DD269226A1

DD269226A1 - METHOD FOR THE RADIOMETRIC DETERMINATION OF MEASURING GENERAL PARAMETERS IN SCHUETTGUETERN

Info

Publication number: DD269226A1
Application number: DD31081387A
Authority: DD
Inventors: Ralf Binder; Gabriele Kirsten; Manfred Braune; Stefan Klepel; Roland Goeldner
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1987-12-21
Filing date: 1987-12-21
Publication date: 1989-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur radiometrischen Bestimmung von Messgutparametern in Schuettguetern, insbesondere zur Bestimmung des Gehaltes einer oder mehrerer Komponenten von Zwei- oder Mehrkomponentenschuettguetern. Ein spezieller Anwendungsfall ist die Aschegehaltsbestimmung in Kohle. Das Messgut wird mit einem kegelfoermig kollimierten Gamma- oder Roentgenstrahl niederer Energie bestrahlt und die rueckgestreute Strahlung gemessen. Die in mindestens zwei unterschiedlichen Abstaenden zum Bestrahlungskegel gemessenen Intensitaeten werden zur Loesung eines nichtlinearen Gleichungssystems, das die Signalbildungsmodelle fuer die Rueckstreumessstrecken enthaelt, benutzt.The invention relates to a method for the radiometric determination of material parameters in Schuettguetern, in particular for determining the content of one or more components of two- or Mehrkomponentenschuettguetern. A special application is the determination of ash content in coal. The material to be measured is irradiated with a cone-shaped collimated gamma or X-ray beam of low energy and the backscattered radiation is measured. The intensities measured in at least two different distances to the irradiation cone are used to solve a nonlinear system of equations, which contains the signal generation models for the backscatter measuring sections.

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur radiometrischen Bestimmung von Meßgutparametern in Schüttgütern, insbesondere zur Bestimmung des Gehaltes einer oder mehrerer Komponenten von Zwei- oder Mehrkomponentenschüttgütern. Ein spezieller Anwendungsfall ist die Aschegehdltsbestimmung in Kohle.The invention relates to a method for the radiometric determination of Meßgutparametern in bulk materials, in particular for determining the content of one or more components of two- or multi-component bulk materials. A special application is the determination of ash in coal.

Characteristic of the known technical solutions

Die radiometrische Gehaltsbestimmung an Schüttgütern wird mit unterschiedlichen Verfahren durchgeführt, z. 9. mittels Vorwärtsstreuung, Transmission oder Rückstreuung von Gamma- bzw. Röntgenstrahlung. Die Verfahren können einzeln oder in Kombination eingesetzt werden. Für die Bestimmung des Aschegehaites von Kohle wurden daraus verschiedene Meßtechniken entwickelt, die aber überwiegend mit Mangeln behaftet sind.The radiometric content determination on bulk materials is carried out using different methods, eg. 9. by forward scattering, transmission or backscatter of gamma or X-radiation. The methods can be used individually or in combination. For the determination of the ash content of coal, different measuring techniques have been developed, which, however, are mainly associated with shortages.

Wird beispielsweise niederenergetische Gammastrahlung zur Aschegehaltsbestimmung benutzt, ergibt sich die Notwendigkeit, Schütthöhen- bzw. Flächenmassekorrekturen durchzuführen. Dafür wird relativ harte Gammastrahlung (z. B. die des Cs-137 mit 661 keV) eingesetzt, was neben umfangreichen Strahlenschutz- und Abschirmmaßnahmen wegen des Comptonrückens der energiereicheren Strahlung auch zu Problemen bei der Registrierung der niederenergetischen Quanten führt.For example, if low-energy gamma radiation is used to determine the ash content, there is a need to carry out bed height or mass corrections. For this purpose, relatively hard gamma radiation (eg that of the Cs-137 with 661 keV) is used, which leads not only to extensive radiation protection and shielding because of Comptonrückens the higher-energy radiation also problems in the registration of low-energy quanta.

Ein Nachteil speziell bei der Aschegehaltsbestimmung auf der Grundlage der Transmission von Gammastrahlung ist die notwendige enge Kollimierung des Strahlenbündels, die eine geringe Repräsentanz der radiometrisch begutachteten Kohle bswirkt.A drawback, especially in the determination of ash content on the basis of the transmission of gamma radiation, is the necessary close collimation of the radiation beam, which has a low representation of the radiometrically examined coal.

Bei den meisten Vorrichtungen zur Durchführung der genannten Verfahren sind die Bestrahlungseinheit oder/und die Detektionreinheit unterhalb des Schüttgutes positioniert, so daß Messungen z. B. an Zug- oder LKW-Ladungen nicht oder nur mit großen Fehlern durchführbar sind.In most devices for carrying out the said method, the irradiation unit or / and the detection unit are positioned below the bulk material, so that measurements z. B. to train or truck loads are not feasible or only with large errors.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung ist die repräsentative radiometrische Gehaltsbestimmung an Schüttgut unabhängig von deren Transportart.The object of the invention is the representative radiometric determination of bulk solids regardless of their mode of transport.

Darlegung des Wesens der Erfindung οExplanation of the essence of the invention o

Der Erfindung liegt die A fgabe zugrunde, ein radiometrisches Verfahren anzugeben, das bei Verwendung nur niederenergetischer Ga ma- oder Röntgenstrahlung und Positionierung von Quelle und Detektoren gegenüber der freien Schüttgutoberfläche (d. . oberhalb von Bandstraßen, LKW- oder Güterwagenladeräumen) die Bestimmung des Gehaltes von Schüttgütern berührungslos, quasikontinuierlich und zerstörungsfrei ermöglicht.The invention has the A fgabe invention to provide a radiometric method using only low-energy Ga by mass or X-rays and positioning of source and detectors with respect to the free bulk material surface (i. E. Above strip mills, truck or freight wagon cargo spaces) to determine the level bulk, non-contact, quasi-continuous and nondestructive.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus der Bestrahlung des Meßgutes mit einem kegelförmig kollimierten Gamma- oder Röntgenstrahl niederer Energie und der Messung der aus dem Meßgut rückgestreuten Strahlung und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der rückgestreuten Strahlung in mindestens zwei unterschiedlichen Abständen zur Symmetrieachse des Bestrahlungskegels gemessen und die Meßwerte zur Lösung eines nichtlinearen Gleichungssystems, das die Signalbildungsmodelle für die einzelnen {meßgeometrisch unterschiedlichen) Rückstreumeßstrecken enthält, eingesetzt werden. Die Lösungen dieses Gleichungssystems erlauben je nach Anzahl der Meßstrecken die Angabe der Gehalte einer entsprechenden Anzahl von Komponenten, also z. B. des Aschegehaltes und weiterer Einflußgrößen in Kohle.The inventive method consists of irradiating the material to be measured with a conically collimated gamma or X-ray low energy and the measurement of the backscattered from the Meßgut radiation and is characterized in that the intensity of the backscattered radiation measured in at least two different distances from the axis of symmetry of the irradiation cone and the measured values are used to solve a non-linear system of equations which contains the signal-forming models for the individual backscattering measurements. The solutions of this system of equations allow, depending on the number of measuring sections, the specification of the contents of a corresponding number of components, ie, for. As the ash content and other factors in coal.

Zwar sind Aschegehaltsbestimmungen mittels Rückstreuung von Gammastrahlung, bei denen die rüchgesteuerte Strahlung mit zwei Detektoren erfaßt wird, bekannt (z. B. DD-WP 217029), doch können diese nur an nichtsättigungsdicken Schichten und bei einer von der Energie der Strahlungsquelle abhängigen Stellung der Detektoren zueinander realisiert werden. Da Strahlungsquelle und Detektoren unterhalb des Meßgutes angeordnet sind, treten z. B. bei Messungen an Transportbändern unerwünschte Bandeffekte auf. Das erfindungsgemäße Verfahron besitzt dagegen den Vorteil, daß Strahlungsquelle und Detektoren oberhalb des Schüttgutes positioniert sind und damit der radiometrische Einfluß der Darbietungsunterlage bei ausreichender Beladungshöhe weitestgehend zurückgedrängt wird. Dadurch sind Messungen möglich, die bisher nicht durchführbar waren, z. B. an LKW- oder Güterwagenladungen.Although ash content determinations by means of backscattering of gamma radiation in which the scavenging radiation is detected by two detectors are known (eg DD-WP 217029), these can only take place on unsaturation-thick layers and with a position of the detectors dependent on the energy of the radiation source be realized to each other. Since radiation source and detectors are arranged below the material to be measured, z. B. on measurements on conveyor belts undesirable band effects. The Verfahron invention, however, has the advantage that radiation source and detectors are positioned above the bulk material and thus the radiometric influence of performance presentation is largely suppressed at sufficient loading height. As a result, measurements are possible that were previously not feasible, z. B. on truck or freight car loads.

Die Durchführung des Verfahrens erfolgt z. B. in der We'se, daß das Meßgut von einer sich oberhalb des Schüttgutes befindlichen, kegelförmig kollimierten niederenergetischen Strahlungsquelle (z. B. Am-241 mit E₀ = 60keV) bestrahlt und die aus dem Meßgut austretende rückgestreute Gammastrahlung mittels mindestens zweier Detektoren, die ebenfalls oberhalb des Meßgutes, aber in voneinander verschiedenen Abständen zur Symmetrieachse des Bestrahlungskegels (oder zur Strahlungsquelle) angeordnet sind, gemessen wird. Bei einer Primärquantenenergie unterhalb 200 keV unterliegt der überwiegende Teil der registrierten Quanten nur einem einzigen Comptonstreuakt. Wenn der Bestrahlungskegel hinreichend schlank ist, existiert für jeden Detektor ein relativ enger dominanter Streuwinkelbereich für einfach gestreute Quanten mit einem relativ begrenzten charakteristischen Energiebereich. Zur Bestimmung der Gehalte der interessierenden Komponente werden die Meßergebnisse der Detektoren (in der Regel Zählraten) rechentechnisch verarbeitet. Dafür eignet sich besonders ein Mikrorechner mit einem Auswerteprogramm auf dem Prinzip eines Maximum-Likelihood-Schätzers. Zur matnematischen Beschreibung der Abhängigkeit der radiometrischen Zählergebnisse von den EinfluSgrößen (z. B. Aschegehalt zur Rohkohlequalitätsbestimmung und Bandbeladungshöhe zur transporttechnologischen Mengenermittlung) im Mittel werden Signalbildungsmodelle erstellt, die die Gesetze der einfachen Rückwärtsstreuung der Quantenstrahlung ^:m Streumedium einschließlich der Streuwinkel-Streuenergie-Beziehung („Quantentransportmodall"), die realisierten Bestrahlungs-, Strahlführungs- und Detektionsgeometrien der radiometrischen Meßstrecken („Darbietungsmodell") und den durch Laborexperimente und Auswertung von Vollanalysedaten von Rohkohleproben ermittelten Zusammenhang zwischen Aschegehalt der geförderten Rohbraunkohle und ihrem (förderungstechnologisch bedingten) eingetragenen Nebengesteinanteil bekannter Stoffzusammensetzung („MeßgutmischungsmodeH") berücksichtigen. Die in Form nichtlinearer Gleichungen vorliegenden Signalbildungsmodelle für ti^:<j einzelnen meßgeometrisch unterschiedlichen Rückwärtsstreumeßstrecken eignen sich nicht unmittelbai ^₁ Schätzung der Einflußgrößen aus den radiometrischen Zählergebnissen, jedoch gelingt unter Bezug auf die näherungsweise Normalverteiltheit der Zufallsgröße radiometrisches Zählergebnis und Anwendung der aus der Wahrscheinlichkeitsrechnung bekannten Maximum-Likelihood-Methode die Formulierung des nichtlinearen Systems der Maximum-likelihood-Gleichungen, woraus die Einflußgrößen iterativ mit numerischen Verfahren rechentechnisch ermittelt und am Ende des Meßdatenauswertungstaktes zur Anzeige gebracht werden können.The implementation of the method takes place z. B. in the We'se that the material to be measured of a located above the bulk material, conically collimated low-energy radiation source (eg. Am-241 with E ₀ = 60keV) irradiated and emerging from the material to be measured backscattered gamma radiation by means of at least two detectors , which are also above the Meßgutes, but at mutually different distances to the axis of symmetry of the irradiation cone (or the radiation source) are arranged, is measured. At a primary quantum energy below 200 keV, the vast majority of the registered quantum is subject to only a single Compton scattering act. If the irradiation cone is sufficiently slender, there exists for each detector a relatively narrow dominant scattering angle range for singly scattered quanta having a relatively limited characteristic energy range. In order to determine the contents of the component of interest, the measurement results of the detectors (as a rule counting rates) are computationally processed. For this purpose, a microcomputer with an evaluation program on the principle of a maximum likelihood estimator is particularly suitable. For the mathematical description of the dependence of the radiometric counting results on the influence variables (eg ash content for raw coal quality determination and belt loading height for transport-technological quantity determination) on the average signal generation models are created, which the laws of simple backward scattering of the quantum radiation ^: m scattering medium including the scattering angle scattering energy relationship ( "Quantum transport modal"), the realized irradiation, beam guidance and detection geometries of the radiometric measurement sections ("performance model") and the relationship between ash content of the extracted raw lignite coal and its (technologically dependent) registered by-product fraction of known composition of matter determined by laboratory experiments and evaluation of full analysis data of raw coal samples ( The signal generation models in the form of nonlinear equations for ti ^: <j individual meßgeometrisch different Rückwärtsstreumeßstrecken not suitable unmittelbai ^ ₁ estimate of the predictors of the radiometric counting results, but known from probability theory maximum likelihood succeed with reference to the approximately normal distributed nature of the random variable radiometric counting and applying the formulation of the nonlinear system of the maximum-likelihood Equations, from which the predictors can be determined iteratively with numerical methods computationally and displayed at the end of the Meßdatenauswertungstaktes.

Die Anzahl der eingesetzten Detektoren ist von der Zahl der zu bestimmenden Komponenten abhängig. Beim Einsatz von zwei Detektoren kann z. B. neben der Beladungshöhe, die bei der radiometrischen Gehaltsbestimmung als Störgröße auftritt, der Gehalt einer Komponente im Meßgut bestimmt werden. In diesem Fall wird das Meßgut als Zweistoffsystem aufgefaßt. Durch Erhöhung der Anzahl der eingesetzten Detektoren kann der Einfluß weiterer Störgrößen, wie z. B. der schwankenden Schüttdichte, verringert werder, oder die Bestimmung weiterer interessierender Komponenten im Meßgut, z. B. des Eisengehaltes der Kohle, wird ermöglicht.The number of detectors used depends on the number of components to be determined. When using two detectors can z. B. in addition to the loading height, which occurs in the radiometric content determination as a disturbance, the content of a component in the material to be measured. In this case, the material to be measured is understood as a two-substance system. By increasing the number of detectors used, the influence of other disturbances such. As the fluctuating bulk density, werder decreased, or the determination of further components of interest in the material to be measured, for. As the iron content of the coal is possible.

embodiment Figure 1 shows schematically the measuring arrangement for determining the ash content of lignite coal, which on a Conveyor belt is conveyed, and Figure 2 shows the geometric relationships used in the signal forming function

werden.become.

Raw lignite 2 is conveyed on a conveyor belt 1 with a dumping height that fluctuates between about 15 cm and 40 cm. At a distance of about 60 cm above the conveyor belt 1 is a ²⁴¹ Am radiation source 3 in a collimator. 4

angebracht. In voneinander unterschiedlichen Abständen zu dieser Strahlungsquelle sind ebenfalls oberhalb desappropriate. In mutually different distances to this radiation source are also above the

Transport belt two scintillation detectors 5 and 6 arranged with amplifiers 7 and 8, analyzers 9 and 10 and

einem Mikrorechner 11 verbunden sind. Der Mikrorechner 11 zählt über die Dauer eines Meßtaktes die von den Analysatoren 9und 10 kommenden Signale und berechnet daraus den Aschegehalt der Kohle. Das Ergebnis wird auf einem Display 12dargestellt und auf einem Drucker 13 ausgegeben.a microcomputer 11 are connected. The microcomputer 11 counts over the duration of a measuring cycle the signals coming from the analyzers 9 and 10 and calculates therefrom the ash content of the coal. The result is displayed on a display 12 and output on a printer 13.

The count rates determined with the arrangement described are the initial values for the content determination of the searched Component ash. The calculation is carried out by means of nonlinear equations of signal generation models for

die beiden meßgeometrisch unterschiedlichen Rückwartsstreumeßstrecken. Untei Verwendung der in der Figur 2 gezeigtengeometrischen Beziehungen kann eine radiometrische Signalbildungsfunktion für die Rückwärtsstreuquantenanzahl aufgestelltwerden:the two Meßgeometrisch different Rückwartsstreumeßstrecken. Without the use of the geometric relationships shown in FIG. 2, a radiometric signal generation function for the backward scattering quant number can be established:

It means: N ₀ - primary quantum number of the point source during the count time

B - /(hd-hc:):B - / (hd-hc :):

P ₁ - mass attenuation coefficient for Compton scattering for the ρ-dependent sample to the primary radiation energy

μ₂ — totaler Massenschwächungskoeffizient der gesamten vom Miachungsparameter ρ abhängigen Probe gegenüber derμ ₂ - total mass attenuation coefficient of the total sample dependent on the permeant parameter ρ compared to

Primärstrahlungsenergie \ij — totaler Massenschwächungskoeffizient der gesamten vom Mischungsparameter ρ abhängigen Probe gegenüber derPrimary radiation energy \ ij - total mass attenuation coefficient of the total sample dependent on the mixing parameter ρ compared to

zur Schütthöhe h_c nach dem Comptongesetz berechneten Rückstreuquantenenergie M4 — Massenschwächungskoeffizient für Thomsonstreuung für dio vom Mischungsparameter ρ abhängige Probe zurbackscatter quantum energy M4 calculated for the bed height h _c according to the Compton law - mass attenuation coefficient for Thomson scattering for the sample dependent on the mixing parameter ρ

Primärstrahlungsenergie ο — Schüttdichte des MeßgutesPrimary radiation energy ο - Bulk density of the material to be measured

Der Maximum-Likelihood-Schätzer zur Schätzung der Einflußgrößen Mischungsparameter pi = ρ und Bandbeladungshöhe p₂ = h_c nutzt im vorliegenden Fa)Ie die Poisson- d. h. näherungsweise (yi, vVi)-Normalverteiltheit der radiometrischen Zählergebnisse yi (i = ,2) aus und siecht das Maximum der Maximum-Likelihood-FunktionThe maximum likelihood estimator for estimating the influencing variables mixing parameter pi = ρ and band loading height p ₂ = h _c exploits in the present case the Poisson-dh approximate (yi, vVi) -normal distribution of the radiometric counting results yi (i =, 2) and sicken the maximum of the maximum likelihood function

The non-linear equation system of the maximum-likelihood equations responsible for this is

2 u ii υπ tu j, = o i (Μ*' &' *') I^μ: ί 2 u ii υπ tu j, = oi (Μ * '&' * ') I ^μ : ί

= o i (Μ*' &' *) I^μ: ί - c = oi (Μ * '&' *) I ^μ : ί - c

-2 u ii υπ ,tu j, = o i (Μ*' &*) I -2 u ii υπ, tu j, = oi (Μ * '& *) I

cf.A.cf.A.

(^₁Jh)j * O(^ ₁ century) j * O

In the matrix notation, the first partial derivatives are obtained using the Jacobian matrix

"Ml QA V"Ml QA V

der Gewichtsmatrixthe weight matrix

und des Defektvektorsand the defect vector

das nichtlineare Gleichungssystem in der Formthe nonlinear system of equations in the form

(GJ)^TGd = 0 und die rechentechnisch abzuarbeitende Iterationsvorschrift für die Folge der Lösungsvektoren(GJ) ^T Gd = 0 and the iteration rule to be processed for the sequence of the solution vectors

p«v*"^T = (pi»*»,pJ»*»)p «v *" ^T = (pi »*», pJ »*»)

linearer Gleichungssysteme lautetlinear systems of equations

piv-M) ₌ pM _ ((GJM)T (GjM)J-I (GjMjTQoMpiv-M) ₌ pM _ ((GJM) T (GjM) JI (GjMjTQoM

mitv = 0,1,2,3,...mitv = 0,1,2,3, ...

Start vector, termination criteria and additional convergence accelerating measures are evaluated after evaluation of Computer experiments set. The algorithmic design of the iterative parameter estimation depends on the interaction of the calculation rules Evaluation of the signal-forming functions for the measuring sections with the subroutines for guiding an iteration

einschließlich Gleichungsauflösung und Abbruchkriterienaktion im Rahmen der problemabhängigen Konvergenzeigenschaftenab und berücksichtigt sowohl die rechentechnischen Bedingungen der Hard- und Softwarekomponenten des eingesetztenincluding equation resolution and abort criteria action as part of the problem-dependent convergence properties, and takes into account both the computational constraints of the hardware and software components employed

Microcomputers as well as the evaluation of band moving coal flows in transport technological units

notwendigen prozeßmeßtechnischen Echtzeitforderungen am Einsatzort.necessary real-time process measurement requirements on site.

Claims

1. A method for the radiometric Bef.immt Meßgutparametern in bulk materials, in particular for determining the content of one or more components of two- or multi-component bulk materials by irradiating the sample with a conically collimated gamma or X-ray low energy and the measurement of the backscattered from the Meßgut Radiation, characterized in that the intensity of the backscattered radiation is measured at at least two different distances from the axis of symmetry of the irradiation cone and the measured values are used to solve a nonlinear system of equations containing the signal generation models for the individual measuring geometrically different backscattering distances, whose solutions are the contents of one of the Number of measuring distances corresponding number of components result.

2. The method according to item 1, characterized in that the radiation source and detectors are positioned in Rückstreugeometrien against the free bulk material surface.