Таблица 1. Радиоизотопные способы и устройства для измерения объемной плотности и их недостатки

Принципиальная схема и принцип действия	Область применения	Недостатки
1. Поток 7- квантов протяженного источника 7 ослабляется материалом 2,находящимся на транспорте 5, и регистрируется детектором 3. Мягкое рассеянное в материале излучение поглощается экраном 4 [1]	Для определения объемной плотности материалов непосредственно в потоке на транспортере	Основная погрешность вносится за счет неравномерности насыпки материалов на транспортер. Низкая точность за счет отсутствия возможности разделения потока на конвейере, имеющего различную плотность, то есть для получения точных физических характеристик необходима предварительная сепарация потока
2.         Поток квантов от источника 5, помещенного в контейнер 1, проходит через материал 4 и регистрируется детекторами 2. каждый детектор при помощи коллиматора просматривает определенную область материала 4 по линии, соединяющей источник и детектор [2]	Для измерения параметров сыпучих материалов в потоке. При обработке информации от детекторов, выявляется функциональная связь между потоком квантов, ослабленного материалом и значением объемной плотности материалов. Способ позволяет снизить погрешность от влияния вибрации транспортера	Имеет неточность измерения характеристик вещества при одновременном нахождении на конвейерной ленте материала с различной плотностью и химическими свойствами и возможность измерения плотности только однокомпонентной среды.
Принципиальная схема и принцип действия	Область применения	Недостатки
3.         Кванты источника 1, рассеянные в материале 3, регистрируются детектором 4, расположенном за свинцовым экраном 5. детектор 2 регистрирует прошедшие через материал и рассеянные кванты [3]	Для контроля объемной плотности сыпучих материалов в потоке. Об объемной плотности исследуемого материала судят по соотношению регистрируемых потоков квантов	Регистрация квантов проводится за период времени 1с, что приводит к повышению случайной ошибки измерений
4.         Кванты коллимированного источника 1, рассеянные в материале 2, регистрируются детекторами 3 и 5. детектор 4 регистрирует кванты, прошедшие через материал. [4]	Для контроля объемной плотности сыпучих материалов в потоке. По соотношению потоков прямых и рассеянных квантов судят об определяемом параметре	Высокая суммарная относительная погрешность измерения плотности из-за повышенной статистической ошибки измерений
5.    Способ бесконтактного контроля состава твердых, жидких и газообразных сред путем их облучения ядерными излучениями и измерения интенсивности рассеянного исследуемой средой или прошедшего через нее излучения [5]	Для определения плотности вещества. С целью контроля состава n компонентных сред исследуемую среду облучают последовательно излучениями различных энергий или вида, и по измеренным значениям интенсивностей рассеянного и прямого излучения вычисляют содержание отдельных компонентов в исследуемой среде	Низкая точность и сложность измерений за счет необходимости применения нескольких источников излучения. Способ применим для единичных лабораторных измерений и не подходит в промышленных условиях длянепрерывных измерений плотностей

Все способы относятся к бесконтактным и основаны на свойстве ослабления интенсивности потока радиоактивного излучения исследуемым материалом в результате поглощения γ-квантов первичного излучения и выражается зависимостью:

,                                                        (1.6.)

где  – начальная интенсивность гамма-излучения; I – интенсивность гамма-излучения, прошедшего через слой измеряемой среды толщиной d и плотностью ;  – массовый коэффициент поглощения гамма-излучения [6].
Анализируя радиометрические методы для определения плотности и в частности объемной плотности сыпучих материалов, можно судить об их наибольшей эффективности и точности в сравнении с остальными методами и средствами измерений. Однако все эти способы обладают рядом схожих недостатков, заключающихся в следующем.
Способы подходят для однородных по составу сыпучих материалов с плотностями, отличающимися незначительно, и не подходит для грузопотоков со случайным непрерывным распределением плотности на конвейере. При этом обладают погрешностями измерений в связи с увеличением количества веществ в составе исследуемого объекта, имеющих сложную молекулярную структуру с заранее неизвестными плотностями и коэффициентами ослабления первичного излучения.
При анализе погрешностей измерений объемной плотности выявлено, что случайная составляющая погрешности измерений обусловлена в основном случайным характером процессов излучения, взаимодействия с контролируемой средой и регистрации квантов гамма-излучения. Для уменьшения погрешности до требуемого значения, при расчете необходимого объема накопленных при регистрации гамма-излучения данных, необходимо исходить только из информативной (полезной) составляющей сигналов блоков детектирования, а не из суммы полезного и фонового сигналов.
Случайные погрешности возникают также в результате многократного преобразования сигнала измерительной информации.
Систематическая составляющая погрешности измерений каналами прямого и рассеянного гамма-излучений обусловлена нелинейностью выходных сигналов блоков детектирования, вызванных неточностями при первичном градуировании физических характеристик контролируемых сред.
Систематические погрешности вызваны также рядом других факторов, влияющих на точность и стабильность градуировочных характеристик, в частности, старение элементов системы, дрейф электроники, изменение температуры окружающей среды, уменьшение интенсивности гамма-излучения и т. д.

В повседневной практике деятельности угольной шахты учет продукции ведется обычно по производительности магистрального конвейерного транспорта. Однако как показывает практика, наряду с полезным ископаемым к скипам угольной шахты поступает доля пустой породы, вследствие чего учет количества материала заданного качества не всегда точен и эффективен.

Промышленность пока не располагает номенклатурой приборов для точного учета полезного ископаемого непосредственно на ленточном конвейере с одновременным контролем его качества и соответствия товарному продукту, а имеющиеся отдельные методы измерения объемной плотности, массового расхода и показателей качества не обладают удовлетворяющей точностью и имеют основные относительные погрешности измерений, значительно превышающие допустимые пределы ±5-10 %.

В горном деле приходится иметь дело с особым, сложным классом величин, которые изменяются хаотично, не предсказуемо как в динамике, так и в абсолютных величинах. Изменение этих величин влечет за собой появление случайных процессов, сигнал о которых преобразуется первичным преобразователем радиоизотопной измерительной системы в непрерывную случайную функцию с высоким спектром частот, ее составляющих, в пределах 200-1000 Гц. В нашем случае задача затрудняется из-за ужесточенных условий эксплуатации измерительных систем, а также непредсказуемости изменения динамических диапазонов измерений. Например, на весоизмерительном комплексе угольной шахты массовый расход поступающего груза может колебаться в пределах от нескольких килограмм до нескольких тонн в секунду.

В связи с этим учет и оценку качества продукции горной отрасли при транспортировании ленточным конвейером целесообразно проводить с использованием радиоизотопного метода измерения объемной плотности, обеспечивающего возможностью бесконтактного контроля и селективного измерения объемных плотностей отдельных компонентов и оценки качества гетерогенного потока, простотой, надежностью и точностью измерений.

Из всех рассмотренных методов и средств измерений по точности и информативности следует отметить радиометрические или радиоизотопные методы.

С начала 50-х годов в России в различных отраслях промышленности, в основном в ужесточенных условиях эксплуатации, с успехом применяются радиоизотопные системы измерения и контроля. Как правило, это были простейшие системы контроля уровня, наличия веществ и материалов в емкостях, измерения плотности образцов материалов. И только в 90-х годах инженеры и ученые России обратили внимание, что этот надежный и долговечный в эксплуатации метод может быть при соответствующих условиях доведен до прецизионной системы измерений различных физических характеристик веществ и материалов. Особенно следует отметить успехи в исследованиях и вклад в разработки и внедрение в нефтетранспортную и нефтедобычную отрасли таких научных центров, как ЦНИИ РТК, ЦКТИ, ООО «Комплекс-ресурс», усилиями которых разработаны, прошли метрологические аттестации и внесены в реестр измерительных средств нефтяной промышленности автоматические системы измерения расхода и количества углеводородов, измерение микроконцентраций различных включений в транспортируемый поток углеводородов [2].

Данная работа использует существующие базовые разработки по радиометрии применительно к грузопотокам конвейерного транспорта шахт и подтверждает целесообразность использования радиометрического прибора для решения задач подземных горных работ. Поясним преимущества данного метода.

В гамма – радиометрии приходится иметь дело с источниками энергии большой мощности, что способствует извлечению достаточно большого количества информации и получению широкой информационной матрицы об измеряемом объекте.

Учитывая высокую энергетическую эффективность гамма-метода, можно провести измерения в наиболее короткий промежуток времени, который в нашем случае составляет несколько миллисекунд. При этом даже за такой малый промежуток времени при имеющихся энергоэффективности и быстродействии блока гамма-излучения (активность источника составляет 6,2 • 10⁹ Бк(имп/с)) можно ввести в поток огромное количество гамма – квантов и зарегистрировать на выходе значительное количество импульсов после взаимодействия с веществом, способных извлечь любую информацию об измеряемом объекте. Именно это обстоятельство позволяет повысить точность измерений в малом диапазоне.

Действительно, информационное поле параметров, которые можно раздельно или совместно анализировать на предмет выявления информативного параметра контроля – практически безгранично. РИИС по своей сущности – дискретная измерительная система, самостоятельно дискретизирующая функция измеряемого аргумента. Теоретически процесс измерения случайной величины начинается с дискретизацией и представления этой величины в виде ряда случайных чисел.

Вторичный преобразователь (ВП) радиоизотопной измерительной системы обрабатывает сложные массивы данных, вычисляя измеряемую величину, и имеет в составе микроконтроллер, имеющий большой информационный ресурс.

На базе вычислительных возможностей ЭВМ доказано, что, анализируя объемную плотность потока полезного ископаемого, как выходной показатель работы подземного добычного забоя, можно составить функционалы для безотносительной оценки качества ПИ, косвенной оценки уровня технологии добычи ПИ, дать характеристику работы персонала и очистного забоя в целом.

На базе информационного ресурса ЭВМ ВП возможно создание единой открытой информационной сети горного предприятия. Как общеизвестно, такая сеть может служить основой для иерархической системы комплексной автоматизации и контроля производственного процесса.

Вот основные причины целесообразности внедрения и эксплуатации радиоизотопного метода на подземном производстве ПИ.