CN1021748C - 检查测量松散材料特性并从中取样的装置的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及检查测量一个或多个变量的装置的方法和设备，这些变量特别是在处理和加工中影响松散材料具体特性的测量装置获得的结果的准确性和可靠性，当用从上述松散材料中提取的试样测量上述特性时，本发明还涉及同时检查一个或多个变量的方法和设备，这些变量影响为从上述松散材料中提取试样的装置的准确性和可靠性。

Description

许多松散材料，例如铝土矿、单质硫黄、磷酸盐、石膏、石灰石、水泥、铁矿、球形铁矿石、玉米、小麦以及其他谷物，糖、煤、褐煤、泥煤、无烟煤、工业废物、污水淤泥、木屑和树皮、纸，需要经常检测各种特性，特别在处理或加工时，可以直接测量或者提取试样测量，规定试样要准确包含现存上述材料物质中的每一可变成份，并与存在于上述材料物质中的上述成份有相同的比例和相同的物理、化学状态，并且测量上述试样的上述特性。在美国，这类商品的数量是极大的。例如，标准工业分类26的木材类，1986年总的装货量大约为1080亿美元，其中，纸浆厂占41亿美元，纸和纸板厂占420亿美元，新闻纸占230亿美元，波纹和实心纤维箱占140亿美元，卫生纸产品占110亿美元，卫生食品容器占30亿美元。煤是另一种松散材料，需要经常检测各种特性，在美国，根据预测，1986年采掘和加工的煤价值大约为230亿美元。

其他松散材料中，氮肥和磷肥的年产值约为90亿美元。原生金属为500到600亿美元，无机化学制品约为120亿美元。1986年，美国水泥产品产值约为40亿美元。

遗憾的是，在处理和加工某些这类松散材料时，根据提取的试样所测出的上述特性会产生显著的误差，尤其是对于松散材料的重量，但是在产品的其他特性中也会发现有误差。

举例来说，在美国，煤是由大约3，000个公司经营的大约5，000个煤矿生产的。美国煤的年产量的大约85%是由电力工业所消耗，大致相当于229亿美元。电力工业部门一般存货量约为1.63亿吨，按标定价为55亿美元。

电力工业无法做到使购买的煤的数量与烧掉的煤的数量相一致，每年的损失达存货的5%。仅这项产品一年的损失相当于2.73亿美元。在与商用煤有关的通常时间进程中，煤基本上是不腐烂的，因此，大部分的这种损失并不表示物质上的损失，而是由于称重、取样和分析不准确。一般说来，随着装载量的减小，称重和取样的误差增大。这样产生的误差往往严重到这样一种程度，即，材料处理作业是在低于满负荷的情况下进行的。

有一些显著的经济结果，它远远超出简单的库存修正。例如，为保险起见，实际库存的夸大所导致的不准确，必须通过额外的库存增量加以补偿。尽管缺乏准确数字，但是因此引起的购买，储存，利息和保险却是一笔实际开销。附加经济结果与准确和及时的质量信息有关。强迫降低单位配额和与外部动力购买有关的经济冲击，低于理想经济运转的损失，以及使用比实际需要还要好的煤以符合对空气污染限制的规定，都是例子。再者，缺少准确和及时的信息，这类经济损失就不易估计，然而，它们是致关重要的。在其他松散材料工业同样具有这些问题，这些材料工业按美元计算远远超过煤。

无论在进口市场和出口市场，在松散材料通过 的终端站对于取样和称重都有实际的需要。1986年，美国生产了价值约为40亿美元的水泥，进口了约3亿美元的水泥、按标准工业分类10和14，1986年金属和矿产开采的装货量，包括燃料，价值为230亿美元。进口量达到32亿美元。煤炭工业出口8800万吨，估计价值为35亿美元。

本发明包括方法和设备，用来对运转变量或这类变量的现象进行检查，提供证明文件，使用各种装备来测量松散材料的一个或多个特性所得到的结果，用来鉴定从这些测量装置所获结果的准确性和可靠性，以保证它们不会被可能影响上述测量装置的精度和可靠性的变量所损害。在这种情况下，将所测装性同时与变量的测量结果加以比较是十分有用的。这些变量可能影响借助适当的基准，用这些装置测量到的松散材料特性所获结果的准确性。

本发明同样包括方法和设备，用来对运转变量和环境变量或这类变量的现象进行检查，提供证明文件，这些变量可以影响用来从松散材料中提取试样的装置的准确性和可靠性，上述试样要力图准确包含现存上述松散材料物质中每一种成份，并且要与提取上述试样的上述松散材料物质中存在的上述成份有相同的比例和相同的物理、化学状态。通过上述方法和设备来鉴定上述试样的准确性和可靠性没有被可能影响提取上述试样的上述装置的准确性和可靠性的变量所损害。

将上述运转的和环境的变量同时与适当的基准作比较也是十分有用的。

因此，本发明的一个目的是提供一种鉴定提取上述试样的装置的准确性和可靠性的方法和装备。

本发明的另一个目的是提供一种鉴定松散材料各种特性测量结果的准确性和可靠性的方法和装备。

本发明进一步的目的是提供一种能够使上述测量的运转和环境变量同时与一个或多个适当基准作比较的方法和装备。

本发明还有一个目的是提供一种使测量的特性和与松散材料特性测量装置有关的变量的测量结果，这两者都能同时与一个或多个适当基准相比较的方法和装备。

运转变量的监测以及与适当基准的比较提供了在预选限度的增强运转的闭环控制的手段，这种预选限度超出了由料箱平面，堵塞的滑槽和流动传感控制所提供的限度，上述的监测与比较也是为显示出要求人的干预，进行修正和调整的限制条件。

因此，本发明的另一个目的是提供一种加强闭环控制和显示要求人的干预，进行修正和调整的限制条件的方法和装置。

参照以下附图阅读下面的概述和说明，能使本专业技术人员更清楚地了解上述目的和优点以及本发明其他目的和优点。

图1是本发明用于处理来自矿井漏斗车中的煤，并且将煤从储存堆运送到燃烧室的示意图。

图2是本发明用于将煤运送过机械取样系统、料斗仓、联机分析器、重量进料器和粉磨机，然后到燃烧室的示意图。

图3是显示图1与图2中的典型的机械取样系统中煤的处理细节的放大示意图。

图4是用于本发明的计算机软件和外部设备的示意图，它们是用来接收，存储和分析来自系统的各种传感器的数据，该系统发出，记录和保持运转，失灵和故障情况的数据库;利用电视监测，现场或遥控报告松散材料状况，松散材料接受、使用以及存货情况;打印副件;与主系统计算机联机。

在对本发明进行说明时，特别介绍了在电力工业中对煤进行处理方面的应用，但是应记住，对于上面列举的许多其他的松散材料，都可以应用本发明。

还应当理解，所有的部件，除了用于具体设备的软件之外，都是现在易于得到的市售产品。

现在来看附图，特别是图1，编号10表示旁轨漏斗车卸料装置。来自轨道漏斗车10的煤移向碎矿机11，然后到传送带12，该传送带移动过带式秤盘13，又到达机械取样系统14。在机械取样系统14未不被取走的煤，由传送带15向上运送，然后被卸到储存堆16。轨道漏斗车10一般装有粗的筛网，称之为“栅筛”。栅筛带有一些大约一平方英尺的开口，用以防止过大的煤块和大的冻煤块将系统堵塞。这些团块或由人工打碎，或由专门的机器，即碎矿机打碎，为使本发明的说明简单起见，图中所示的轨道漏斗车10将煤直接卸入碎矿机11。实际上，来自轨道漏斗车10的煤流是由进料输送机控制的。

一般说来，环绕发电厂的设施和装备，设计为正常情况下可以处理的最大煤块尺寸为2英寸。碎 矿机11的主要目的是减小煤块的最大尺寸以满足作业设备的要求。带式秤盘13表示鉴定合格的商业用秤。这就是说，从带式秤得到的重量用来计算支付煤商的款项。在破碎机11，带式秤13，机械取样系统14，传送带12和带式秤13上分别装有传感器17，18，19，20和21。这些传感器包括一个或多个专用传感器，将在后面予以说明。这些传感器通过输入一输出电路通道22-22联接到适当的记录和监测装置，如图4所示，在需要时，可以通过输送机23将煤从储存堆16运走。

现在参看图2。在输送机23上的煤被传送到输送机24上，在这里，煤又经过另一个带式秤25。带式秤25一般发证书的秤，但并不作为商业用秤，它的任务是称量将运去燃烧的煤的重量。煤从输送机24的端部落入料斗仓26，并有适当量的煤由机械取样系统27取走。这个取样系统是典型的机械取样系统，通常与机械取样系统14相同。然后，煤通过联机分析器28，通过称重进料器29和粉磨机30，进入燃烧室31。在传送带23，带式秤25，带式秤24，机械取样系统27，料斗仓26，联机分析器28，称重进料器29和粉磨机30上又分别安装有传感器32，33，34，35，36，37，38和39。这些传感器包括一个或多个专用传感器，将在后面予以说明。这些传感器通过输入一输出电路通道22a-22a联接到适当的记录和监测装置上，如图4所示。

传统上对商用煤是采用“公认的”（湿式）基础分析法。这种作法往往是买卖双方产生许多争议的原因，水份含量由于排放和蒸发易于损耗，又由于雨雪形式的降水量得以提高。在北方气候下，冻煤是一个老问题。当煤是湿的时候，由于未冻的煤与低于结冰温度的金属表面相接触，常常发生堵塞。传感器17，18，19，33，35，36，37和38用于监测和连续地实时记录下述装备的日期和时间标记，环境温度，金属温度，这些装置是：碎矿机11，带式秤13，机械取样系统14，带式秤25，机械取样系统27，料斗仓26，联机分析器28，称重进给器29，同时监测和记录碎矿机11和机械取样系统14的相对湿度。通过这些数据对温度和湿度状况进行鉴别以保证取样和称重系统可靠和准确运转，并对可能导致设备运转故障和不正常状况发出警告。

像煤这样的松散商品有时会混入对设备可能有害的某些杂质。对于煤来说，从起爆雷管到矿车折碎的部件，凡此种种都要有预防措施。一般说来，要在煤的处理系统中尽早安装磁性分离器，以便剔除煤中铁块，保护机器。尽管有这些预防措施，某些杂质还是偶而损坏运转的机械。传感器17、18、19、33、35和39用来对下述装备进行实时监测和持续记录日期和时间标记，振动和声级以及声谱，以便鉴别取样和称重系统的可靠和准确运转条件，这些装备是：碎矿机11，带式秤13，机械取样系统14，带式秤25，机械取样系统27和粉磨机30。这就额外提供了检测可能损害称重以及提取试样或取样的过量或异常的条件的装置，同时可以显示运转故障，对设备可能的不正常情况发出警告。在声频和机械振动之间并没有清楚的界限，但是，一般与重型机械有关的机械振动都低于声频，因此，对两者都要监测，并进行持续的记录，并与适当基准相比较。同样也可以检测出当煤的通道被阻碍时操作人员违反操作规程的情况。

锤尖头速度显著影响冲击式碎矿机的产品。尖头速度是旋转速度的函数。碎矿机马达承受的负荷，电压以及功率或电流都会影响旋转速度。同样，负荷和电压又影响马达的温度，振动和声音又都受旋转速度的影响。传感器17，19和35用来进行带有日期和时间标记的实时监测和持续记录旋转速度，以及来自碎矿机11振动和声音的幅度和频率，碎矿机包含在机械取样系统14和27中。这些取样系统的详细情况下面将会结合图3予以说明。

此外，传感器17、19和35还可进行带有日期和时间标记的实时记录一个或多个电压，电流，功率和马达温度以鉴别碎矿机可靠运转的条件。这就额外提供了检测可能损害取样和称重的过度的或异常的条件，当显示设备运转故障和可能不正常情况时，还可以发出警告。它也同样为寻找故障提供诊断机会。

现在参阅图3，图中画出了采样器14和17的详细情况。图上显示的是典型的两级机械式采样系统，它包括初级刀具40，初期进给器41，样品碎矿机42，二级刀具43，样品收集器44-44，样品圆盘传送带45，样品秤46。一些适当的流料槽联接各种部件，并引导煤通过取样系统。三级系统也 并不罕见，它是借助第三刀具，包含有额外的分离级。

松散材料的处理特性，随颗粒尺寸分布，水分含量和杂质比例而变化。在所有的松散材料中，煤是最难处理的。这种情况由于联机取样系统内碎矿和分离而更为严重，这改变了材料的处理特性，并使分离的样品质量流量被减小到这样的程度，使摩擦、粘合力和附着力倾向于克服保持煤运动的惯性力和重力。

在被滞留的样品中，阻塞，拖延，不规律和不连续的流动是潜在的严重误差的根源。当遇到这样的情况时，实际上常常发生误用取样系统。要派操作人员来用重的管子和大锤敲打滑槽机件，刀具和碎矿机，以便恢复煤的流动。这类误用会持久地损害取样系统的效能。

传感器47、48、49、50、51、52、53和54用来进行带有日期和时间标记的实时监测和持久记录金属温度，振动和振型，声音和声谱，这些传感器与滑槽、部件外壳和取样圆盘传送带45和取样秤46相联，以便为可靠和准确的取样提供资料和鉴别运转条件。这种监视可以对一些状态发出警告，这些状态指示运转故障和设备可能的失灵或误用，以及为寻找故障和问题提供诊断的机会。这些传感器包括一个或多个专用传感器，将在后面予以说明。通过输入-输出电路通道55-55，这些传感器被联接到适当的记录和监控装置上，如图4所示。

松散材料试样的抽取一般有两种基本方法，即时间基准和质量基准。对于这两种取样形式，美国和国际标准规定了相对于用抽样样品来代表批量或交付质量所要求的最小数量和最小增量的质量。

时间基准取样是在均匀时间间隔内抽取样品的增量。为使样品中的可变成份与在整个质量中的可变成份维持相同的比例，抽取或分出增量的样品刀具的移动必须对每一个增量保持固定的速度。

质量基准取样是在均匀的质量间隔中抽取样品增量。为使样品中的可变成份与整个质量中的可变成份保持相同的比例，取样刀具的速度变化必须与流量成正比。

假如刀具横移与品质相对于时间或质量的线性变化同步发生，或者假如第二或第三刀具的横移与系统内前面的刀具同步发生，那么时间基准和质量基准都会产生严重的误差。

品质相对于时间或质量的线性变化常常与流量的变化有关，这个变化又能反映出与改变松散材料处理性质相关的材料处理系统能力的限制。碎矿机同样会引起品质相对于时间或质量的线性变化，这个变化归因于首先破碎易于破碎的材料。

因此，为鉴别时间基准取样或质量基准取样的准确和可靠的运转状况，传感器47、52和56用来记录初级刀具40和二级刀具43的横移次数，并测量初级进给器41的速度，还要进行带有日期和时间标记的实时测量和记录横移发生的时间，横移循环长度，为每一横移样品刀具的速度，并决定刀具是否在同步运转。这种监视还可以对设备运转故障和可能的失灵状况发出警告并提供寻找故障的诊断机会。

传感器18和33用来进行带有日期和时间标记的实时测量和持久记录流量、电压、供电频率、环境温度、振动、带式秤13和25的运转时间，并且监视样品系统14和27的流动速率，还要交叉检查流量与刀具横移的同步性。

图1中的传感器20和21，图2中的传感器32和34，以及图3中的传感器56用来进行带有日期和时间标记的实时测量和持久记录输送带速度、电压、到达输送机驱动马达或液压动力机组的马达的电流（或功率）以检查在输送机12，15，23，24和41上的故障状态。

现代松散材料处理系统的所有输送机都被联锁以便防止任何一个输送机在系统内前面的输送机没有运转时运转。为此，监测现存控制装置状态的传感器，可以替换上述记录输送机速度，电压等方面信息的传感器。

在运输中，运动中的材料的动态称重引入许多变量，这些变量影响称重的准确性。传送带的弹性以及传送带的张力也在这些变量之中。温度是影响传送带弹性的一个因素。温度同样影响模拟或数字电子装置。现存的许多带式秤使用机械方法来测量传送带的移动（速度），负荷，以及传送带的速度与负荷的结合。比较新的技术是应用机电或电子方法来测量传送带的速度，负荷和传送带的速度与负荷的结合。后者的准确性易受无线电频率干扰（RFI）以及电磁干扰（EMI）的影响，也易受电力供应中电压和频率偏差的影响。机械秤和电子秤 都会由于邻近托辊之间的偏差受到影响。由于某些情况，像传送带的拼接处和附近的运动机械，即取样系统和碎矿机引起的振动，也对机械秤和电子秤有影响。

负荷水平同样影响带式秤的准确性。对于商业用秤，负荷水平由标准指南44，即美国标准指南局所限定，范围从额定载量的35%到100%。当在这些限度外运转时，要求发出警告信号。

传感器18和33用来进行带有日期和时间标记的实时测量和持久记录流量，电压、供电频率，环境温度，带式秤13和25的运转时间。这些信息连同有关输送机12和24的可比信息，对于不受这些被测因素影响的称重的有效性鉴别来说是至关重要的。

数值有两个量纲，数量（质量或数量）和品质（重要的特性，性质或成分）。社会借助于法律和规章要求为偿付目的的称重要用鉴定合格的秤。

松散材料的取样是一个复杂的任务，在进行这种取样时正确性，准确性和可靠性的需要一般还没有象称重那样得到社会广泛的承认。结果，对于取样，并没有同样建立法律或规章所规定的要求。然而，美国国内和国际有自发的，意见一致的取样标准，这些标准参照合同和协议在商业中广泛使用。

联机分析器的出现将松散材料的处理带到一个新时期的门口，在这新时期中，按照重要的成份和品质，还有更方便的质量单位，例如吨或磅，来实时保持接收、存货和使用的状态，例如，一般的电力事业已经反对按照英国商用电能单位热值，这种人们最终关注的煤的重要特性来保持煤的接收、存货和使用的记录，这主要是因为缺少及时的热值的信息。能够提供实时信息的联机分析器的出现消除了这一问题。现有的联机分析器利用X-射线荧光，微波水分分析器，核磁共振，伽马射线和激励伽马射线中子触发分析以及连接测热法。这样就可以得到煤的实时可燃烧成份的热值。

取决于联机分析器在松散材料流中所处的位置，位于联机分析器28的传感器37实时接收有关正在接收的，货存的和使用的松散材料的分析数据，这些分析数据然后进入数据库。该数据库由计算机和有关软件维持。如图4所示，下面将要介绍数据库的详情。

在这里讨论的要素超出了立法和规章所规定的那些要素，它们会损害那些鉴定合格的秤的准确性和可靠性，以及那些取样系统和联机分析器的准确性和可靠性。通过实时测量和持久记录这些要素，对于称重准确性的鉴定可以达到比迄今为止可能达到的更高的程度。通过机器取样和联机分析器相似的监视，可应用的取样和试验标准的一致性，松散材料取样和分析的正确性，准确性和可靠性基本上被提到与检定合格的重量一样的鉴定水平。与检定合格的重量相结合，这样的取样能有效地及时提供具有检定状态的总值的测量结果。

现在让我们具体地参阅图4，计算机57配有磁盘驱动系统58，显示终端59，一个或多个打印机60，通过输入输出电路通道61，计算机与图1-图3中来自传感器的相应的管线相联接。图中还显示了调制解调器62，联接到办公主楼的电话线路63，到中心修理车间66的微波线路65。计算机57由专有软件控制，通过调节输来的信号的多路模拟和数字输入-输出通道，使计算机定时询问系统内的各种传感器。计算机57装备有电子钟日历，为持久记录来自传感器数据的磁盘驱动器，为调制解调器，打印机和显示终端键盘而设的必要的接口。

软件可完成许多服务。它可以将传感器信号转换为实际使用单位，如果需要的话，可以将带有来自内部电子钟日历的日期和时间标记的传感器数据的持久记录直接存入由磁盘驱动系统58维持的数据库中，分析传感器数据以便得出相对于预定基准的状态，对取样系统的工作进行同步检查，对于任何预定限度之外的状态，或要求操作人员给于注意或进行干预的状态，发出看得见的和听得到的报警。

对松散材料特性测量装置获得的数据和在松散材料特性测量的同时测得的变量的数据加以比较，可以选择适当的基准作为参考基准。例如，这些基准包括合同，设备和工艺说明书，运转和材料标准，购买和验收说明书，规章和法律的限制以及经验或根据经验建立的限制。

软件同样交叉检查按照预定质量和数量的限制对松散材料的接收和将接收、存货和使用向实际的质量，重要的成份，重要的性质和货币款项的转换。软件还要对记录数据的对话式键盘输入提供必要的服务，并通过预定的优选的等级保持各级软件 和数据存取的可靠性。不论在现场或在主办公楼和修理车间的遥控终端，软件都要给出中断的，故障的，状态的，运转的和诊断的报告。软件还要为主计算机准备输入和输出。

本发明的应用是在一个特定的场合，因此，对于任何给定的装备，必须按特定的需要进行改制。同时希望计算机程序指令编码是模数再进入编码，以便于进行这种改制。通过熟悉结构汇编语言或高级计算机语言的合格程序员，这样的计算机程序是易于编制的。

本发明按照优选实施例作了描述，但是应当理解，在不违背本发明精神实质和真正的范围情况下，变化和改动是可以的。

Claims (6)

1、为提高使用已知的测量装置测量松散材料一个或多个特性的准确性或可靠性的方法，其特征在于，在进行上述测量时，同时测量一个或多个变量，这些变量与上述测量装置无关，但是这些变量又直接或间接影响上述装置的运转，将变量的测量结果与一个适当的基准相比较，在考虑到变量与基准的偏差，可对松散材料特性的测量结果予以改变。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：从上述松散材料中提取试样，在测量所述试样特性的同时，测量所述的变量，将这些变量与基准进行比较，从而可以改变试样特性的测量结果。

3、按照权利要求2所述的方法，其特征在于上述试样从一个小的流量中提取的。

4、为提高在测量松散材料一个或多个特性时的准确性和可靠性的设备，包括测量所述特性的测量装置和在进行上述测量的同时，测量一个或多个变量的附加测量装置，所述变量与上面先述及的测量装置无关，但这些变量又直接或间接影响上述装置的运转;还包括装置，将变量的测量结果与一个适当的基准相比较，在考虑到变量与基准的偏差，可对松散材料特性的测量结果予以改变。

5、按照权利要求4所述的设备，其特征在于，其中先述及的测量装置用来测量从松散材料中提取的试样的特性。

6、按照权利要求5所述的设备，其特征在于，上述试样从一个小的流量中提取。

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