей технологией
ее добычи. В этих условиях, единственным приемлемым решением проблемы является введение в технологические процессы переработки руды высо-
7
коэффективных автоматических устройств обнаружения металлических
включений.
Таким образом, задачей настоящего исследования является создание
устройств контроля сырья и материалов горно-металлургического производства на наличие металлических предметов, обладающих необходимыми для
условий производства и технологии свойствами.
В соответствии с этой задачей проведена классификация металлических предметов по признакам существенным для создания таких устройств
табл. 1.1.:
Таблица 1.1
Классификация металлических предметов по существенным признакам
Скорость пеМагнитные
Расположение
3
Форма
ремещения,
Объем, м
свойства
в потоке руды
м/ с
цилиндр
большой
2
3
( 3 10  3,5 10 )
пластина
средний
( 3,5 10 3 1,3 10 4 )
кольцо
малый
( 1,3 104  8,0 106 )
большая
( 2  2,5 )
малая
( 1,3  1,6 )
ферромагнитные
диа и
парамагнитные
на поверхности
в толще
Анализ технологии переработки руды показал, что наибольший эффект
от внедрения этих устройств достигается при контроле потока руды до
начала его транспортировки конвейерным траспортом и перед переходами
дробления.
Вторая глава содержит анализ и классификацию методов и устройств
автоматического обнаружения металлических включений.
На основании анализа физических свойств металлов и руды можно выделить соответствующие им наиболее различимые параметры:
- механические – плотность и удельный вес, сжимаемость;
- теплофизические – коэффициент теплопроводности;
- оптические и радиационные – коэффициент отражения и поглощения;
- электрические и магнитные – удельная проводимость, магнитная проницаемость.
Таким образом, по виду физических свойств контролируемых объектов
возможны четыре соответствующих метода обнаружения посторонних металлических предметов в потоке руды.
С учетом технологических особенностей горно-обогатительного производства и контролируемого потока руды, установлено, что, наиболее полно
им соответствует электромагнитный метод контроля. При осуществлении
данного метода металлический предмет возмущает электромагнитное поле (в
частных случаях – электростатическое или магнитостатическое) чувстви-
8
тельного элемента, вызывая приращение (возникновение или модуляцию)
тока или напряжения в его цепи.
С целью определения наиболее приемлемой конструкции датчика, был
выполнен анализ технологических факторов производства, а также научнотехнической и патентной литературы. В результате выявлено, что наиболее
приемлемым является использование абсолютных индуктивных параметрических датчиков, которые конструктивно могут быть выполнены как проходными, так и накладными. При этом обмотка проходного датчика охватывает
поток транспортируемой руды, а витки обмотки накладного датчика расположены в плоскости параллельной потоку руды.
В зависимости от принципа действия, можно выделить шесть основных
методов обнаружения металлических предметов с электромагнитным воздействием на контролируемые объекты: индукционный, автогенераторный, импульсный, магнитометрический, радиолокационный метод и метод, основанный на биениях частоты колебаний контрольного и опорного электронных
генераторов. На основании приведенной классификации и анализа этих методов установлено, что следует отдать предпочтение автогенераторному методу. Его суть заключается в изменении амплитуды генерируемых электронным контрольным автогенератором колебаний при внесении в рабочее поле
индуктивного датчика, включенного в автогенератор, металлического предмета. Изменение амплитуды колебаний вызывается потерями электромагнитной энергии поля датчика затрачиваемой на нагревание металлического
предмета наводимыми в нем вихревыми токами.
Был проведен анализ перспективных, а также выпускаемых серийно
отечественной и зарубежной промышленностью устройств. Он показал их
низкую эффективность, так как они не отвечают разработанным техническим
и технологическим требованиям, предъявляемым к таким устройствам в
условиях горно-обогатительного производства. Частые отказы в работе таких
устройств и их ложные срабатывания обусловлены, в частности, неприемлемой для данных условий контроля структурой.
В третьей главе выполнено аналитическое исследование и разработка
чувствительного элемента для обнаружения металлических включений в руде. Разработана конструкция чувствительного элемента, выполнен расчет его
электромагнитного поля, а также расчет и оптимизация размеров и формы
экрана.
Параметры электромагнитного поля являются определяющими при
разработке чувствительного элемента, так как именно оно воздействует на
контролируемую среду и металлический предмет. Таким образом, информация об этих параметрах позволяет провести предварительную оценку свойств
чувствительного элемента, провести оптимизацию конструкции и разработать методику ее расчета.
Расчет трехмерных полей, несмотря на развитие вычислительной техники, и численных методов, является сложной задачей. В связи с этим при
9
выборе метода решения приняты некоторые допущения. При допущении, что
поле рабочей области чувствительного элемента является квазистационарным, исследование его параметров можно проводить в статике одной из компонент, а поскольку в предлагаемой конструкции чувствительного элемента
поле возбуждается обмоткой с током, целесообразно рассматривать магнитную компоненту. Поскольку линейные размеры чувствительного элемента в
одном из измерений существенно больше, чем в двух других, и влиянием искажения поля на краях обмотки можно пренебречь то расчет поля датчика
можно вести без учета одной из координат. Таким образом, задача значительно упрощается и сводится к расчету магнитного поля на плоскости.
Следует выделить шесть основных методов расчета электромагнитного
поля: базисный метод, метод конформных отображений, прямой метод, метод разделения переменных, метод конечных разностей и метод конечных
элементов. Анализ этих методов с точки зрения их сложности, скорости расчета, точности полученных результатов, а также удобства их использования
выявил, что в нашем случае наиболее приемлемым является использование
метода конечных элементов. Был выполнен обзор программных комплексов
для расчета полей, в основе которых лежит метод конечных элементов. В результате анализа этих комплексов установлено, что с точки зрения их возможностей, удобства использования, точности полученных результатов, а
также других характеристик наиболее приемлемым является программный
комплекс Elcut, разработанный отечественной компанией «ТОР» для компьютеров типа IBM PC.
В результате проведенных выше исследований выявлено, что наиболее
приемлемыми являются проходной и накладной типы датчиков. Исходя из
этого, было проведено численное моделирование их магнитных полей при
разном взаимном расположении обмоток с током. На рис. 3.1, 3.2 представлены эскизы конструкции датчиков и соответствующие им, при сделанных
допущения, картины одного из рассчитанных вариантов поля датчика на
плоскости XY.
а) эскиз конструкции накладного датчика:
A-A
1 – руда; 2 – металлический предмет;
б) картина поля на плоскости XY
3 - конвейерная лента; 4 – накладной датчик
Рис. 3.1 Эскиз конструкции накладного датчика и
соответствующая ему картина поля на плоскости XY
10
Анализ полученных результатов показал, что накладной датчик, в отличие от проходного, не обеспечивает необходимой глубины обнаружения
металлических предметов и равномерности напряженности поля. Таким образом, установлено, что в условиях горно-обогатительного производства целесообразно использовать проходной датчик.
а) эскиз конструкции проходного датчика:
A-A
1 – руда; 2 – металлический предмет;
б) картина поля на плоскости XY
3 - конвейерная лента; 4 – проходной датчик
Рис. 3.2 Эскиз конструкции проходного датчика и
соответствующая ему картина поля на плоскости XY
Исходя из этого определено такое расположение обмоток с током, при
котором обеспечивается необходимая равномерность напряженности поля,
что позволяет получить наиболее равномерный уровень выходного сигнала.
На рис. 3.3 представлены семейства кривых характеризующих изменение
напряженности магнитного поля в различных точках плоскости XY для выбранной конструкции чувствительного элемента.
Рис. 3. 3 Изменение напряженности магнитного поля в различных точках плоскости XY
11
На работу чувствительного элемента существенное влияние оказывают
внешние электромагнитные помехи, а также находящиеся в непосредственной близости металлоконструкции. Следовательно, для устранения воздействия электромагнитных помех и обеспечения требований по электромагнитной безопасности необходимо экранирование чувствительного элемента.
В качестве материала экрана была принята нержавеющая сталь толщиной 1 мм .
Площадь поверхности и положение экрана относительно обмоток чувствительного элемента определяются размерами экрана и оказывают непосредственное влияние на добротность колебательной системы датчика, а,
следовательно, на амплитуду выходного сигнала. Таким образом, возникает
задача выбора оптимальных размеров и формы экрана датчика. Анализировались экраны в форме цилиндра и параллелепипеда. Соответствующие им
сечения экранов и задачи расчета электромагнитного поля на плоскости XY
приведены на рис. 3.4., а варианты размеров экранов в табл. 3.1.
Рис. 3. 4 Сечения экранов и задачи расчета электромагнитного поля датчика на плоскости
XY при наличии экрана
Таблица 3.1
Форма и размеры экранов проходного датчика
Сечение экрана
Экран
Размеры экрана (см)
№1
a=65, b=40
№2
a=60, b=35
Разомкнутый
№3
a=50, b=30
прямоугольник
№4
a=40, b=20
№5
a=30, b=10
№6
R=30
Разомкнутая
№7
R=25
окружность
№8
R=20
На основании проведенных расчетов построены кривые, характеризующие
изменение напряженности поля при изменении формы и размеров экрана
12
(рис. 3.5). Определены наиболее эффективные конструкции экранов (табл.
3.2.)
Для определения степени отрицательного влияния на датчик металлоконструкций находящихся в непосредственной близости, была найдена
напряженность поля непосредственно у поверхности выбранных экранов
(табл. 3.3.).
Рис. 3. 5 Изменение напряженности поля датчика для различных вариантов экрана в точках плоскости XY при y  0; x  var
Таблица 3.2
Коэффициенты экранирования для выбранных экранов
Рассчитанные значения
Коэффициент экраниВид экрана
напряженности магрования
нитного поля ( А/ м )
экран №3
0.0021
123.08
экран №4
0.0018
139.13
экран №8
0.0020
128.50
Таблица 3.3
Напряженности поля у поверхности экранов
Напряженность магнитВид экрана
ного поля у экрана (А/м)
экран №3
0.0038
экран №4
0.0062
экран №8
0.0036
13
Таким образом, с учетом рис. 3.5, в качестве оптимального выбран
экран №3.
На основании проведенных исследований определены конструкция
чувствительного элемента, размеры и форма экрана.
В четвертой главе выбраны критерии оценки чувствительности датчика, определен его выходной параметр выполнен анализ выходного сигнала
в соответствии с выбранными критериями.
Важным функциональным параметром датчика является его чувствительность. В публикациях и паспортных данных на устройства чувствительность определяют минимальной массой обнаруживаемого металлического
предмета. Это не корректно, так как вихретоковый датчик реагирует на изменение площади поверхности металлического предмета и на изменение его
положения относительно обмоток с током. С учетом этого, в работе для
оценки чувствительности датчика введено использование изменения выходного сигнал в соответствии с указанными выше параметрами.
На основании уравнения энергетического баланса установлено, что при
питании обмоток датчика переменным током часть энергии расходуется на
нагревание обнаруживаемого металлического предмета, при этом мощность
потерь энергии определяется в соответствии с теоремой Умова-Пойнтинга.
Эту энергию можно рассеять на некотором сопротивлении, вносимом в электромагнитную систему чувствительного элемента, что приводит к изменению тока и общей мощности электрической цепи датчика, равноценным введению в рабочую область его поля металлического предмета. Такое эквивалентное сопротивление принято нами за выходной параметр датчика - RЭ .
В общем случае вносимое сопротивление имеет комплексный характер
и включает активную и индуктивную составляющие. Однако исследования
электромагнитных датчиков свидетельствуют о том что, что с увеличением
от нуля частоты тока, питающего датчик, вначале преобладает индуктивная
составляющая, затем – до частот единиц МГц активная и далее – вновь индуктивная. На основании экспериментальных исследований частота тока питающего датчик выбрана равной f р  0,95МГц , поэтому анализ выходного
сигнал проводился для активной составляющей вносимого сопротивления.
На основании анализа электромагнитного поля получены статические
характеристики вихретокового датчика:
Rэ ( x) y  0  2.03 10 10 x 6  4.42 10 7 x 4  3.2 10 4 x 2  0.08
Rэ ( y ) x  0  5.64 10 6 y 4  5.6 10 5 y 2  0.09
Rэ ( x, y )
- нормированное значение эквивалентного вносимого
Rэ max
сопротивления
Rэ max - максимальное значение эквивалентного сопротивления,
где: Rэ ( x, y ) 
14
OX - пространственная ось координат перемещения металлического
предмета, перпендикулярная плоскости расположения обмоток рис. 3.2 ,
OY - пространственная ось координат смещения металлического предмета, в плоскости проходного сечения чувствительного элемента рис.3.2.
При дифференцировании выходного сигнала по площади металлического предмета и по расстоянию его до обмоток датчика найдены соответствующие функции чувствительности датчика к приращению поверхности
R
R
( э , Ом / м 2 ), к приращению по оси координат OX ( э , Ом / м ), к приS
x
R
ращению по оси координат OY ( э , Ом / м ):
y
2
Rэ H xy

,
S 2 I 2
Rэ
S

(12.18  10 10 x 5  17.68  10  7 x 3  6.4  10  4 x)
2
x 2 I
Rэ
S

(22.56  10  6 y 3  11.2  10  5 y )
2
y 2 I
где    

2
 – угловая частота переменного тока, питающего датчик, [
рад
],
с
 – абсолютная магнитная проницаемость, [ Гн / м ],
 – удельная проводимость металла, [ См/ м ],
I - сила тока питающего датчик, [ A ],
H xy – напряженность поля в точке с координатами (х,у),
Соответствующие относительные чувствительности датчика к приращениям поверхности и к изменению положения от металлического предмета
относительно обмоток с током имеют вид:
R S
QS  э /
1
Rэ S
Rэ x
(12.18  10 10 x 6  17.68  10 7 x 4  6.4  10 4 x 2 )
Qx 
/

Rэ x  2.03  10 10 x 6  4.42  10  7 x 4  3.2  10  4 x 2  0.08
R y
(22.56  10 6 y 4  11.2  10 5 y 2 )
Qy  э /

Rэ y 5.64  10  6 y 4  5.6  10  5 y 2  0.09
На основании проведенных исследований получены аналитические зависимости, определяющие относительные чувствительности датчика к при-
15
ращениям поверхности и к изменению расстояния от металлического предмета до обмоток с током.
В пятой главе приведен синтез и оптимизация структуры устройства
контроля потока руды на наличие металлических предметов с вихретоковыми датчиками.
Большинство отказов в работе этих устройств связаны либо с их низкой чувствительностью либо с высокой вероятностью ложных срабатываний,
обусловленных электромагнитными помехами и нестабильностью информативного параметра системы в процессе ее работы. Действенным способом
увеличения эффективности таких устройств является повышение соотношения полезный сигнал/помеха в канале преобразования сигнала устройства.
Предпочтительным методом решения этой задачи является синтез новой оптимизированной структуры устройства, позволяющей наилучшим образом
выделить полезный сигнал на фоне помех.
Таким образом, возникает задача синтеза оптимальной структуры
устройства обнаружения металлических включений в руде по критерию максимума соотношения уровня полезного сигнала к среднеквадратичному значению помехи.
Методика решения этой задачи обусловлена типом полезного сигнала и
помехи, а также их основными параметрами. Поскольку, форма информационного видеоимпульса, поступающего с амплитудного, детектора известна, а
помеха описывается случайной функцией времени с известными статистическими параметрами. В работе показано, что действие информационного импульса эквивалентно действию прямоугольного импульса длительностью tи ,
а помехи – сумме белого шума и дрейфа обусловленного изменениями параметров окружающей и контролируемой среды. Тогда входное воздействие
x(t ) может быть представлено в виде:
x(t )  s(t )  n(t )  u(t ) ,
где: s(t )  S max (1(t )  1(t  tи )) - информационный импульс, возникающий со
случайным интервалом времени;
n(t ) - белый шум (моделирует электромагнитную помеху, включающую
все гармонические составляющие);
t
u (t )  U m (1  e T ) - медленно нарастающий с постоянной времени T до
амплитуды U m перепад входного сигнала (дрейф, обусловленный изменением температуры, влажности, давления, деформацией чувствительного элемента).
Соответствующие спектральные плотности составляющих входного воздействия имеют вид:
16
s(t )  S ( j ) 
1
(1  e  jtи ) ,
j
u (t )  U ( j ) 
Um
,
j (1  jT )
n(t )  N ( j )  N  const .
Исходя из этого, спектральная плотность входного воздействия описывается
суммой:
X ( j )  S ( j )  N  U ( j ) .
Линейная цепь, состоящая из автогенератора K Г , включающего датчик, амплитудного детектора K Д и линейного усилителя KУ представляется
одним безынерционным звеном с коэффициентом передачи K1  K Г K Д KУ .
С учетом этого допущения возможно применение методик синтеза оптимальных структур в классе линейных стационарных систем, а именно, методов оптимальной согласованной фильтрации сигналов на фоне помех.
Тогда передаточная функция оптимально согласованного с полезным
сигналом фильтра на фоне белого шума будет иметь вид:
B
Wоф ( p)  (1  e  ptи ) ,
p
где: B - постоянный коэффициент;
В свою очередь передаточная функция цепи отрицательной обратной
связи (OOC) режекторного фильтра дрейфового воздействия имеет вид:
K2
.
Wос 
p(Tp  1)
Таким образом, синтезирована оптимизированная структура (рис. 5. 1)
преобразования сигнала вихретокового автогенераторного датчика, а на
рис. 5.2 представлены результаты ее численного моделирования.
На основании представленной оптимизированной структуры преобразования сигнала, синтезирована блок схема устройства контроля потока руды
на наличие металлических предметов (рис. 5. 3).
Таким образом, устройство контролирует не абсолютное наличие проводимости или магнитных свойств руды, а скорость их относительного приращения, связанную с локальными движущимися посторонними включениями металла. Последнее свойство обуславливает возможность применения
устройства для контроля движущегося потока руды на наличие в нем металлических включений.
17
n(t)
s(t)
u(t)
+
K1
Y(t)
+
Wи(p)
-
Wз(p)
Wос(p)
Рис. 5. 1 Оптимизированная структура преобразования сигнала
датчика на фоне помех:
s (t ) - полезный сигнал; n(t ) - белый шум; u (t ) - дестабилизирующий фактор;
Y (t ) - отфильтрованный сигнал; K1 - генераторно-преобразовательный блок;
WОС ( p) - отрицательная обратная связь соответствующая спектральной плотности дестабилизирующего фактора u (t ) ; WИ ( p) - интегратор; WЗ ( p) - звено задержки.
Рис. 5. 2 Результат численного моделирования:
X (t ) - суммарное входное воздействие; Y (t ) - отфильтрованный сигнал
5
L
1
2
3
4
6
8
7
9
10
11
G
D
Рис. 5. 3 Блок схема устройства контроля потока руды:
L – вихретоковый индуктивный датчик; 1 – измерительный генератор;
2 – буферный ВЧ усилитель; 3 – детектор; 4 – усилитель НЧ; 5 – фильтр НЧ;
6 – фильтр, согласованный с сигналом; 7 – датчик скорости; 8 – пороговый элемент;
9 – задающий элемент; 10 – одновибратор; 11 – электронный ключ.
18
В шестой главе описана разработанная конструкция датчика обнаружения металлических предметов и его экспериментальные исследования.
Исходя из проведенного теоретического анализа и технологических
требований на кафедре электропривода и автоматизации технологических
процессов и производств (Э и АТП и П) Норильского индустриального института (НИИ) была разработана конструкция и изготовлена модель датчика
обнаружения металлических предметов для проведения лабораторных испытаний и экспериментов с целью сравнения реальных параметров датчика с
прогнозируемыми.
Разработана лабораторная установка и методика проведения экспериментальных исследований.
Предлагаемый датчик является индуктивным элементом колебательного контура выходной цепи электронного измерительного автогенератора. Ранее отмечено, что в качестве выходного сигнала датчика принято активное
вносимое сопротивление потерь Rэ от нагревания, контролируемого металлического предмета вихревыми токами. Непосредственное измерение вносимого в контур активного сопротивления потерь невозможно, однако его косвенное измерение возможно методами измерения приращения (уменьшения)
добротности контура при внесении в рабочее поле датчика металлического
предмета.
Лабораторная установка (рис. 6.1.) представляет собой параллельный
колебательный LC контур, возбуждаемый ВЧ генератором.
Рис. 6. 1 Принципиальная схема лабораторной установки.
В индуктивной ветви контура последовательно с датчиком включен прецизионный резистор, обладающий малым значением активного сопротивления R .
Таким образом, общее активное сопротивление индуктивной ветви составляет ( R  r ), где r - активное сопротивление рамки датчика. При внесении в
рабочую область поля датчика металлического предмета, в результате потерь электромагнитной энергии его добротность уменьшается, что эквивалентно увеличению сопротивления рамки на величину dR  Rэ . При этом амплитуда напряжения на резисторе R уменьшается на величину dU R , которое
19
измеряется электронным ВЧ вольтметром. Связь между Rэ и dU R , полученная аналитически выражается соотношением:
dU R [( R  r ) 2   2 ]3
,
Rэ  

U
R( R  r )
L
- характеристическое сопротивление контура;
C
U - амплитуда напряжения ВЧ генератора.
Полученное выражение для определения вносимого эквивалентного
сопротивления по опытным данным справедливо лишь для цветных металлов, относительная магнитная проницаемость которых близка к единице. При
этом допущении индуктивность рамки L , а, следовательно, и резонансная
частота контура f р и характеристическое сопротивление, при внесении в рабочее поле датчика металлического предмета остаются неизменными. В случае ферромагнитных предметов вносимое сопротивление будет иметь при
прочих равных условиях еще большее значение, т. к. возникают дополнительные потери на перемагничивание предмета, а контур получит относительную расстройку.
Целью эксперимента было определение оптимальной резонансной частоты колебательного контура, при которой эквивалентное вносимое сопротивление имеет максимальную величину. С этой целью изменялась величина
емкости C контура. В результате проведенных опытов получено значение
оптимальной резонансной частоты f р  0,95МГц .
В качестве опытного был выбран латунный металлический предмет в
форме шара. При этом форма и материал предмета приводят к наименьшей
величине Rэ , во всех других случаях выходной сигнал будет больше. Кроме
того, опытный металлический предмет перемещается по нормали проходящей через геометрический центр рамки, где амплитуда выходного сигнала
будет минимальна. Таким образом, оценка чувствительности датчика проводилась для наихудших сочетаний параметров контролируемого металлического предмета и его расположения в рабочем поле чувствительно элемента.
В результате экспериментов было установлено, что в рабочей области
поля данные экспериментов адекватны и согласуются с теоретическими расчетами. Таким образом, можно говорить о том, что разработанная методика
расчета справедлива и может быть применена для расчетов чувствительных
элементов устройств контроля потока руды на наличие металлических включений.
Была разработана и исследована одна из возможных схемотехнических
реализаций оптимизированной структуры преобразования сигнала датчика на
фоне помех. При этом полагалось, что скорость потока контролируемого материла неизменна и составляет 0,5 м/с. Целью эксперимента являлось подтверждение работоспособности разработанной структуры устройства, а
именно, устройство должно контролировать не абсолютное наличие проводимости контролируемой среды, а скорость ее относительного приращения,
где  
20
связанную с локальными движущимися посторонними включениями металла. Во время эксперимента контролируемый материал, с помещенными в него металлическими предметами различных размеров и формы, с постоянной
скоростью перемещался по центру проходного сечения датчика в направлении соответствующем оси координатной OX. Анализ результатов эксперимента показал, что устройство работоспособно, и результаты теоретических
исследований могут быть использованы при разработке устройств контроля
потока руды на наличие металлических включений.
Заключение
Исходя из цели исследования, при решении поставленных задач получены следующие результаты:
1. Исследование и анализ технологических процессов горнообогатительного производства показал, что наличие рудозасоряющих металлических предметов является прямым следствием существующей технологии добычи руды. Выявлены основные источники
засорения руды, проведена классификация металлических предметов по признакам существенным при разработке устройств их автоматического обнаружения. Определены технологические переходы,
требующие установки таких устройств. Полученные результаты исследования могут быть использованы при дальнейших разработках
устройств автоматического обнаружения металлических рудозасорящих предметов.
2. Из анализа патентной и научно-технической литературы по устройствам обнаружения металлических предметов, а также образцов
устройств выпускаемых серийно отечественной и зарубежной промышленностью выявлена их низкая эффективность и невозможность их использования для контроля богатых медно-никелевых
руд. Определено, что в условиях горно-обогатительного производства наиболее приемлемы накладной либо проходной индуктивный
параметрический датчик с переменным электромагнитным полем и
переменной добротностью в составе автогенераторных амплитудных устройств.
3. С использованием метода конечных элементов выполнен расчет
магнитных полей различных конфигураций накладных и проходных
датчиков. С учетом анализа технических характеристик и технологических условий в качестве оптимального выбран датчик проходного типа. Выполнен расчет и оптимизация размеров и формы экрана датчика. Таким образом, показана возможность и способ использования метода конечных элементов для расчета и оптимизации разлчиных конфигураций накладных и проходных датчиков, а также их
экранов.
4. Предложены критерии и соответствующая методика оценки чувствительности датчика, определен его выходной параметр, выпол-
21
нен анализ выходного сигнала в соответствии с выбранными критериями. Эта методика может быть использована при разработке и
оценке чувствительности проходных и накладных вихретоковых
датчиков.
5. На основании анализа спектральных характеристик информационного импульса и помехи синтезирована новая структурная схема повышающая эффективность устройств контроля потока руды на
наличие посторонних металлических предметов.
Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:
1. Синицын В. И., Тараканов Е. А. Структура устройства для обнаружения
металлических предметов с вихретоковыми датчиками//Датчики и системы. – Москва, 2008, №1. С. 37 – 39.
2. Пат. RU 2332691 C1, МПК G01V3/11, опубл 27.08.2008, бюл №24.
Устройство для обнаружения металлических предметов в потоке материала / Синицын В. И., Тараканов Е. А.
3. Тараканов Е. А. Синтез и оптимизация структуры устройства контроля
потока руды на наличие металлических включений с вихретоковыми датчиками / Норильский индустриальный институт – Норильск, 2008. – 12 с.
Деп. в ВИНИТИ, №21 – В2008.
4. Тараканов Е. А. Актуальность проблемы обнаружения и исключения металлических рудозасоряющих частиц [Текст]//Молодые ученые Норильского промышленного района – Российскому северу: сб. науч. ст. В 2 ч. Ч.
1 – Норильск, 2006. – С. 29 – 31.
5. Тараканов Е. А. Источники и причины засорения руды металлическими
предметами [Текст]//Молодежь, наука, производство: сб. науч. трудов –
Норильск, 2007 – С.10 – 14.
22
Подписано в печать 10.09.2008
Формат 60х84 1/16. Бум. Для копир.-мн.ап. Гарнитура Times New Roman
Печать плоская. Усл. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ №
Отпечатано в отделе ТСОиП ГОУВПО «НИИ»
663310, Норильск, ул. 50 лет Октября, 7