CN102269718B - 一种x射线灰分测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X射线灰分测量装置及方法，该装置包括测量容器，其中设置有被测物；静止平台或转动平台，该测量容器设置在该静止平台或该转动平台上；X射线源，发射X射线照射该测量容器；m(m＝1、2、3......m)个X射线探测器，用于接收穿透该被测物的X射线并将其转化为探测信号；用于测量该被测物质的厚度值的测厚装置，或者，用于测量该被测物的重量值的测重装置；数据处理单元，用于根据该电信号以及该厚度值，或者，根据该电信号以及该重量值计算煤灰分值，该数据处理装置根据以下数学模型计算该煤灰分值：

或

Description

一种X射线灰分测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种灰分测量与控制技术，特别是涉及一种利用X射线实现灰分的分析测量装置及方法。

背景技术

煤炭一般包括两部分物质，一种是由碳、氢、硫等组成的可燃物质，另一种是由钙、铝、硅、铁等氧化物组成的不可燃物质。

煤灰分是煤在一定温度下充分、完全灼烧后，不可燃物质--也就是氧化物残渣所占的重量分数(即重量百分比)。

煤灰分与煤的发热量密切相关，为提高煤的利用效率，必须严格控制煤产品的灰分。

目前，煤灰分测量方法有X射线荧光分析法、反散射法、高能γ射线湮没辐射法、中子活化法以及双能γ射线吸收法等等，其中以双能γ射线吸收法用的最多、最广。其实现方式是，采用两个同位素放射源Am²⁴¹和Cs¹³⁷分别发出的低能和中能γ射线照射皮带上的煤炭，然后在皮带的另一侧，接收投射煤炭后的射线。由于煤炭中的不同物质对该两种能量的射线的吸收效率不同，特别是煤炭中的重元素对Am²⁴¹发出的低能γ射线的吸收效率要远大于煤炭中的其他轻元素，因此可以根据比较两种射线投射煤炭前、后的强度变化，就可以分析得到煤炭的灰分值了。也有利用射线与被测物质相互作用产生的效应不同测量煤的灰分，如专利(申请号200810013224.0)是利用透射光子数和湮没辐射光子数，计算煤的灰分。国外也有利用射线与被测物质相互作用产生的电子对效应和康普顿散射效应测量煤灰分。

但是，双能γ射线吸收法存在如下缺点：

1、γ射线源的安全性差，一旦丢失或泄露射线源，会对环境或人身造成较大危害。

2、由于安全性差，γ射线源必须接受严格管理，在应用中需要每年为此支付较大管理费用。

3、上述测量煤灰分的方法均存在煤层厚度变化(流量变化)、堆积形状变化、煤层重量差别，影响煤灰分测量准确度。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，提供一种X射线灰分测量装置及方法，用于利用X射线实现灰分测量，降低射线源的危险性，降低管理成本。

本发明解决的另一技术问题在于，基于厚度或重量进行灰分测量修正，以提高灰分测量的准确度。

为实现上述目的，本发明公开了一种X射线煤灰分测量装置，包括：

测量容器，其中设置有被测物或输送机，用于输送被测物；静止平台或转动平台，该测量容器设置在该静止平台或该转动平台上；X射线源，发射X射线照射该被测物；m(m＝1、2、3......m)个X射线探测器，用于接收穿透该被测物的X射线并将其转化为探测信号；用于测量该被测物质的厚度值的测厚装置，或者，用于测量该被测物的重量值的测重装置；数据处理单元，用于根据该电信号以及该厚度值，或者，根据该电信号以及该重量值计算煤灰分值，该数据处理单元根据以下数学模型计算该煤灰分值：

$H=K_2\·\frac{[{\mathrm{\Σ}}_{m_i=1}^m{k}_{1\mathrm{mi}}\ln \left(\frac{N_{\mathrm{imi}}}{N_{\mathrm{omi}}}\right)/m]}{d_i}$

或 $H=K_2\·\frac{[{\mathrm{\Σ}}_{m_i=1}^m{k}_{1\mathrm{mi}}\ln \left(\frac{N_{\mathrm{imi}}}{N_{\mathrm{omi}}}\right)/m]}{w_i}$

其中H为煤灰分值，m为该X射线探测器的总数，m_i为X射线探测器的序号，K_1mi为第m_i个X射线探测器的重量标定系数，K₂为煤灰分标定系数，N_imi为测量容器中有被测物时，第m_i个X射线探测器输出的探测信号，N_0mi为测量容器中无被测物时，第m_i个X射线探测器输出的探测信号，d_i为测厚装置测量的被测物的厚度值，W_i为测重装置测量的被测物的重量值。

该测厚装置包括丝杆、位移传感器以及压头，该丝杆的一端连接至该压头，该丝杆的另一端连接至一动力提供装置，该压头通过该丝杆的带动在该测量容器上方上下移动，该位移传感器的滑片连接至该压头。

该测厚装置包括丝杆、连杆、位移传感器以及压头，该丝杆的一端连接至该压头，该丝杆的另一端连接至一动力提供装置，该压头通过该丝杆的带动在该测量容器上方上下移动，该连杆连接至该丝杆，该丝杆带动该连杆移动，该丝杆的移动行程与该连杆的移动行程相同，该连杆连接至该位移传感器的滑片，该连杆的两端连接至设置在该X射线灰分测量装置侧壁上的导轨。

该测厚装置包括丝杆、连杆、位移传感器、压头以及压头拖块，该压头与该压头拖块连接，该压头拖块内部设置有丝杆，该丝杆的一端连接至一动力提供装置，该压头以及该压头拖块通过该丝杆的带动在该测量容器上方上下移动，该位移传感器通过该连杆连接至该压头拖块，该压头的移动行程与该连杆的移动行程相同。

该测厚装置还包括一压力传感器，该压力传感器设置在该转动平台或该静止平台上并接触该测量容器的底部，或者，该测量容器的底部具有一通孔，该压力传感器设置在该通孔中并接触该被测物，或者，该压力传感器设置在该压头下方，或者，该压力传感器设置在该压头与该丝杆之间。

该X射线源设置于该静止平台或该转动平台下方，该X射线灰分测量装置还包括一用于将该X射线探测器在一测量位置以及一收纳位置之间移动的电动推杆，该测量位置位于该测量容器的上方。

该X射线灰分测量装置还包括一用于将该测量容器在一第一测量位置以及一第二测量位置之间移动的电动推杆，该第一测量位置位于该静止平台或该转动平台上，该第二测量位置位于该静止平台或该转动平台的一侧，该测厚装置位于该第二测量位置的上方。

该X射线探测器包括半导体探测器、闪烁计数器、G-m管或电离室。

该X射线源的发射口处设置有射线准直器，该X射线探测器的接收该X射线一侧设置有屏蔽板。

该测厚装置包括机械式测厚装置、微波式测厚装置或超声波式测厚装置。

为实现上述目的，本发明公开了一种X射线灰分测量方法，包括：步骤A，发射X射线照射被测物；步骤B，利用m(m＝1、2、3......m)个X射线探测器接收穿透该被测物后的X射线，并生成探测信号；步骤C，利用测厚装置测量被测物的厚度值，或者，利用测重装置测量被测物的重量值；步骤D，数据处理单元根据该探测信号以及该厚度值依照以下数学模型计算煤灰分值，或者，数据处理单元根据该探测信号以及该重量值依照以下数学模型计算煤灰分值；

数学模型1： $H=K_2\·\frac{[{\mathrm{\Σ}}_{m_i=1}^m{k}_{1\mathrm{mi}}\ln \left(\frac{N_{\mathrm{imi}}}{N_{\mathrm{omi}}}\right)/m]}{d_i}$

或，数学模型2： $H=K_2\·\frac{[{\mathrm{\Σ}}_{m_i=1}^m{k}_{1\mathrm{mi}}\ln \left(\frac{N_{\mathrm{imi}}}{N_{\mathrm{omi}}}\right)/m]}{w_i}$

其中H为煤灰分值，m为X射线探测器的总数，m_i为X射线探测器的序号，K_1mi为第m_i个X射线探测器的重量标定系数，K₂为煤灰分标定系数，N_imi为测量容器中有被测物时，第m_i个X射线探测器输出的探测信号，N_0mi为测量容器中无被测物时，第m_i个X射线探测器输出的探测信号，d_i为测厚装置测量的被测物的厚度值，W_i为测重装置测量的被测物的重量值。

步骤A之前还包括：零点检测步骤，测量容器中未设置被测物时，发射X射线，该m个X射线探测器分别接收未穿透被测物的该X射线，该m个X射线探测器分别生成探测信号N_0mi；K_1mi标定步骤，利用标准模拟负荷片作为该被测物，该标准模拟负荷片具有已知的厚度值d₀、重量值W_标和煤灰分值，设K₂值为1，d₀＝1，发射X射线照射该标准模拟负荷片，该m个X射线探测器分别接收穿透该标准模拟负荷片的X射线，并分别生成标定探测信号N_imi标，利用该数学模型1或数学模型2分别计算得到每个X射线探测器的K_1 mi；K₂标定步骤，发射X射线依次照射多份已知灰分值的被测物，该m个X射线探测器分别接收穿透被测物的该X射线，多次生成各自的探测信号N_i mi，测量多份该被测物的厚度值d_i或重量值W_i，利用该数学模型1或数学模型2分别计算每份被测物对应的K₂值，多份被测物质得到多个K₂值，从而得到K₂与{∑^mm_i=1 K_1mi ln(N_imi/N_0mi)/m}/d_i或者K₂与{∑^mm_i＝1 K_1mi 1n(N_imi/N_0mi)/m}/W_i的函数关系。利用曲线拟合方法确定K₂与{∑^mm_i=1 K_1mi ln(N_imi/N_0mi)/m}/d_i或者K₂与{∑^mm_i=1K_1mi ln(N_imi/N_0mi)/m}/W_i的函数关系表达式。

该被测物被设置在皮带上被传送至检测区以执行该步骤A-D，该步骤D基于由该K₂标定步骤所确定的K₂，进行实时的煤灰分检测。

本发明的技术效果在于，利用X射线作为射线源，安全性高，维护成本低。利用标样标定、曲线拟合的方法，计算准确度高。该X射线灰分测量装置的结构紧凑、合理、简单、可靠、利于维护，可同时测量厚度数据和X射线探测数据，且可保护被测物的内部环境不受影响。另外，本发明还可使得测厚装置(或测重装置)与X射线探测器及X射线源的设置位置更加灵活，可针对生产现场各种多变的空间情况进行调整。本发明可以通过探测数据和厚度值(或重量值)计算灰分，降低厚度变化(或重量变化)对灰分测量的影响。

附图说明

图1A、1B、1C所示为本发明的X射线灰分测量装置的结构示意图；

图1D所示为射线准直器与屏蔽板的截面图；

图1E所示为转动平台的结构示意图；

图2、图3、图4、图5A、图5B、图6A、图6B所示为本发明的X射线灰分测量装置的结构示意图；

图7A、7B、7C所示，为本发明的电动推杆的结构及运作示意图；

图7D所示为本发明的移动拖块的结构及运作示意图；

图7E所示为本发明的移动拖块的a-a截面示意图；

图7F所示为本发明的X射线灰分测量装置的结构示意图；

图7G所示为本发明又一实现方式的在线测量示意图；

图7H角位移传感器测厚装置结构示意图；

图7J所示带有整形料仓的在线测量示意图；

图7K所示采用螺旋喂料机的在线测量示意图；

图8所示为灰分标定修正曲线示意图；

图9所示为本发明的X射线煤灰分测量方法流程示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细描述本发明的具体实现方式。

本发明利用X射线取代γ射线，以使得测量过程安全性好、准确程度高、结构简单、可靠性高。并基于被测物的厚度(或重量)修正，进行灰分测量，以提高灰分测量的准确度。

请参阅图1A所示为本发明的X射线灰分测量装置100的结构示意图。该X射线灰分测量装置100包括测厚装置1、X射线源2、m(m＝1、2、3……m)个X射线探测器6、测量容器4、被测物3、数据处理单元5、转动平台(或静止平台)7。

测量容器4被放置在转动平台7上，该测量容器4中设置有被测物3。该被测物例如为煤炭。转动平台7接受动力提供装置所提供的动力驱动，从而带动测量容器4不断转动。该动力提供装置例如为一转动电机。

在测量容器4的两侧设置有X射线源2和X射线探测器6。X射线源2用于不断发射X射线并照射该测量容器，即照射该被测物3。该X射线中的一部分被该被测物3吸收，而另一部分则穿透被测物3，该X射线探测器6用来接收穿透被测物3后的X射线。X射线探测器6根据所接收的射线产生探测信号。该X射线探测器可通过半导体探测器、闪烁计数器、计数器、G-m管或电离室实现。该X射线探测器6呈阵列或一字排列。由于测量容器4不断转动，故而X射线源2可以从各个不同方向照射被测物3，从而一定程度上消除了测量容器内被测物的多少、堆积形状以及物料的均匀性对测量的影响，使得X射线探测器6获取的探测信号更为均衡准确，以降低由于固定的测量方向而带来的误差。另外，由于m个X射线探测器均符合窄束要求，因而可缩短X射线源至X射线探测器的距离，如距离缩小一倍，则X射线源强度可降低四倍。这样，既节省射线屏蔽材料，又可提高辐射安全性。同时，采用X射线源，它比射线源能量低，易于防护，即使丢失也不会造成危害与对人体伤害，安全性好。X射线探测器6与该数据处理单元5相连接，探测信号被传输至该数据处理单元5。

在图1A所示实施例中，X射线源2、X射线探测器6设置在测量容器4的两侧，在其他实施例中，本领域的技术人员也可根据生产现场的需要而调整二者的设置位置，将X射线源2设置在测量容器4的下方，X射线探测器6设置在测量容器4的上方，或者，也可将X射线源2设置在测量容器4的上方，X射线探测器6设置在测量容器4的下方，不以具体位置为限。

测厚装置1设置在该测量容器4的上方。该测厚装置1的压头10可上下移动并接触被测物，从而测量被测物的厚度。测厚装置1与该数据处理单元5连接，测厚装置1发送该厚度值至该数据处理单元5，该数据处理单元5根据该探测信号以及该厚度值进行灰分值的计算。具体计算方式后续说明。

如图1A可知，测厚装置1具体包括压头10、丝杆11、位移传感器12。压头10位于测量容器4的上方并正对着测量容器4的开口。压头10连接至丝杆11的一端。丝杆11的另一端连接至一动力提供装置，丝杆11从该动力提供装置处获得动力从而上下移动，进而带动压头上下移动，使得压头可以接触到被测物3。该位移传感器12的设置位置固定，并且其具有可伸缩的滑片121，该位移传感器通过该滑片121的滑动行程而获得一位移数据。该滑片121连接至该压头10，则压头10的滑动距离等同于滑片121的滑动行程。这样，当滑片121的起始位置与测量容器4的底部之间的距离是固定值时，通过获取滑片121的滑动行程即可获知测量容器4中被测物3的厚度值。位移传感器中可设置有一处理芯片，以通过该滑片121的滑动行程而直接计算出厚度值，并发送该厚度值至该数据处理单元5。或者，位移传感器直接将该滑动行程传送至该数据处理单元5，由该数据处理单元5根据滑片121的起始位置与测量容器4的底部之间固定值与该滑动行程的差值，计算该厚度值。

在一优化实施例中，为了进一步保证被测物的环境参数能保持一致，测厚装置1中还包括压力传感器14，如图1B所示。压力传感器14安装在该转动平台上、接触测量容器4的底部。压力传感器14将检测到的压力信号通过连接线传送到该数据处理单元5。该数据处理单元5与为丝杆11提供动力的动力提供装置连接，当数据处理单元5收到的压力传感器14传送来的压力值达到一预定值时，数据处理单元5发出一停止信号，使得该动力提供装置停止工作，丝杆停止移动，从而使得压头停止移动，此时，位移传感器12取得滑片121的总滑动行程，传送给该数据处理单元5。通过设置该预定值，使得每次厚度数据的获取都处于同样的压力环境下，即压头施加给被测物的压力一致，则每次测量的厚度值能够在被测物内部压力一致的情况下获得，减少随机效应，提高后续灰分测量的准确度。

另外，该压力传感器14也可设置在其他不同位置。如图2所示，在一实施例中，该测量容器的底部具有一通孔，该压力传感器14设置在该通孔中并接触该被测物。如图3所示，在一实施例中，该压力传感器14设置在该压头10的下方，即，该压力传感器接触该被测物的上表面。如图4所示，在一实施例中，该压力传感器14设置在该压头10的上方，该压力传感器14与该丝杆11连接。压力传感器14可感知压头与丝杆之间的压力值。

如图1C所示为本发明的设有X射线准直器和屏蔽板灰分测量装置的另一实施例，如图1D所示为射线准直器9与屏蔽板10的截面图。由于X射线的能量是连续谱分布，且能量较低，因此X射线的反射与散射现象严重。为消除X射线反射和散射对测量的影响，该X射线源的发射口处设置有射线准直器9，该射线准直器正对X射线源的发射口处开设有一开口，使得X射线只能从该射线准直器的开口中射出，以减少发射X射线的数量。在该X射线探测器接收该X射线一侧设置有屏蔽板10，该屏蔽板也开设有一开口，该X射线探测器仅接收从该屏蔽板的开口入射的X射线。射线准直器与屏蔽板二者配合使用。设置该屏蔽板，以吸收除X射线探测器探测面积以外的X射线，从而减少反射与散射对测量的影响。

如图1E所示为转动平台的结构示意图。

转动平台7包括驱动器76、轴75、内轴承73、外轴承72、轴承固定架74、托盘71。轴75固定在内轴承73上，内轴承73外侧是外轴承72，外轴承72固定在轴承支架74上，托盘71固定在轴75的上端。驱动器76带动轴75和托盘71转动，托盘71带动放置其上的测量容器4转动。

在另一优化实施例中，测厚装置1可通过其他连接关系实现，以保证工作现场的实际需要。如图5A所示，测厚装置1具体包括压头10、丝杆11、位移传感器12，位于传感器滑片121以及连杆13。与图1A不同的是，连杆13固定连接至该丝杆11，该丝杆11带动该连杆13的移动，该丝杆11的移动行程与该连杆13的移动行程相同。为保证连杆13保持固定角度(例如保持水平)的跟随丝杆11做正常的平移滑动，在该X射线灰分测量装置100的外壳侧壁上设置有导轨，该连杆的两端连接至该导轨。该位移传感器12的可伸缩的滑片121连接至该连杆13。使得该位移传感器通过检测连杆的滑动行程而获得一位移数据，进而得到被测物3的厚度值。

如图5B所示，为测厚装置的又一实施例示意图。

该测厚装置1的压头10可上下移动并接触被测物。压头10与压头拖块17连接，压头拖块17内部设置有丝杠11，丝杠11受动力提供装置的驱动而上下运动，进而带动压头拖块17以及压头10的上下移动，压头拖块17设置在拖块导轨18内。线位移传感器12的滑片121通过连杆13与压头拖块17相连，压头10的上下移动带动了连杆13上下移动，压头10移动的距离就等于连杆13移动的距离，也等于滑片121的移动距离。因此压头10移动的距离通过连杆13由线位移传感器12检测得到。线位移传感器12将该压头10移动的距离发送至数据处理单元。由于压头至测量容器的底部的原始高度是已知的，通过压头10的移动距离可以对应得到被测物的厚度。上层的固定平台16用于承载位移传感器12和动力提供装置。下层的固定平台16用于承载拖块导轨18，使得压头10得到固定的支撑点。

此外，该测厚装置也可以选用其他机械式测厚装置、或微波式测厚装置或超声波式测厚装置。

上述实施例的测量容器始终跟随转动平台保持转动，其位置并未发生变化，即，被测物在同一位置进行厚度值的测量以及与该探测信号的获取，这一位置设置关系可以保证所获取的厚度值和探测信号所针对的对象的同一性，避免由于位置转换带来的对被测物的内部环境的影响。

本发明还可通过其他位置关系来实现。如图6A、6B所示，该X射线源2设置于该转动平台7的下方，该X射线探测器6与一电动推杆8相连接。该电动推杆可移动，使得该X射线探测器6可被设置在该测量容器的上方(测量位置)以进行对X射线的接收，还可被设置在该测量容器旁边的一收纳位置(图6A)。在这一实施例中，数据处理单元5可控制该测厚装置1通过压头的滑动而取得测量容器中的被测物的厚度值(图6A)，这时的X射线探测器6受控于该电动推杆而位于该收纳位置。随后压头向上移动，回到其起始位置(图6B)，这时，数据处理单元5控制该电动推杆8开始移动，使该X射线探测器6移动到该测量容器的上方测量位置，并进行探测信号的获取。收纳位置可位于测量容器近旁的任何位置。同时，图6A、6B所示结构可适用于上述针对压力传感器的各种实施例。

本发明还可通过其他位置关系来实现。如图7A、7B、7C所示，为本发明的电动推杆的结构及运作示意图。该X射线源2设置于该转动平台7的下方，该X射线探测器6设置于该转动平台7的上方。一电动推杆8的前端具有一托盘81，该托盘81用于承载该测量容器。该电动推杆8受到一动力提供装置的驱动而移动，利用该托盘81托起该测量容器，并移动该测量容器，即，使得该测量容器在一第一测量位置以及一第二测量位置之间移动。该第一测量位置为测量容器位于该转动平台7上，该第二测量位置位于该转动平台的一侧近旁，该测厚装置位于该第二测量位置的上方。在这一实施例中，该测量容器在初始时刻位于该第一测量位置(图7A)，数据处理单元5可控制该X射线探测器6进行探测信号的获取。随后数据处理单元5控制该电动推杆8开始移动，利用托盘81托起该测量容器并将该测量容器移动至该第二测量位置(图7B、7C)。这时，数据处理单元5控制该测厚装置1降下压头获取该厚度值。可见，在这一实施例中，测量容器位于不同的位置时，可采集被测物的不同数据。本实施例使得测厚装置与X射线探测器6及X射线源2的设置位置更加灵活，可针对生产现场各种多变的空间情况进行调整。另外，图7A、7B、7C所示结构可适用于上述针对压力传感器的各种实施例。

如图7D所示，为本发明又一实施例的移动拖块的结构及运作示意图。图7E所示为移动拖块的a--a截面示意图。此实施例中，测量容器设置在静止平台702上，该静止平台702上设置有移动装置，用于承载测量容器，并改变测量容器的位置。移动装置包括拖块701，测量容器设置在拖块701上。

拖块701设置于开在静止平台内部的导轨中，其可在该导轨中滑动。拖块701与连接杆703连接，连接杆703与动力提供装置704连接。进而，拖块701通过连接杆703接受动力提供装置704提供的动力驱动而移动，将测量容器在不同位置之间传送。当拖块701位于A位置时，由测厚装置进行测厚，当位于B位置时，进行X射线的照射测量。

图7F所示为本发明的X射线灰分测量装置100的结构示意图。其中，X射线灰分测量装置100还包括一测重装置90用于测量被测物3的重量。该测重装置90与该数据处理单元5连接，将所测量的重量值发送至该数据处理单元5，供该数据处理单元5根据该探测信号以及该重量值，计算煤灰分值。测重装置90可以设置在转动平台上并接触该测量容器，或者，设置在转动平台近旁，例如设置如图7A所示的压头下方，则可通过该电动推杆，将测量容器移动至该测重装置上进行测重。

图7G所示为本发明又一实现方式的在线测量示意图。

与前述实施例差别之处在于，被测物3并未设置在测量容器中，而是直接设置在现场输送机的皮带70上，通过皮带70的传送动作，可使得被测物被传递至指定位置，并经过本发明所述的X射线源2的照射。测厚装置1设置在X射线源2的前方，皮带上方一固定位置。该测厚装置1包括角位移测厚装置或者线位移测厚装置或编码器式测厚装置。该实施例还可包括惯常的测重装置。

图7H所示为角位移测厚装置示意图。它包括压辊117、连杆116、支承轴115、支撑架114和角位移传感器113。压辊放置在皮带70的被测物3上，通过连杆连接至角位移传感器。在皮带传送时，被测物厚度不同导致压辊上下运动，角位移传感器可感知连杆的角度变化。通过当前位置与初始位置的连杆的角度变化以及固定的连杆长度可以获知当前被测物的厚度值，并将检测的厚度值数据发送至数据处理单元5。X射线探测器6与前述实施例一样，产生探测信号，发送至数据处理单元5。

更为优化的，压辊直径可设置为250-300mm，压辊宽度可设置为30-50mm，压辊材质可采用铁或其他常用材质。连杆L的长度可设置为300-400mm。该角位移传感器可采用旋转变压器式BF型角位移传感器。

图7J所示，为本发明又一实施例，它与图7G不同点在于，该实施例中，采用螺旋喂料机80(或采用其他方法)从现场输送机的皮带70输送的被测物3中，取出部分被测物。螺旋喂料机80将取出的部分被测物送入整形料仓82，整形料仓坐落在物料输送带710上，被测物通过输送带710输送至灰分测量装置的测量区进行测量，该测量区具备测厚装置以及测重装置，具体结构参见前述附图及其说明。由于整形料仓的物料输出口的高度已定(为常数)，因此从整形料仓输送出来的被测物的堆积形状及物料的厚度波动变化均比较小，从而提高了厚度测量与X射线测量的精度。输送机的皮带70输送的被测物3的其余部分被输送到皮带720上。

图7K所示，是另一实施方式的在线X射线灰分测量装置结构示意图，它与图7J不同点在于，采用螺旋喂料机80，取代图7J中的皮带输送机710，整形料仓82坐落在螺旋喂料机80上，被测物通过整形料仓82进入螺旋喂料机80内部。被测物由螺旋喂料机80输送至灰分测量装置的测量区进行测量。由于料仓供料充足，使得螺旋喂料机80的绞刀推动被测物前进并充满整个外壳，螺旋喂料机80的截面为圆形。由于螺旋喂料机80外壳直径Φ＝常数，所以在此实施例中被测物厚度＝常数即属于常数修正，是实时厚度修正的特例。

以下说明数据处理单元5的关于被测物的煤灰分计算的具体技术方案。

本领域的技术人员知道，被测物质可以吸收X射线。不同种类的物质对X射线的吸收能力不同，即，吸收X射线的比率不同。特别是煤炭中轻元素物质(可燃物质)与重元素物质(不可燃物质)对X射线的吸收能力均不相同。但是，每种物质吸收X射线的能力在X射线源高压固定情况下是固定的。因而，利用测量穿透被测物吸收X射线占全部X射线的比率，在借助相应系数的前提下，可以表征煤灰分的数值。

即，H＝K*Ln(N_i/N_o)(1)

其中，H为煤灰分，N_i为X射线穿过该被测物时，该X射线探测器输出的探测信号，N_i可以是单位时间所检测到的射线粒子个数(个/秒)。N_o为X射线未穿过该被测物质时，该X射线探测器输出的探测信号，即，X射线源发出的X射线未照射该被测物而直接被该X射线探测器获取时，该X射线探测器输出的探测信号。N_o可以是单位时间所检测到的射线粒子个数(个/秒)。K为物料系数。

另外，本领域的技术人员知道，被测物的厚度，或者，在体积与底面积固定时的被测物的重量与被测物吸收X射线存在关联关系。故而，本发明利用厚度值或重量值对公式(1)的灰分值进行修正，将其归一为单一厚度值或重量值时所对应的灰分，以进一步提高煤灰分值计算的准确性。即，对公式(1)进行变型建立数学模型。具体的，数据处理单元5通过如下数学模型进行灰分值计算。

数学模型1： $H=K_2\·\frac{[{\mathrm{\Σ}}_{m_i=1}^m{k}_{1\mathrm{mi}}\ln \left(\frac{N_{\mathrm{imi}}}{N_{\mathrm{omi}}}\right)/m]}{d_i}$

或，数学模型2： $H=K_2\·\frac{[{\mathrm{\Σ}}_{m_i=1}^m{k}_{1\mathrm{mi}}\ln \left(\frac{N_{\mathrm{imi}}}{N_{\mathrm{omi}}}\right)/m]}{w_i}$

其中H为煤灰分值，m为该X射线探测器的总数，m_i为X射线探测器的序号，K_1mi为第m_i个X射线探测器的重量标定系数，K₂为煤灰分标定系数，N_imi为测量容器中有被测物时，第m_i个X射线探测器输出的探测信号，N_0mi为测量容器中无被测物时，第m_i个X射线探测器输出的探测信号，d_i为测厚装置测量的被测物的厚度值，W_i为测重装置测量的被测物的重量值。

理想状态下不同X射线探测器在探测同一X射线时所产生的探测信号应该是固定统一的理想值。但是，实际情况下，m个X射线探测器在探测同一X射线时，所产生的探测信号可能存在细小差别或误差，与理想值有一定差距。

数学模型1或数学模型2中的∑^mm_i=1 K_1mi ln(N_imi/N_0mi)/m，即用于消除每个X射线探测器的个体误差影响。

每个X射线探测器具有各自的重量标定系数K_1mi，而K_1mi*ln(N_imi/N_0mi)即为该固定的理想值，m_i为1，2……m。K_1mi即为每个X射线探测器的实际产生数值与理想值之间的比例。

故而，∑^mm_i=1 K_1mi ln(N_imi/N_0mi)/m表示对多个X射线探测器每次产生的数据先消除个体误差再求平均，与仅采用单个X射线探测器的技术方案相比，本发明可大幅降低随机效应，减少统计涨落的影响。

另外，本发明的{∑^mm_i＝1 K_1mi ln(N_imi/N_0mi)/m}/d_i是利用d_i实现对煤灰分的修正。即，归一为单位厚度值，以消除厚度变化对灰分的影响。同理，{∑^mm_i=1 K_1mi ln(N_imi/N_0mi)/m}/W_i用于消除重量变化对灰分的影响。

又由于被测物吸收X射线的比率与被测物的成分，特别是灰分有关联关系，因而，

{∑^mm_i＝1 K_1mi ln(N_imi/N_0mi)/m}/d_i或者{∑^mm_i＝1 K_1mi ln(N_imi/N_0mi)/m}/W_i分别与煤灰分之间存在关联关系。故而，本发明通过不同煤灰分标定系数K₂，建立起煤灰分与X射线吸收比率之间的关系等式，形成上述数学模型。

如图9所示为本发明的X射线煤灰分测量方法流程示意图。

步骤A，发射X射线照射被测物；

步骤B，利用m(m＝1、2、3……m)个X射线探测器接收穿透该被测物后的X射线，并生成探测信号；

步骤C，利用测厚装置测量被测物的厚度值，或者，利用测重装置测量被测物的重量值W_i；

步骤D，数据处理单元根据该探测信号以及该厚度值依照前述数学模型计算煤灰分值，或者，数据处理单元根据该探测信号以及该重量值依照前述数学模型计算煤灰分值。

在步骤A之前还包括利用标样标定的方式标定K_1mi和K₂的预处理步骤，该预处理步骤包括：零点检测步骤，K_1mi标定步骤和K₂标定步骤。

首先进行零点检测步骤，测量容器中未设置被测物时，发射X射线，该m个X射线探测器分别接收未穿透被测物的X射线，该m个X射线探测器根据所接收到的X射线分别生成探测信号N_0mi。这时，数学模型1以及数学模型2中的每个X射线探测器的N_0mi都被检测到，并存储下来，以备后续使用。

其次进行K_1mi标定步骤，由于每个K_1mi*ln(N_imi/N_0mi)为固定值，故而可利用同一被测物，依次计算出不同X射线探测器的K_1mi值。如利用一标准模拟负荷片作为该被测物设置在该测量容器上，该标准模拟负荷片具有已知的厚度值d₀(令d₀＝1)、重量值W_标和煤灰分值H，该标准模拟负荷片具备标准成分使得K₂值为1。发射X射线照射该标准模拟负荷片，该m个X射线探测器分别接收穿透该标准模拟负荷片的X射线，并分别生成标定探测信号N_i mi标，则将数据处理单元5根据数学模型1或2所测量得到的灰分值设定为该标准模拟负荷片的已知灰分值，将厚度值、重量值、灰分值和该m个X射线探测器的N_imi/N_0mi依次带入该数学模型1或数学模型2，分别计算得到每个X射线探测器的K_1mi，存储到该数据处理单元中，以备后续使用。

最后进行K₂标定步骤，此时该数学模型1或数学模型2中m、K_1mi、N_0mi为已知值，N_imi、d_i、W_i为可以测量得到的数值，则只有K₂和H值仍未确定。由于X射线源与γ射线源不同，它发射的X射线是由高能到低能连续分布的能量谱，而被测物(煤炭)不是单一成分的物质，它是由可燃物质和不可燃物质(灰分)等多种成分构成的，当灰分变化较大时，K2不等于常数，而是随着

或

的变化而变化的函数，(由于

或

的作用相同，以下仅用

表述)因此，确定K₂与

的变化关系，是实现采用X射线测量煤灰分的关键。本发明利用含有不同灰分值的被测物质标样进行标定，进而获得K₂与

的变化关系曲线，然后再用曲线拟合方法，如：线性、折性、多项式或指数等多种形式的拟合，得出K₂与的关系表达式，将关系表达式取代上述数学模型中的K₂，便可得出完整的数学模型公式。利用该完整的数学模型公式，可正式进行后续的煤灰分测量。以上这些数学模型以及根据本发明精神而建立的H_i与

间变化关系的数学模型均属于本专利的保护范围。

具体的说，发射X射线照射一被测物，该m个X射线探测器分别接收穿透被测物的该X射线，并生成探测信号N_imi，利用测厚装置测量该被测物的厚度值d_i或利用测重装置测量该被测物的重量值W_i，随后充分燃烧该被测物以获取其煤灰分值H，由于通过前述步骤此时H、K_1mi、N_0mi、N_imi、d_i(或W_i)为已知值，数据处理单元5将该已知值带入数学模型1或数学模型2计算该被测物对应的K₂值。针对多份灰分不同被测物重复此K₂标定步骤，可以得到不同灰分被测物的K₂。接下来，利用曲线拟合方法确定K₂与[ln(N_i/N_o)/d_i]或者K₂与[ln(N_i/N_o)/W_i]的函数关系的表达式。

以ln(N_i/N_o)/d_i或者ln(N_i/N_o)/W_i为横轴，以K₂为纵轴建立数轴图，将每份被测物的数据标记在该图中，通过曲线拟合以得到横轴与纵轴之间的关联关系。

以下通过一个具体实例说明上述实施过程，以ln(N_i/N_o)/d_i为例，参考图8。X射线源2例如可施加可调高压：30-50KV，可调电流：0.2-0.5ma。该X射线探测器6可采用半导体射线探测器m＝32个CF201-01型半导体阵列探测器或m＝1时φ＝100-200mm闪烁计数器或φ＝100-200mm薄壁测厚电离室，每个X射线探测器的探测面积为1.275×2.7mm，它与X射线源形成的测量区域完全符合射线与物质相互作用窄束的要求。数据处理单元5可采用工业控制机，或西门子PIC(S7300系列)。测量容器可选用φ＝60高100mm的铝杯或塑料杯。测厚装置的参数可选用量程0——200mm，精度0.1mm。测重装置可选用电子天平或电子秤或天平，精度0.01g。

以测厚装置的实施例为例，令m＝1，首先获取多份不同灰分值的被测物的标样进行标样标定。将该多份标样经由该X射线源2照射，以分别获取每份标样对应的N_imi。测量每份被测物的厚度值d_i，或者，将厚度值设为固定值d_o。每份被测物具有已知的灰分值H，或者，在X射线源2照射后将每份被测物充分燃烧得到其灰分值H，将上述数据发送至数据处理单元5。数据处理单元5利用数学模型计算K₂，如此可获得如表一所示实验数据：

煤灰分值(H)％	ln(Ni/No)/di	K2
			10.43	0.88409	113.11
12.18	0.90421	110.59
			13.87	0.90738	110.206
15.5	0.92361	108.264
			17.06	0.95055	105.201
18.57	0.94338	106.001
			20.02	0.94757	105.523
21.42	0.97557	102.503
			22.78	0.98747	101.368
24.09	0.98652	101.288
			25.35	0.981233	100.268

表一

请参阅图8所示为灰分标定修正曲线示意图。

曲线拟合包括：以ln(N_i/N_o)/d_i为横轴，以K₂为纵轴，将表一中各点标在图中，利用数据处理单元5进行线性拟合，得到图中直线。同时，数据处理单元5根据该直线可得到直线斜率K_斜率为-112.315，截距b为212.1194：

K₂＝K_斜率*ln(N_i/N_o)/d_i+b

即，K₂＝-112.315*ln(N_i/N_o)/d_i+212.1194

如此，数据处理单元5将K₂的该表达式带入数学模型1中，使得数学模型1中的变量仅为N_o、N_i与d_i，则数学模型1的形成了完整的表达式，数据处理单元5可利用该数学模型1执行步骤A-D，对后续的被测物做正式的煤灰分H的测量。

则数学模型1为： $H_i=\{-112.315[\ln \left(\frac{N_i}{N_o}\right)/d_i]+212.1194\}\ln \left(\frac{N_i}{N_o}\right)/d_i.$

当m大于1时，在K_1mi已经被标定好的情况下，也可利用上述方法进行曲线拟合以标定K₂。

在正式执行步骤A时，可重新执行一遍该零点检测步骤，以更新当前的零点，提高计算准确度。

本发明在生产现场还可通过在线的动态方式实现。请参阅图7G，7J，7K在煤炭生产的现场，皮带持续不断的输送被测物通过测厚区和X射线测量区，数据处理单元5获得d_i和m个探测器的探测信号N_imi。随后，从皮带上被X射线照射过的被测物中随机取样部分被测物，充分燃烧以得到其灰分值。经过前述预处理方法进行K_1mi与K₂标定后，获得明确的完整的数学模型。此时，数据处理单元5利用该数学模型对皮带上后续传送的被测物做实时的煤灰分的检测。

本发明提供了一种利用X射线针对被测容器中的被测物进行静态灰分测量的方案以及在生产现场进行动态灰分测量的方案，利用了X射线作为射线源，故而安全性高，维护成本低，且利用标样标定的方式使得测量的准确度高、结构简单、算法的可靠性高。该X射线灰分测量装置的结构紧凑、合理、简单、可靠、利于维护，可同时测量厚度数据和X射线探测数据，且可保护被测物的内部环境不受影响，降低随机风险。

另外，本发明还可使得测厚装置与X射线探测器及X射线源的设置位置更加灵活，可针对生产现场各种多变的空间情况进行调整。

本发明利用厚度/重量作为灰分值的计算因素之一，进行灰分计算公式的修正，可以通过该厚度/重量对最终计算得到的灰分值进行修正，降低厚度/重量变化对灰分计算的影响，提高灰分计算的精确度。

以上为本发明的具体实施方式，本领域的技术人员可基于上述内容做各种变型，皆包括于本发明的公开范围内，不应作为对本发明的限制。

Claims (14)

1.一种X射线煤灰分测量装置，其特征在于，包括：

测量容器，其中设置有被测物,或输送机，用于输送该被测物；

静止平台或转动平台，该测量容器设置在该静止平台或该转动平台上；

X射线源，发射X射线照射该被测物；

m个X射线探测器，用于接收穿透该被测物的X射线并将其转化为探测信号；

用于测量该被测物的厚度值的测厚装置，或者，用于测量该被测物的重量值的测重装置；

数据处理单元，用于根据该探测信号以及该厚度值，或者，根据该探测信号以及该重量值计算煤灰分值，该数据处理单元根据以下数学模型计算该煤灰分值：

$H=K_2\·\frac{[{\mathrm{\Σ}}_{m_i=1}^m{k}_{1\mathrm{mi}}\ln \left(\frac{N_{\mathrm{imi}}}{N_{\mathrm{omi}}}\right)/m]}{d_i}$

或 $H=K_2\·\frac{[{\mathrm{\Σ}}_{m_i=1}^m{k}_{1\mathrm{mi}}\ln \left(\frac{N_{\mathrm{imi}}}{N_{\mathrm{omi}}}\right)/m]}{w_i}$

其中H为煤灰分值，m为该X射线探测器的总数，m_i为X射线探测器的序号，K_1mi为第m_i个X射线探测器的重量标定系数，K₂为煤灰分标定系数，N_imi为测量容器中有被测物时，第m_i个X射线探测器输出的探测信号，N_0mi为测量容器中无被测物时，第m_i个X射线探测器输出的探测信号，d_i为测厚装置测量的被测物的厚度值，W_i为测重装置测量的被测物的重量值。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该测厚装置包括丝杆、位移传感器以及压头，该丝杆的一端连接至该压头，该丝杆的另一端连接至一动力提供装置，该压头通过该丝杆的带动在该测量容器上方上下移动，该位移传感器的滑片连接至该压头。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该测厚装置包括丝杆、连杆、位移传感器以及压头，该丝杆的一端连接至该压头，该丝杆的另一端连接至一动力提供装置，该压头通过该丝杆的带动在该测量容器上方上下移动，该连杆连接至该丝杆，该丝杆带动该连杆移动，该丝杆的移动行程与该连杆的移动行程相同，该连杆连接至该位移传感器的滑片，该连杆的两端连接至设置在该X射线煤灰分测量装置侧壁上的导轨。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该测厚装置包括丝杆、连杆、位移传感器、压头以及压头拖块，该压头与该压头拖块连接，该压头拖块内部设置有丝杆，该丝杆的一端连接至一动力提供装置，该压头以及该压头拖块通过该丝杆的带动在该测量容器上方上下移动，该位移传感器的滑片通过该连杆连接至该压头拖块，该压头的移动行程与该连杆的移动行程相同。

5.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，该测厚装置还包括一压力传感器，该压力传感器设置在该转动平台或该静止平台上并接触该测量容器的底部，或者，该测量容器的底部具有一通孔，该压力传感器设置在该通孔中并接触该被测物，或者，该压力传感器设置在该压头下方，或者，该压力传感器设置在该压头与该丝杆之间。

6.如权利要求1或2或3或4所述的装置，其特征在于，该X射线源设置于该静止平台或该转动平台下方，该X射线煤灰分测量装置还包括一用于将该X射线探测器在一测量位置以及一收纳位置之间移动的电动推杆，该测量位置位于该测量容器的上方。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该X射线煤灰分测量装置还包括一用于将该测量容器在一第一测量位置以及一第二测量位置之间移动的电动推杆，该第一测量位置位于该静止平台或该转动平台上，该第二测量位置位于该静止平台或该转动平台的一侧，该测厚装置位于该第二测量位置的上方。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该X射线探测器包括半导体探测器、闪烁计数器、G-m管或电离室。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该X射线源的发射口处设置有射线准直器，该X射线探测器的接收该X射线一侧设置有屏蔽板。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括整形料仓，该整形料仓位于该输送机上。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该测厚装置包括机械式测厚装置、微波式测厚装置或超声波式测厚装置。

12.一种X射线煤灰分测量方法，其特征在于，包括：

步骤A，发射X射线照射被测物；

步骤B，利用m个X射线探测器接收穿透该被测物后的X射线，并生成探测信号；

步骤C，利用测厚装置测量被测物的厚度值，或者，利用测重装置测量被测物的重量值；

步骤D，数据处理单元根据该探测信号以及该厚度值依照数学模型1计算煤灰分值，或者，数据处理单元根据该探测信号以及该重量值依照数学模型2计算煤灰分值；

数学模型1： $H=K_2\·\frac{[{\mathrm{\Σ}}_{m_i=1}^m{k}_{1\mathrm{mi}}\ln \left(\frac{N_{\mathrm{imi}}}{N_{\mathrm{omi}}}\right)/m]}{d_i}$

或，数学模型2： $H=K_2\·\frac{[{\mathrm{\Σ}}_{m_i=1}^m{k}_{1\mathrm{mi}}\ln \left(\frac{N_{\mathrm{imi}}}{N_{\mathrm{omi}}}\right)/m]}{w_i}$

其中H为煤灰分值，m为X射线探测器的总数，m_i为X射线探测器的序号，K_1mi为第m_i个X射线探测器的重量标定系数，K₂为煤灰分标定系数，N_imi为测量容器中有被测物时，第m_i个X射线探测器输出的探测信号，N_0mi为测量容器中无被测物时，第m_i个X射线探测器输出的探测信号，d_i为测厚装置测量的被测物的厚度值，W_i为测重装置测量的被测物的重量值。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤A之前还包括：

零点检测步骤，测量容器中未设置被测物时，发射X射线，该m个X射线探测器分别接收未穿透被测物的该X射线，该m个X射线探测器分别生成探测信号N_0mi；

K_1mi标定步骤，利用标准模拟负荷片作为该被测物，该标准模拟负荷片具有已知的厚度值、重量值和煤灰分值，设K₂值为1，发射X射线照射该标准模拟负荷片，该m个X射线探测器分别接收穿透该标准模拟负荷片的X射线，并分别生成标定探测信号N_imi标，利用该数学模型1或数学模型2分别计算得到每个X射线探测器的K_1mi；

K₂标定步骤，发射X射线依次照射多份已知灰分值的被测物，该m个X射线探测器分别接收穿透被测物的该X射线，多次生成探测信号N_imi，测量多份该被测物的厚度值或重量值，利用已知的K_1mi以及N_0mi，以及该数学模型1或数学模型2分别计算每份被测物对应的K₂，利用曲线拟合方法确定K₂与ln（N_i/N_o）/d_i或者K₂与ln（N_i/N_o）/W_i的函数关系表达式。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，该被测物被设置在输送机的皮带上被传送至检测区以执行该步骤A-D，该步骤D基于由该K₂标定步骤所确定的K₂，进行实时的煤灰分测量。

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