CN101004391A - 在流检测多元素分析装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对矿浆进行多元素含量分析的在流检测仪表以及方法，由于在测量装置上装有两种搅拌器，消除了因矿浆中的气泡及状态发生变化对测量带来的影响，从而保证了被测量矿浆的代表性，同时在数学模型中对浓度变化进行修正，使得本仪表在测量时不受料流的密度、浓度、颜色、颗粒、气泡等条件变化的影响。在软件中能够对因仪器老化等原因导致的道址与能量的对应关系变化进行细微调整，无须对硬件进行修改调整，操作更加简单方便。而如果当被分析元素需要发生调整时，无须在硬件上对上下阈值进行调整，而是直接在软件中修正，操作简单方便。本发明主要适用于有色金属冶炼的过程控制中，也可以使用于其它需要对料流成分进行分析控制的工业生产现场。

Description

在流检测多元素分析装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种X射线检测分析仪表装置及检测方法。

背景技术

我国冶金、有色金属、矿山、热电、化工、建材、医药等众多行业在生产过程中，原料中各种元素的配比对产品质量起着关键的作用。目前工业生产现场的多元素分析，都是在生产线上进行人工取样，然后拿到实验室，烘干、缩分、制片，最后对压制或熔制的样片进行分析。但是这样，获得数据的时间严重滞后，对生产不具备指导意义，无法对原料进行成分精确配比和过程实时有效控制，造成大量的次品，甚至废品。

目前的多元素分析方法，应用最广泛的就是X荧光多元素分析仪。其基本原理是根据莫塞莱定律，元素的特征X射线的能量与该元素原子序数的平方成一定的线性关系，因此通过一定的手段使被测量物质中的各种元素激发出其特征X射线来，然后通过直接或者间接的方法测量到这些X射线的能量和强度，进而分析出被测量物质中的元素种类和含量来。

现有的X荧光多元素分析仪表产品，主要都是应用于实验室静态测量。而国内目前还没有成功应用于实际工业生产现场的对料流进行在线分析的多元素分析仪表。

国外有应用于工业现场的X荧光多元素分析仪表产品，但使用的是多个单道电路对探测器信号进行处理，由于单道的上下阈值都是固定的，一旦设备老化，将会导致通过单道的信号不再是原来对应的信号，对测量带来影响。而这种分析方式，导致了该仪表只能针对固定几种元素进行含量分析。如果需要测量其它元素的含量，则必须人为从硬件角度调整单道的阈值。而且无法自动判断物质中主要含有哪些元素及其含量的。

且国外的仪表，目前也还没有能够成功应用于国内现场的，其主要的原因就是难以解决矿浆中的气泡以及沉淀分层、浓度变化等对测量所带来的影响。尤其是目前国内的黑色金属以及有色金属的选矿工艺不是十分稳定，矿浆浓度变化较大，给测量带来影响。而在浮选和反浮选过程中，还在矿浆中加入药剂，促使生成大量的气泡，给仪表检测带来巨大的影响。

发明内容

本发明针对现有X荧光多元素分析仪表存在的缺陷，提出一种不受矿浆状态影响，使用方便的在流检测多元素分析装置及其检测精度高的检测方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种在流检测多元素分析装置，包括X射线探测器、工控机，其特征在于：在测量装置壳体内装有隔板，壳体内分为进矿仓和测量仓，进矿仓和测量仓下部相通，在进矿仓顶部制有进料口，在进矿仓内装有搅拌器，在搅拌器叶片上制有小孔，进矿仓内顶部装有喷水头，在测量仓内下部装有旋浆式搅拌器，在测量仓底部装有泻矿阀，在测量仓上部制有出料口，在测量仓内有一个探测腔体，在腔体内通过屏蔽准直器水平安装探测器和放射源，在腔体近出料口一侧制有窗口，在窗口装有封闭膜，X射线探测器信号输出端连接多道能谱分析仪，多道能谱分析仪信号输出端连接工控机。

本发明的在流检测方法是：将待分析的矿浆通过管道或者流槽引流到分析装置的进料口，由进料口进入分析装置，启动分析装置内的搅拌器，待矿浆充满进矿仓及测量仓，淹没探测腔体的窗口，并由出料口溢出后，启动探测器及多道能谱分析仪、工控机，通过多道能谱分析仪对探测器输出信号进行采集，并且根据脉冲幅度的大小，被记录在相应的道址上，形成一个在一定测量时间内的能量-计数谱形，完成一次检测，数据处理由工控机计算程序进行，检测结果在显示器上显示，其计算方法为：

H＝[∑(Ai·Si)+B]/(C·S₀+D)+E

其中H为某种元素在固态物质中的含量；Si为该元素的第i个特征X射线峰面积；S₀为放射源射线散射峰面积；Ai、B、C、D、E为待定系数，这些系数的确定，可以在正式投入使用之前，通过对对应不同元素含量配比、不同浓度的模拟样片的测量来进行标定，或者在实际生产中取样标定。

当因发生探测器老化等原因，对分析精度产生影响，则可用修正上、下阈道址进行矫正，其方法是：设探测器老化前，元素的Ka特征峰道址为m，下阈道址为m1，上阈道址为m2，探测器老化后，经过对标准元素片的检测，元素的Ka特征峰道址为n，新的上、下阈道址可以根据如下公式来推算：

下阈道址n1为：n1＝m1×(n/m)

上阈道址n2为：n2＝m2×(n/m)

将计算好的新的上、下阈道址置入工控机中测量程序的参数表中即可。

首先通过合理的测量装置，对矿浆进行引流，保证矿浆无气泡、分层、沉淀地经过放射源、探测器的测量区域，保证被测量矿浆的代表性。然后根据不同元素的特征X射线的能量与该元素的原子序数平方呈一定的线性关系，通过检测料流中元素被激发出的特征X射线的能量，分辨出含有哪些元素种类；通过该元素特征X射线的强度，分析出该元素的含量。

当被测量物质是矿浆时，随着矿浆浓度(密度)的变化，即使某种元素在固态物质中的含量不变的情况下，所能产生的特征X射线的强度也会发生相应的变化，对测量带来一定的影响，因此需要对浓度(密度)所带来的影响进行修正。

正常情况下，当矿浆的浓度(密度)一定时，某种元素在总体物质中的含量的常规方法计算公式为：

H′＝∑(Ai·Si)+B

其中H′为某种元素在总体物质中的含量；Si为该元素的第i个特征X射线峰面积；Ai、B为待定系数。

而浓度与放射源散射峰的面积成一定的线性关系，即浓度的常规计算公式为：

N＝C·S₀+D

其中N为矿浆的浓度；S₀为放射源射线散射峰面积；C、D为待定系数。

那么该元素在其中的固态物质中的含量为：

H＝H′/N

即当矿浆的浓度发生变化时，该元素在其中的固态物质中的含量为：

H＝[∑(Ai·Si)+B]/(C·S₀+D)+E

其中H为某种元素在固态物质中的含量；Si为该元素的第i个特征X射线峰面积；S₀为放射源射线散射峰面积；Ai、B、C、D、E为待定系数，这些系数的确定，可以在正式投入使用之前，通过对对应不同元素含量配比、不同浓度的模拟样片的测量来进行标定，或者在实际生产中取样标定。

具体标定方法为：通过对不同模拟样片的测量，或者在实际生产中对测量过的矿浆进行取样化验，记录下相应的某元素的含量以及该元素的第i个特征X射线峰面积Si以及放射源射线散射峰面积S₀，通过常规的非线性拟合方法，获得公式中的待定系数Ai、B、C、D、E即可。

本发明的特点在于：由于在测量装置上装有搅拌器可消除因矿浆产生气泡和状态变化对测量结果所带来的影响，从而保证了被测量矿浆的代表性，以及在数学模型中对浓度变化进行修正，使得本仪表在测量时不受料流的密度、浓度、颜色、颗粒、气泡等条件变化的影响。本仪表可以通过定期对标准样片进行检测，在软件中对因仪器老化等原因导致的道址与能量的对应关系变化进行细微调整，无须对硬件进行修改调整，操作更加简单方便。而如果当被分析元素需要发生调整时，亦无须象国外仪表用多个单道电路处理那样，在硬件上对上下阈值进行调整，而是直接在软件中修正，操作简单方便。

本发明主要适用于有色金属冶炼的过程控制中，也可以使用于其它需要对料流成分进行分析控制的工业生产现场。

附图说明：

图1是本发明的在流检测多元素分析装置的结构示意图

图2是图1中A-A向视图

图中1壳体 2进料口 3出料口 4隔板 5进矿仓 6测量仓 7搅拌器 8喷水头 9探测腔体 10旋浆式搅拌器 11泻矿阀 12多道能谱分析仪 13工控机91屏蔽准直器 92腔体外壳 93放射源 94X射线探测器 95封闭膜 96窗口

具体实施方式：结合附图详细说明本发明的结构和使用方法。

本发明的在流检测多元素分析装置是在测量装置壳体1内装有隔板4，壳体内分为进矿仓5和测量仓6，进矿仓5和测量仓6下部相通，在进矿仓顶部制有进料口2，在进矿仓内装有搅拌器7，在搅拌器叶片上制有多个小孔，孔径在1厘米左右，这样搅拌起来受力小，而且能够促进气泡的排出。通过对矿浆不停地搅拌，将矿浆中的气泡全部搅出来。在浮选或者反浮选的工艺过程中，在矿浆中添加促使产生气泡的药剂，当矿浆受到扰动时，会产生大量的的气泡。而矿浆搅拌后产生的气泡很容易形成泡沫积在矿浆上面，这时可以通过装在进矿仓5顶部的喷水头8向下喷洒清水，将泡沫打碎。在测量仓6内下部装有旋浆式搅拌器10，搅拌起来的时候，带动矿浆从中心向下方流动，在容器壁的附近向上流动，从而将矿浆混合均匀，防止矿浆分层。在测量仓6底部装有泻矿阀11，正常运转的时候封闭，当测量停止时打开，可以将整个测量装置内的矿浆全部排空，便于维修检测，在测量仓6上部制有出料口3，矿浆由进料口2进入进矿仓5，由进矿仓5下部进入测量仓6，矿浆由出料口3溢流排走，在测量仓6内装有探测腔体9，在探测腔体9的内部屏蔽准直器91内水平安装放射源93和X射线探测器94，屏蔽准直器的作用是为了防止放射源的射线直接照射到探测器，并且将周围环境中的本底射线屏蔽掉。在探测腔体9近出料口3一侧制有窗口96，窗口大小通常为直径60mm，在窗口96装有封闭膜95，封闭膜是采用对X荧光具有低衰减系数且耐磨、耐腐蚀的高分子聚酯薄膜，保证矿浆不会进入腔体9内，保护腔体内的相关设备，X射线探测器信号输出端连接DF-6601型(丹东东方测控技术有限公司生产)多道能谱分析仪12，多道能谱分析仪12信号输出端连接市售工控机13。

对矿浆成分的检测方法：将待分析的矿浆通过管道或者流槽引流到分析装置的进料口2，由进料口2进入进矿仓5，启动分析装置内的搅拌器7和旋浆式搅拌器10，待矿浆充满进矿仓5和测量仓6，淹没探测腔体9的窗口96，并由出料口3溢出后，启动探测器94及多道能谱分析仪12、工控机13。

当被分析装置内的搅拌器以30-80转/分排除气泡并充分混合而不会出现分层等现象的矿浆流过测量腔体窗口前的测量区域时，放射源辐射的射线与料流中的各元素原子的核外电子发生作用，激发出的特征X射线被探测器接收到，通过多道能谱分析仪对探测器输出信号进行分析，获得料流中各元素的综合特征X射线能量谱，通过一个多道能谱分析仪来替代多个单道电路，这样，所有的脉冲信号都将被采集，并且根据脉冲幅度的大小，被记录在相应的道址上，并最终形成一个在一定测量时间内的能量-计数谱形，通常情况下，测量时间为1～3分钟。

在该谱形中，横轴是道址，不同的道址，对应着不同的脉冲幅度，也对应着不同射线的能量；而纵轴，则是对应该能量的脉冲个数，也就是探测器所接收到的相应能量的射线个数。与国外产品通过硬件来统计在上、下阈值之间范围的脉冲的个数相对应，只要简单的对能量-计数谱形中分别对应上、下阈值的两个道址之间的区域进行面积求和。当发生探测器老化等原因所产生的射线能量与道址之间的对应关系发生变化，那么只要通过对标准样片进行测量，看老化前、后的特征X射线能量所对应的道址的变化，然后在程序参数表中，依照比例修改对应上、下阈值的两个道址即可。

在一个测量过程中，首先是探测器将探测到的射线转化为幅度对应射线能量的脉冲信号输送给多道能谱分析仪，当测量时间到后，停止测量。在工控机中形成一个在本次测量时间内的能量-计数谱形，并由工控机通过解谱分析软件对能量谱进行寻峰、定道址(确定能量)、峰面积求和、扣除相应本底等相应处理。然后根据特征X射线峰的能量来确定对应的是何种元素，通过峰面积依据如下公式来确定该元素的含量H：

H＝[∑(Ai·Si)+B]/(C·S₀+D)+E

当所有需要分析的元素含量依次得出后，本次测量分析结束。系统进行下一次的测量。

而公式中Si为该元素的第i个特征X射线峰面积；S₀为放射源射线散射峰面积；Ai、B、C、D、E为待定系数，这些系数的确定，可以在正式投入使用之前，通过对对应不同元素含量配比、不同浓度的模拟样片的测量来进行标定，或者在实际生产中取样标定。这些系数的确定，可以在正式投入使用之前，通过对对应不同元素含量配比、不同浓度的模拟样片的测量来进行标定，或者在实际生产中取样标定。

具体标定方法为：通过对不同模拟样片的测量，或者在实际生产中对测量过的矿浆进行取样化验，记录下相应的某元素的含量以及该元素的第i个特征X射线峰面积Si以及放射源射线散射峰面积S₀，通过常规的非线性拟合方法，获得公式中的待定系数Ai、B、C、D、E即可。

而且一旦发生探测器老化等原因所产生的射线能量与道址之间的对应关系发生变化，那么只要通过对标准样片进行测量，看老化前、后的特征X射线能量所对应的道址的变化，然后在程序参数表中，依照比例修改对应上、下阈值的两个道址即可。操作简便，非常直观。具体方法为：设探测器老化前，元素的Ka特征峰道址为m，下阈道址为m1，上阈道址为m2，探测器老化后，经过对标准元素片的检测，元素的Ka特征峰道址为n，新的上、下阈道址可以根据如下公式来推算：

下阈道址n1为：n1＝m1×(n/m)

上阈道址n2为：n2＝m2×(n/m)

将计算好的新的上、下阈道址置入工控机测量程序的参数表中即可。

适当选择合适的激发射线能量，可以更有针对性的对不同料流的主要成分进行分析，提高检测精度。

以下为用于铜选矿厂的原矿矿浆的成分元素在线分析时，元素含量计算方法。生产工艺要根据主要伴生重金属的含量，调整加药剂的成分及配比，以便能够更好的控制杂质含量，提高精矿铜品位。铜矿的伴生矿一般为金、银、铁、铅、镍、锌等。通常情况下，金、银、铁的含量较高，不但影响药剂的配比，而且控制好，还有二次回收利用的价值，因此为选矿厂所关注。

元素的特征X射线的能量如下(单位KeV)：

元素名称	元素符号	原子序数	Kα能量	Kβ能量	Lα能量	Lβ能量	Lγ能
								铜	Cu	29	8.047	8.904
金	Au	79			9.71	11.44
								银	Ag	47	22.162	24.942
铁	Fe	26	6.403	7.057
								铅	Pb	82			10.549	12.611	14.762
镍	Ni	28	7.477	8.264
								锌	Zn	30	8.638	9.571

因此选择0.25mm不锈钢窗、1.85×10⁹Bq的²⁴¹Am放射源，具有对以上元素特征X射线较高的激发效率。而且半衰期长达458年，因此放射源自身衰变所带来的对测量结果的影响可以忽略。

而铜的含量可以根据公式

H_铜＝(A1·S_Kα铜+A2·S_Kβ铜+B)/(C·S₀+D)+E

求得。其中S_Kα铜为铜的Kα系特征X射线峰面积，S_Kβ铜为铜的Kβ系特征X射线峰面积，S₀为²⁴¹Am的散射峰面积。A1、A2、B、C、D、E为公式系数，可以通过对于等效不同铜品位的模拟样片的测量结果，经过非线性回归拟合求得。

通过对一些铜矿粉配制的矿浆做标定实验，可以求得参数分别为：

A1＝0.834481990871197

A2＝-2.4577595265062

B＝3.27315389115496

C＝2.13680465777988

D＝2.27254573318571

E＝-0.28968

如果在使用过程中，发生探测器老化等原因，对分析精度产生影响，则可用如下方法修正：设探测器老化前，铜的Ka特征峰道址为m＝322，下阈道址为m1＝309，上阈道址为m2＝336；一段时间以后，探测器老化，经过对标准铜片的检测，发现铜的Ka特征峰道址已经变化为n＝312，那么新的上、下阈道址可以根据如下公式来推算：

下阈道址n1为：n1＝m1×(n/m)＝299

上阈道址n2为：n2＝m2×(n/m)＝325

只要将计算好的新的上、下阈道址置入工控机测量程序的参数表中即可。

与此类似，铅的含量可以根据公式

H_铅＝(A1·S_Lα铅+A2·S_Lβ铅+A3·S_Lγ铅+B)/(C·S₀+D)+E求得。公式中S_Lα铅为铅的Lα系特征X射线峰面积，S_Lβ铅为铅的Lβ系特征X射线峰面积，S_Lγ铅为铅的Lγ系特征X射线峰面积，S₀为²⁴¹Am的散射峰面积。A1、A2、A3、B、C、D、E为待定系数。

其它元素定量方法与上相同。各个元素计算公式、系数存储于工控机内，每次测量获得相应谱形后，据此计算相应元素的含量。

Claims (2)

1一种在流检测多元素分析仪表装置及检测方法，包括X射线探测器、工控机，其特征在于：在测量装置壳体内装有隔板，壳体内分为进矿仓和测量仓，进矿仓和测量仓下部相通，在进矿仓顶部制有进料口，在进矿仓内装有搅拌器，在搅拌器叶片上制有小孔，进矿仓内顶部装有喷水头，在测量仓内下部装有旋浆式搅拌器，在测量仓底部装有泻矿阀，在测量仓上部制有出料口，在测量仓内有一个探测腔体，在腔体内通过屏蔽准直器水平安装探测器和放射源，在腔体近出料口一侧制有窗口，在窗口装有封闭膜，X射线探测器信号输出端连接多道能谱分析仪，多道能谱分析仪信号输出端连接工控机。

2按照权利要求1所说的在流检测方法，其特征是：将待分析的矿浆通过管道或者流槽引流到分析装置的进料口，由进料口进入分析装置，启动分析装置内的搅拌器，待矿浆充满进矿仓及测量仓，淹没探测腔体的窗口，并由出料口溢出后，启动探测器及多道能谱分析仪、工控机，通过多道能谱分析仪对探测器输出信号进行采集，并且根据脉冲幅度的大小，被记录在相应的道址上，形成一个在一定测量时间内的能量-计数谱形，完成一次检测，数据处理由工控机计算程序进行，检测结果在显示器上显示，其计算方法为：

H＝[∑(Ai·Si)+B]/(C·S₀+D)+E

其中H为某种元素在固态物质中的含量；Si为该元素的第i个特征X射线峰面积；S₀为放射源射线散射峰面积；Ai、B、C、D、E为待定系数；当因发生探测器老化等原因，对分析精度产生影响时，则可通过修正上、下阈道址来进行矫正，其方法是：设探测器老化前，某元素的Ka特征峰道址为m，下阈道址为m1，上阈道址为m2，探测器老化后，经过对标准元素片的检测，该元素的Ka特征峰道址为n，新的上、下阈道址可以根据如下公式来推算：

下阈道址n1为：n1＝m1×(n/m)

上阈道址n2为：n2＝m2×(n/m)

将计算好的新的上、下阈道址置入工控机测量程序的参数表中即可。