(1)

справедливость, которой доказана теорией и практикой любых измерительных систем: для получения определенного количества информации q нужно затратить определенное количество энергии P.
Отсюда основной закон любого измерения может быть сформулирован: передача информации от одного объекта к другому, например, от объекта измерения измерительному устройству, может происходить только путем энергетического взаимодействия. При отсутствии обмена энергией между объектом и измерительным устройством, передача информации, а, следовательно, измерение – невозможно. Увеличение энергетического обмена дает возможность получения большего количества информации; при заданной величине энергии получение информации ограниченно. Для волновых методов это означает, что для большей точности результатов измерений многофазных потоков, нужно применять волновую энергию большей мощности. Так до сих пор и поступали, увеличивая мощности измерительных генераторов (в СВЧ, УВЧ, УЗ). Но мощные генераторы – это и дополнительные искажения и дополнительная стоимость, и неоправданная сложность аппаратуры. Обычные, применяемые в промышленности волновые приборы, имеют мощности генераторных систем около 300 Вт, а это мало. Суть предложения для повышения мощности измерений находится на стыке измерений и радиолокации. 
Для получения направленного луча при волновых методах (кроме жесткого электромагнитного излучения в радиоизотопном методе, где направленность обеспечивается коллиматором для γ-квантов) предлагается в ПП импульсного действия, не изменяя их конструкции, подавать напряжение питания на генератор в виде импульсов (также возможен вариант подключения излучающей антенны с коротким промежутком времени). Электрические колебания имеют вид, представленный на рис. 1 и состоят из коротких цугов колебаний, разделенных паузой.

Рисунок 1 – а) импульсы колебаний; б) модулирующая функция

Длительность τ составляет порядка микросекунд (10^-6 с) и следуют друг за другом с периодом порядка 10^-3 с. Следовательно, модулирующая функция этих колебаний имеет вид прямоугольных импульсов (рис. 1. б). Для получения такой модуляции на генератор подают напряжение, изображенное кривой на рисунке 1.б.
Физическая суть: вследствие большой «скважности»  средняя мощность генератора оказывается совсем небольшой, т.к. при τ=10^-6с, Т=10^-3 с и мощность в импульсе равна 300 кВт. Средняя мощность равна, соответственно,  Волновой прибор такой мощности на микросхемотехнике легко умещается в кармане.
Еще одно преимущество: для излучения и приема радиоволны, например, в УЗ-измерителях применяется одна и та же антенна (как в локаторах). Прием радиоволн, рассеянных потоком в трубопроводе, производится за время пауз работы передатчика. 
Чтобы мощные импульсы не вывели из строя чувствительный приемник, последний защищается специальным устройством, основной частью которого является газоразрядная трубка (устройство, подавляющее броски напряжения, которое «урезает» броски напряжения до заданного уровня [2, с. 64]). При попадании импульса передатчика в тракт приемника, в первые же моменты в трубке зажигается интенсивный газовый разряд, экранирующий приемник от попадания радиоволны. После окончания импульса передатчика разряд гаснет, и приемник оказывается соединенным с антенной.
Для определения направления по сечению трубопровода, антенна имеет соответствующее юстировочное устройство, и когда излучение попадает на какое-либо включение в потоке, отраженные и рассеянные радиоволны доходят обратно до антенны и регистрируются приемником.
Ясно, что для регистрации этих радиоволн нужно, чтобы к необходимому моменту времени передатчик уже закончил свою работу и именно поэтому предлагается очень короткие рабочие импульсы (импульсы для «накачки» энергии и для обнаружения и выделения информативного параметра). Для обнаружения местоположения «постороннего включения» в потоке подобно радиолокатору, определяют время, затраченное электромагнитной волной при движении до объекта и обратно. Для этого выход приемника присоединяют к таймеру или к вертикальным пластинам электронного осциллоскопа, а к горизонтальным его пластинам – пилообразное напряжение. Эту временную развертку синхронизируют с передатчиком.
Когда в приемник попадает импульс, возвратившийся от объекта, включается таймер или появляется импульс на осциллоскопе. Кроме того, в таймер, в приемник и на экране попадает еще слабый импульс от передатчика, который после демодуляции дает второй пик на экране вблизи погона развертки. Но на экране расстояние между двумя пиками l, скорость горизонтального движения луча v, то время, затраченное волной . С другой стороны, это же время , где R – расстояние до «включения», а с – скорость распространения электромагнитного импульса, совпадающего в газовой трубе с фазовой скоростью распространения радиоволны, поэтому , откуда измерив таймером расстояние между пиками, определяется расстояние до объекта (включения) R, то же – измеряя промежуток между пиками – по осциллоскопу.
Такой принцип модификации УЗ измерителя потока позволяет использовать его не только как измеритель физических параметров потока, но и как прибор для диагностики целостности самого трубопровода. Возможным стало это потому, что колебательный импульс огромной мощности возбуждает колебания стенок трубопровода, а место, где трубопровод имеет истончение коррозией, трещину или иной механический дефект, отвечает на эти вынужденные колебания своим частотным спектром (т.н. виброакустическая эмиссия). Мощные точки колебательных импульсов позволяют проконтролировать целостность трубопровода на несколько километров, что при прежней технике сделать было невозможно.
Информационный КПД измерений определяется отношением количества полученной информации к её предельному значению соответственно: .
Потеря информации при измерении: ; , где D – относительный диапазон измерения; γ_ш – приведенная погрешность прибора; х₂ – результат измерения.

Пронизывая поток (рисунок 1), фотоны (γ-кванты) регистрируются блоками БДИ_П, БДИ_ρ1  и БДИ_ρ2, т.е. как прямое, пронизывающее поток (регистрируется блоком БДИ_П как число импульсов  N₁, преобразуемое в напряжение постоянного тока = U₁) и рассеянное N₂ (регистрируется блоками БДИ_ρ1  и БДИ_ρ2, преобразуется в напряжение постоянного тока = U₁ и U₂ соответственно). Соотношение N₁ и N₂ дает информацию о плотности транспортируемого потока, и значение этой плотности может быть определено из предварительно отградуированной системы [2]. Обычно снимаются показания N₁ и N₂ для нескольких сотен измерений, где плотность, соответствующая  {N₁, N₂} определяется аналитическим (лабораторным путем); результаты измерений с помощью компьютера записываются в виде полинома n^ой степени и заносятся в однокристальную ЭВМ вторичного прибора как базовая градуировочная характеристика.

Рисунок 1 – Принципиальная схема измерения для построения имитационной модели радиоизотопного измерителя плотности нефти

Блок схема процесса приведена на рисунке 2. Генератор случайных чисел 1 генерирует цифровой поток, подчиняющийся статистике Вейбулла [3] и соответствующий прямому 2 и рассеянному 3 излучению с динамическими коэффициентами с и b, являющийся имитатором сигнала с блока детектирования. Сигнал поступает на вход блока детектирования c усилителем сигнала прямого 4 и рассеянного изучения 5. 
Сигнал с выхода детектора поступает на вход АЦП 6,7 и далее поступает на блок вычисления среднего 8, согласно формуле:

, (2.4)

где n – число элементов в Х последовательности значений; S – отсортированное значение в Х последовательности значений;  .

Рисунок 2.14 – Блок-схема имитационной математической модели выходного сигнала радиоизотопного измерителя плотности

Сигнал с выхода АЦП 6,7 поступает на блок вычисления стандартного отклонения и дисперсии. Вычисление выходного сигнала блока 9 осуществляется по следующим формулам:

, (2.5)

где μ – среднее, а n – число элементов в Х последовательности значений.

, (2.6)

где σ и σ² – стандартное отклонение и дисперсия соответственно.
Одновременно, сигнал с АЦП 6,7, поступает на блок 10 вычисления среднеквадратичного значения, согласно формуле, приведенной ниже:

, (2.7)

и на блок коррелятора выходных сигналов 11. Выходные сигналы с блока 8,9,10 и 11 передаются в блок сравнения 12, где определяется полезный сигнал о состоянии процесса и срабатывает тревога.
Цель моделирования – повышение точности измерений отдельных компонентов жидких многокомпонентных потоков за счет создания имитатора случайных чисел и проследить динамику процесса с предусмотрением сигнала аварии.
На рисунке 3 приведена виртуальная модель выходного сигнала в системе Labview.

Рисунок 3 – Компьютерная модель процесса в системе Labview

Функции «Slide» и «Slide2» изменяют амплитудное и временное положение сигналов, а световой индикатор «Boolean» позволяет наглядно детектировать сигналы, превышающие заданное значение амплитудного параметра. Так, например, при большом скоплении пузырей свободного газа в пункте контроля и учета нефтепродуктов, персонал незамедлительно получит световой сигнал от индикатора.
Результаты, полученные при моделировании, соответствуют результатам лабораторных испытаний, что доказывает адекватность разрабатываемой имитационной модели. Компьютерно-имитационное моделирование позволяет повысить точность измерений отдельных компонентов жидких многокомпонентных потоков за счет создания имитатора случайных чисел, а также проследить динамику процесса с предусмотрением сигнала аварии.

Таблица 1 – Производство карьерных автосамосвалов

Анализ последних исследований показывает значительный интерес к проблеме обоснования выбора наилучшей модели и позволяет выделить направления решений: определение рациональных сроков эксплуатации; формирование рациональных парков (по структуре, году выпуска и др.); выбор машины по условию обеспечения требуемой производительности при оптимизации затрат. Не перечисляя достоинств предложенных методов, отметим что они не позволяют ответить на вопрос «какими параметрами должна обладать машина для удовлетворения требований потребителя?». В лучшем случае результат достигается за счёт сравнения нескольких моделей машин из выпускаемых в настоящее время (с дискретными параметрами). Критериями выступают рациональное соотношение вместимостей кузова и ковша экскаватора, обеспечение требуемой производительности, достижения минимальных простоев и капитальных затрат с учетом пробега машин до списания и затрат на эксплуатацию машин. и др.

В качестве примера, с некоторыми упрощениями, можно выделить два подхода, применяющихся при выборе машины [1,5,6].

1. Цена на машину не является определяющей. Новый автосамосвал приобретается чаще по критерию высокой надежности узлов и репутации производителя.

2. Во втором случае приобретатель машины полагает, что более дешёвый автосамосвал выгоднее поменять через несколько лет на новый, и в целом затраты будут меньше при модернизации парка машин.

В обоих подходах сравниваются альтернативные варианты по целевой функции:

ΣК + ΣС → min,

где ΣК  и ΣС - суммарные капитальные и эксплуатационные расходы приобретателя.

Очевидно, что все слагаемые для сравнения будут индивидуальны для горного предприятия, учитывают конкретную статистическую информацию, плохо адаптированы под текущие и прогнозные изменения в потребности потребителя.

Для исключения влияния случайных факторов и доли неопределенности, при сравнения вариантов, используют такие дополнительные показатели, как удельные затраты на тонну перевозимого груза (руб/т), стоимость мото∙часа (в работе, обслуживании, эксплуатации), расход топлива и др.

Высокая стоимость автосамосвалов и эксплуатационных расходов, превышающих в два-три раза стоимость за срок службы, обязывает повышать эффективность эксплуатации. Эффективность достигается снижением простоев, сокращением затрат, повышением производительности машин и определяется во многом выбором модели машин (характеристиками, конструкцией, ценой). Такая задача возникает при проектировании транспортных работ, замены машин вследствие их старении и при изменении условий эксплуатации машин.

Существуют объективные сложности определения цены на автосамосвал. Точную цену назвать трудно. Она определяется многими факторами и затрагивает интересы производителя и продавца. Сегодня цена машины зависит от поставщика, договорных условий поставки, таможенного сбора, наличия и условий договора сервисного обслуживания и ещё рядом факторов, изменяющих цену приобретения до 30…40%. Для автосамосвалов БелАЗ удельная стоимость грузоподъёмности автосамосвала составляет от 5,0 до 9,0 тыс $ за тонну, для КАТ – 13…18.

В последнее время наблюдалась тенденция стабилизации, и даже сближения цены на аналогичные машины Беларусского завода и зарубежного производства для отечественного потребителя, вызванная высокой конкуренцией и развитием служб сервисного обслуживания. Также положительными факторами являются повышения показателей надежности, более полный учёт условий эксплуатации при поставке, повсеместного применения систем автоматизации контроля узлов машин и улучшения организации транспортных работ.

По современным требованиям транспортной логистики задача выбора модели и производителя автосамосвала должна решаться на обеспечении соответствия характеристик машины и требований заказчика.

Выбор модели автосамосвала можно произвести по абсолютной величине транспортных услуг ТРАН (размерность – т∙км³/ч²), учитывающую массу перевозимого груза, длину транспортирования и квадрат скорости [ 4 ]. Однако наиболее полно учитывает эффективность эксплуатации транспортной машины показатель эффективности транспортной работы ЭТР [3,4], имеющий размерность т²∙км⁴/ч⁴. С его применением можно учитывать изменения горно-технических условий и экономическую ситуацию на горных работах и требования заказчика при оказании транспортных услуг:
А_тр - транспортную работу; N -требуемую мощность (и следовательно затрачиваемую энергию на выполнение транспортной работы); υ - скорость доставки горной массы (рис.1).

Показатель ЭТР достаточно просто учитывается в алгоритмах компьютерных программ при выполнении сравнительных расчетов с альтернативными моделями автосамосвалов, дополняет известные методики расчета [1,5,6] и отвечает современным требованиям транспортной логистики. Для одинаковых условий эксплуатации автосамосвалов приблизительного одинаковой группы грузоподъёмности расчётные значения ЭТР приведены в табл. 2.

Рисунок 1 – Графическое представление применения показателей транспортного потока для выбора модели автосамосвала: а – транспортная работа; б-требуемая мощность; в- затрачиваемая энергия на выполнение транспортной работы; г- эффективности транспортной работы ЭТР

Таблица 2 – Сравнение технических характеристик и показателя ЭТР

Показатель может быть применён при выборе модели автосамосвала и позволяет :

1. Проектным предприятиям и поставщикам техники полнее учитывать требования потребителя;

2. Выявить отсутствие нужных моделей в выпускаемой линейке по грузоподъёмности, вместимости кузова, мощности привода, скорости, тормозным характеристикам;

3. Учитывать изменение потребности в сырье и автосамосвалах при проектировании транспортных систем, в т.ч. с учётом развития горных работ;

4. Выполнять сравнение автомобильного транспорта с другими видами транспорта.

Рис.1. Проходческий комплекс в забое при добыче руды

1 – скребковый конвейер; 2 – перегружатель; 3 – самоходный вагон;

4 – бункер-перегружатель; 5 – проходческо-добычной комбайн

Основными особенностями и недостатками вагонов являются невозможность бункеризации руды в камере в случае остановки магистрального транспорта, зависимость производительности от расстояния доставки, а также наличие кабеля, ограничивающего длину транспортирования. 
Отличительная особенность работы рассматриваемого комплекса – наличие критического расстояния доставки, при превышении которого комбайн начинает простаивать в ожидании вагона, что существенно снижает производительность комплекса. Критическое расстояние доставки может быть получено из сравнения времени работы машин комплекса в течение одного транспортного цикла. Время работы бункера-перегружателя за цикл

A = t_з.п + t_р.п,                                                   (1)

где         t_з.п = G_бп/Q_к – время загрузки бункера-перегружателя комбайном, мин; G_бп – грузоподъемность бункера-перегружателя (вагона), т; Q_к – техническая производительность комбайна (по машинному времени), т/мин; t_р.п – время разгрузки бункера-перегружателя в самоходный вагон за цикл, мин.
Время работы вагона самосвала

B = t_з.в + t_д + t_р.в,                                                  (2)

где         t_з.в –         время загрузки вагона, мин; t_д = 2L/υ – суммарное время движения груженого и порожнего вагона, мин; L – расстояние доставки, м; υ – эквивалентная скорость движения вагона, м/мин; t_р.в – время разгрузки вагона, мин.
Эквивалентная скорость движения вагона

                                                 (3)

где υ_г , υ_п – средние скорости движения груженого и порожнего вагона, м/мин.
Приме время работы бункера-перегружателя и вагона в период разгрузки равными, поскольку количество выгружаемой руды и способ выгрузки (донным конвейером) одинаковы. Поэтому с точностью, достаточной для расчетов, можно принять t_р.п = t_р.в = t_р. Принимая далееt_з.в = t_р.п, получим

A = q/Q_к + t_р;    B = 2L/υ+ 2t_р.                               (4)

Если расстояние доставки L таково, что В < А, то вагон простаивает в ожидании окончания загрузки перегружателя комбайном. Если В > А, то простаивает комбайн, успевающий загрузить перегружатель до подхода вагона. Критическое расстояние доставки L_кp достигается при А = В:

.                                     (5)

Наибольшую производительность комплект обеспечивает при расстояниях доставки L < L_кp. Иначе говоря, эффективность работы комплекта будет повышаться с увеличением критического расстояния доставки. Из выражения (5) следует, что для этого необходимо увеличивать скорость движения вагона υ и грузоподъемность G_б.п бункера-перегружателя, а также уменьшать время его разгрузки t_р.
С учетом уравнений (4) техническая производительность комплекта (в тоннах в час) при расстоянии транспортирования L < L_кp и L > L_кp соответственно

                                        (6)

Из анализа работы комплекса и выражений (6) следует, что при L < L_кр производительность комплекса наибольшая и не зависит от расстояния доставки L; при L > L_кр производительность комплекса снижается с увеличением L. В общем случае техническая производительность комплекса меньше технической производительности комбайна на величину, определяемую простоем комбайна в период разгрузки бункера-перегружателя в вагон и зависимостью производительности комплекса от расстояния доставки L при L > L_кр.
Сменная производительность комплекса (в тоннах в смену) при заданном расстоянии доставки

 ,                                                            (7)

где  – коэффициент использования комплекcа в течение проходческой смены; t_п - время, затрачиваемое непосредственно на проходку, ч; t_см - длительность смены, ч.
Следовательно, сменная производительность комплекcа при L < L_кр и L > L_кр соответственно

                    (8)

Анализ уравнений (8) показывает, что в работе комплекса важную роль отведена бункеру-перегружателю и его основным показателям: грузоподъемности G_б.п, (т) и длительности разгрузки t_р (мин).
Решая систему уравнений (8), относительно грузоподъемности G_бп бункера-перегружателя, получим при L < L_кр и L > L_кр соответственно

   .                               (9)

Используя полученные зависимости, можно исследовать зависимость грузоподъемности бункера-перегружателя от других параметров комплекса. Например, считая сменную производительность комплекса постоянной, нетрудно убедиться, что расстояние доставки Lсущественно влияет на производительность комплекса: при L > L_кр производительность резко уменьшается и целесообразно принять расстояние доставки меньшее или равное L_кр. 
Грузоподъемность бункера-перегружателя зависит и от других параметров: сменной производительности комплекса, времени разгрузки самоходного вагона и бункера-перегружателя и определяется:

G_б.п .                                     (10)

Полученная зависимость показывает, что чем больше производительность комбайна в комплексе, тем больше должна быть грузоподъемность бункера-перегружателя.
Анализ формулы (10) показывает, что с увеличением скорости движения самоходного вагона требуемая грузоподъемность бункера-перегружателя снижается. Грузоподъемность бункера-перегружателя прямо пропорциональна времени разгрузки и расстоянию доставки: чем больше время разгрузки и расстояние доставки, тем больше должна быть грузоподъемность бункера-перегружателя.
Рассмотренная методика может быть применена и для других горно-транспортных комплексов применяющихся на открытых и подземных горных работах для определения требуемой производительности машин циклично-непрерывного действия входящих в комплекс или для определения вместимости и расположения накопительных емкостей (бункеров) в комбинированных транспортных схемах.

Наиболее перспективными на сегодня являются волновые методы контроля потоков, т.к. они не искажают структуры потока [1]. Среди прочих, особое место занимают радиоизотопные измерительные системы (РИИС), которые успешно прошли испытания, метрологические аттестации и внесены в реестр измерительных приборов для нефтяной промышленности – измеряют потоки на магистральных трубопроводах (расход, количество, фазовый и компонентный состав).

На базе Санкт-Петербургского Горного университета  разработаны научно-обоснованные, подтвержденные расчетами и экспериментами, правила и способы безопасной эксплуатации РИИС (конструкции, расчеты, геометрии, алгоритмы эксплуатации). Все компоненты, работающие под высоким напряжением, полностью изолированы внутри системы измерений. Измерительный прибор содержит блок гамма-излучения с измерительными целями, остаточное излучение полностью отсутствует. Единственная возможность подвергнуться опасному уровню радиоактивности при использовании измерительной системы – это поверхностное облучение при пребывании вблизи источника радиации. Так, при перезарядке источника 137Cs активностью до 18,5·1010 Бк без защиты доза облучения персонала не превышает 1,3·10-6 Кл/кг, что полностью устраивает требования ОСПОРБ-99 [2]. Выброс продуктов, которые могли бы проникнуть внутрь организма, полностью исключен.

Применяя РИИС мы можем получить информацию о:

• целостности трубопровода на значительной его протяженности;
• техническом состоянии трубопровода;
• содержании газа, воды и других компонентов в большом количестве нефти;
• сорте транспортируемой нефти;
• о содержании парафина,  откладывающегося на внутренние стенки трубопровода и т.д.

Особо стоит отметить, что обнаружение парафиновых отложений позволит своевременно применить меры по их удалению до возникновения аварийной ситуации, приводящей к ежегодным многомиллионным потерям для предприятий и загрязнению окружающей среды.

Разрабатываемый метод является корелляционным и обеспечивает целостность трубопровода, а также осуществляет диагностику по всей протяженности трубопроводов, находящихся на поверхности. Последнее доказывают проведенные испытания, результаты которых в общем виде записываются как взаимнокорелляционная и автокорелляционная функция, причем частота измерений каждого нового состояния потока равна 0,2 с:

Приведенные формулы указывают на тот факт, что прибор анализирует весь поток, а это означает, что измерения осуществляются не в одной точке, а на большой протяженности и за значительное время, тем самым обеспечивая достоверность результатов при использовании предлагаемой методики РИИС [3].