Александр Немаров
Охота на самородки

Введение

Поговорим о традиционной охоте. Например, об охоте на кабана с тепловизором.

Охота – это не просто занятие, это целая культура, уникальный способ взаимодействия с природой, который передается из поколения в поколение. В последние годы охота на кабана с использованием тепловизионного прицела стала настоящим прорывом в мире охоты, объединив традиционные навыки и современные технологии. Этот захватывающий опыт открывает новые горизонты и приносит невероятные эмоции.

Представьте себе: ночной лес, окутанный тишиной, лишь изредка нарушаемой звуками дикой природы. Вы находитесь в своем укрытии, ваш тепловизионный прицел настроен, и вы внимательно следите за окружающей средой. В отличие от традиционной охоты, где необходимы терпение и ловкость, использование тепловизора кардинально меняет правила игры. С помощью этого устройства вы можете увидеть тепловое излучение животных, даже если они находятся в густых зарослях или на значительном расстоянии. Это придает охоте новый уровень интеллекта и стратегии.

Кабан – это не просто дикая свинья; это символ силы и выносливости. Охота на него требует от охотника не только физической подготовки, но и глубокого понимания поведения животных. Используя тепловизионный прицел, охотник получает возможность изучать привычки кабанов в их естественной среде обитания, что делает охоту более осознанной и эффективной. Вы можете наблюдать, как кабаны ведут себя в ночное время, как они перемещаются по своему маршруту и какие источники пищи предпочитают. Эти знания позволяют охотнику принимать более обоснованные решения.

Кроме того, охота с тепловизионным прицелом способствует более гуманному подходу к процессу. Возможность точно определить местоположение животного и оценить его здоровье позволяет избежать случайных выстрелов и минимизировать страдания диких животных. Это подчеркивает ответственность охотника перед природой и важность соблюдения этических норм охоты.

Однако охота на кабана с тепловизионным прицелом – это не только технологический процесс. Это также возможность провести время наедине с природой, ощутить единение с окружающим миром. Каждый выезд в лес – это шанс отвлечься от повседневной суеты, насладиться красотой природы и, возможно, найти внутренний покой. В этом смысле охота становится настоящей медитацией, где каждое мгновение имеет значение.

В заключение, охота на кабана с тепловизионным прицелом – это увлекательное сочетание древнего искусства и современных технологий. Она открывает новые возможности для охотников, позволяет глубже понять природу и способствует более этичному подходу к охоте. Этот опыт дарит уникальные эмоции и незабываемые воспоминания, которые остаются с нами на всю жизнь. Охота – это не просто добыча, это путь, который мы проходим, и каждая охота – это новая история, полная приключений и открытий.

В этом рассказе слово «кабан» можно легко заменить на слово самородок золота (платины, серебра, меди и других подобных минералов) и рассказ почти не изменится. Единственное отличие – это то, что самородок не живой и не теплый.

Немного подправив абзацы с самородком, получим о такой же красивый восторженный рассказ.

В отличие от классической охоты, наша охота на самородки нацелена не только на крупные объекты, но и на объекты любого размера, включая мелкие, которые не привлекают внимание обычного охотника.

Наша применение тепловизоров также не традиционное.

Поговорим о традиционном применении тепловизоров.

Тепловизоры – это устройства, позволяющие обнаруживать и визуализировать инфракрасное излучение, которое объекты излучают в зависимости от их температуры и ряда сопутствующих параметров. Обычно тепловизоры применяются в таких областях, как оборонная промышленность, медицина и строительство для поиска тепловых утечек, обнаружения пожаров, поиска людей в бедственных ситуациях и других задач.

Однако, помимо традиционных областей применения, тепловизоры находят свое применение во многих нетрадиционных сферах деятельности. В данной книге рассмотрим несколько примеров нетрадиционного использования тепловизоров при сортировке породы и других подобных объектов. Рассмотрим потенциал такого применения и перспективы дальнейшего развития.

Приведем некоторое нетрадиционное использование тепловизоров при сортировке материалов по температуре и рядом сопутствующих теплофизических параметров:

При обработке породы в горнодобывающей промышленности, тепловизоры могут помочь идентифицировать породу разных температурных зон, что позволит проводить более эффективную сортировку и обработку породы.

Тепловизоры позволят обнаруживать включения (дефекты, примеси и т.п.) в породе на основе их тепловых характеристик. Это позволяет проводить более точную сортировку материалов и предотвращать возможные дефекты или несоответствия в качестве.

Тепловизоры могут быть полезны при определении пористости породы на основе различий в теплопроводности материала. Пористость породы важна для оценки ее физических свойств и качества, и использование тепловизоров может помочь проводить более точную классификацию материалов.

Тепловизоры могут быть использованы для сортировки материалов имеющих просто различную теплопроводность, теплоемкость и их совокупность. Например, горные породы имеют весьма широкий диапазон по теплопроводности. Например, алмаз имеет самую высокую тепловодность, а сопутствующие породы имеют весьма низкую теплопроводность.

Тепловизоры могут быть использованы для определения состава породы на основе их теплопроводности. Различные материалы имеют разные тепловые свойства, поэтому тепловизор может помочь идентифицировать породу с различными составами и помочь при их сортировке.

Тепловизоры могут использоваться для определения плотности породы на основе ее теплопроводности. Неплотные материалы будут иметь разные тепловые характеристики по сравнению с плотными материалами, что позволит проводить более точную сортировку и классификацию пород.

Тепловизоры могут быть использованы для оценки общего качества породы на основе ее тепловой проводимости. Отличия в тепловых характеристиках разных материалов могут указывать на потенциальные дефекты или качественные особенности породы, что поможет принять соответствующие меры. Например, алмазы существенно отличаются друг от друга по качеству, а это значительно влияет на их тепловые характеристики.

Тепловизоры могут быть использованы для обнаружения инклюзий, трещин и других дефектов в материалах на основе их тепловых свойств. Это поможет проводить более точную сортировку породы и исключить некачественные материалы из производственного процесса.

Тепловизоры могут быть использованы при геологических исследованиях и первичном нахождении ряда пород в месторождениях (самородки металлов, алмазы и т.п. породы).

Очевидно, что все вышеуказанные пункты применения тепловизоров некоторым образом пересекаются.

В данной работе будем в основном рассматривать распознавание материалов, имеющих большую теплопроводность по сравнению с менее теплопроводными.

Следует особо отметить, что различные погодные условия существенно влияют на измеряемые теплофизические характеристики. В данной работе покажем, как правильно измерять и интерпретировать полученные на тепловизоре теплофизические характеристики.

Таким образом, применение тепловизоров при сортировке породы с различными теплофизическими характеристиками может значительно улучшить процесс классификации материалов, обеспечить высокую точность и эффективность сортировки, а также помочь улучшить качество конечной продукции в различных областях горнодобывающей промышленности.

Рассмотрим известный способ применения тепловизионной техники при сортировке добытой породы.

Патент австралийцев

В качестве прототипа нами было выбрано наилучшее техническое решение последних десятилетий по использованию тепловизионной техники в сортировке породы— патенты австралийской компании (TECHNOLOGICAL RESOURCES PTY. LIMITED) на способ «Сортировка добытой породы». Данная компания зафиксировала свое техническое решение в России (патент РФ № 2401166), в США (патент US № 8820533) и в международное заявке в 150 странах (WO 2008/046136 Al). Способ имеет 18 пунктов формулы изобретения, которые следует привести:

«1. Способ сортировки добытой породы, такой как добытая руда, перед последующей обработкой, с целью извлечения из этой добытой породы ценных материалов, таких как ценные металлы, включающий следующие стадии;

(a) измельчение частиц добытой породы и разделение частиц по меньшей мере на грубую фракцию и мелкую фракцию на основании размера частиц;

(b) воздействие на грубую фракцию частиц, полученную на стадии (а), некоторого вида нагрева с последующим анализом посредством термического формирования изображений и идентификацией частиц, содержащих ценный материал; и

(c) разделение грубой фракции на (i) частицы, содержащие, по результатам анализа посредством термического формирования изображений, ценный материал, и (ii) частицы, относительно непродуктивные с точки зрения содержания ценного материала.

2. Способ по п.1, включающий стадию обработки содержащих ценный материал частиц, полученных на стадии (с), с целью извлечения из этих частиц ценного материала.

3. Способ по п.1, включающий стадию обработки мелкой фракции частиц, полученной на стадии (а), с целью извлечения из этих частиц ценного материала.

4. Способ по п.1, включающий стадию дополнительного измельчения ценных частиц, полученных на стадии (с).

5. Способ по п.1, включающий стадии осуществления в отношении мелкой фракции частиц, полученной на стадии (а), анализа посредством термического формирования изображений, идентификации частиц, содержащих ценный материал, и разделения мелкой фракции на (i) частицы, содержащие, по результатам анализа посредством термического формирования изображений, ценный материал, и (ii) частицы, относительно непродуктивные с точки зрения содержания ценного материала.

6. Способ по п.5, включающий дополнительную обработку частиц, содержащих ценный материал, с целью извлечения из этих частиц ценного материала.

7. Способ п.1, в котором стадия (b) включает воздействие на частицы грубой фракции СВЧ-излучением с целью нагрева этих частиц, в особенности тогда, когда ценный материал и другие материалы в составе добытой породы обладают разной восприимчивостью энергии СВЧ-излучения и, следовательно, по-разному нагреваются.

8. Способ по п.1, в котором стадия (а) включает использование СВЧ-излучения для измельчения частиц добытой породы с получением грубой фракции и мелкой фракции.

9. Способ по п.8, в котором стадия (а) включает использование импульсного СВЧ-излучения для измельчения частиц добытой породы.

10. Способ по п.8, в котором стадия (а) включает использование импульсного СВЧ-излучения высокой энергии для измельчения частиц добытой породы.

11. Способ по п.9, в котором энергия СВЧ-излучения составляет по меньшей мере 20 кВт.

12. Способ по п.9, в котором стадия (а) включает использование импульсного СВЧ излучения высокой энергии для измельчения частиц добытой породы и нагрева частиц по меньшей мере грубой фракции до температуры, пригодной для осуществления на стадии (b) анализа посредством термического формирования изображений.

13. Способ по п.9, в котором импульсное СВЧ-излучение включает импульсы длительностью менее 0,1 с.

14. Способ по п.13, в котором длительность импульса составляет менее 0,01с.

15. Способ по п.9, в котором отрезок времени между импульсами составляет 10-20 величин длительности импульса.

16. Способ по п.1, включающий осуществляемую перед стадией (а) стадию дробления добытой породы до такого распределения частиц по размерам, при котором больший размер частиц составляет менее 100 мм.

17. Способ по п.1, в котором добытая порода имеет вид руды, в которой ценный материал присутствует в виде металла, который присутствует в виде сульфида.

18. Способ извлечения ценных материалов, таких как ценные металлы, из добытой породы, такой как добытая руда, включающий сортировку добытой породы в соответствии со способом по любому из предшествующих пунктов, и последующую обработку мелкой фракции, полученной на стадии (а), и/или других частиц, содержащих ценный материал, и извлечение ценного материала.»

Кроме того, в патенте австралийцев приведены графические материалы фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3, показывающие технологическую схему выполнения заявляемого способа сортировки добытой породы.

Разработчики рассматриваемого технического решения предлагают утилизировать холодные куски породы, что не всегда оправдано, поскольку в некоторых случаях именно они могут содержать ценные компоненты.

Сортировка породы по температуре, то есть отбор холодных компонентов, может быть более выгодным способом извлечения ценных материалов по нескольким причинам.

Во-первых, нагрев породы требует значительных энергозатрат, особенно при работе с большими объемами материала. Для передачи тепла в массивный объем породы требуется много энергии, что делает этот процесс дорогостоящим и неэффективным с точки зрения извлечения ценных компонентов.

Во-вторых, неравномерный нагрев кусков породы может привести к неравномерному извлечению ценных компонентов и снижению качества продукции. Более мелкие или плотные куски могут нагреваться неравномерно, что создает риск потери ценных свойств и ухудшения качества.

Кроме того, нагрев породы может негативно сказаться на качестве ценных компонентов, особенно если они имеют низкую температуру плавления или испарения. Повышение температуры может привести к потере ценных свойств, что, в свою очередь, повлияет на качество и стоимость продукции.

Также стоит учитывать, что при нагреве возможно выделение летучих ядовитых веществ и других нежелательных компонентов из ценной породы и сопутствующей. Использование высоких температур для нагрева породы может привести к выбросам вредных веществ и загрязнению окружающей среды. Сортировка породы по холодным ценным компонентам может стать более экологически чистым и устойчивым способом извлечения ценных материалов.

Таким образом, сортировка породы по отбору холодных ценных компонентов может обеспечить экономическую эффективность, высокое качество продукции, улучшение условий труда и снижение негативного воздействия на окружающую среду по сравнению с нагревом породы для отбора ценных компонентов.

Наши технические решения и патенты

В большинстве случаев, очевидно, что ряд ценных пород (самородки металлов, алмазы и тому подобные полезные ископаемые) легче охладить, нежели нагреть. Исходя из этого были разработаны следующие технические решения: «Способ сортировки породы (варианты)» (патент РФ № 2617797) и «Способ сортировки породы» (патент РФ № 2675807).

Приведем формулу изобретения «Способ сортировки породы (варианты)».

1. Способ сортировки породы, включающий измельчение добытой руды, разделение частиц на фракции по крупности, воздействие на фракцию частиц некоторого вида физического воздействия с последующим анализом посредством формирования изображений и идентификации частиц, содержащих ценный материал, и отделение из фракции частиц, содержащих по результатам анализа посредством формирования изображений ценный материал, отличающийся тем, что перед анализом посредством формирования изображений и в процессе идентификации частиц фракцию подвергают некоторому виду охлаждения и осуществляют регистрацию распределений температуры в виде инфракрасных изображений, а отделение ценного материала из фракции частиц проводят по теплофизическим характеристикам минералов, зафиксированным на инфракрасных изображениях.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регистрацию распределений температуры в виде инфракрасных изображений осуществляют в диапазоне от 0,74 до 14 мкм длин электромагнитных волн.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлаждение фракции частиц осуществляют потоком охлажденного газа, пара, тумана или газовым потоком, содержащим любые охлажденные частицы, например снег/лед и тому подобные частицы.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлаждение анализируемой фракции частиц осуществляют со стороны подложки или конвейера.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регистрацию распределений температуры в виде инфракрасных изображений осуществляют с помощью тепловизора.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности контраста или цвета на инфракрасных изображениях ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности температур ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности скорости охлаждения ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности теплоемкостей ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности теплопроводностей ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности теплоемкостей и теплопроводностей ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отделение ценных минералов от минералов пустой породы осуществляют по разности распознанных геометрических изображений ценных минералов и минералов пустой породы исполнительным механизмом.

13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слой фракции одновременно подвергают охлаждению с одной стороны и нагреву с другой стороны.

Из данной формулы видно, что охлаждение или одномоментные нагрев и охлаждение более оптимальная технология сортировки породы.

Охлаждение или одномоментный нагрев и охлаждение породы могут предоставить ряд преимуществ для более точной и полной сортировки кусков породы по теплофизическим свойствам:

Охлаждение или нагрев и последующее охлаждение породы позволяет изменить ее теплофизические свойства, вызывая различия в температуре различных компонентов. Это может облегчить сортировку механизмом, основанным на различии в температуре компонентов. Следует особо отметить, что разность температур при технологии будет наибольшей, что будет способствовать более четкому распознаванию ценного компонента породы и его отсечки от пустой породы.

Охлаждение или нагрев и охлаждение породы в одном этапе позволяет уменьшить влияние смежных компонентов друг на друга. После того как компоненты были разделены по температуре, их взаимное воздействие будет минимальным, что упрощает процесс сортировки.

Оптимальная температура для различных компонентов породы может различаться и их подогрев или охлаждение по отдельности позволяет точно настроить температурные условия для разделения компонентов. Это повышает избирательность сортировки и точность разделения компонентов.

Одномоментный нагрев и охлаждение позволяет сократить время, затрачиваемое на сортировку породы, увеличивая производительность процесса и снижая энергозатраты на подогрев и охлаждение материала.

Таким образом, охлаждение или одномоментный нагрев и охлаждение породы способствуют более точной и полной сортировке кусков породы по теплофизическим свойствам, благодаря улучшенной раздельности компонентов, уменьшению влияния смежных компонентов, избирательности разделения и увеличению эффективности процесса.

Кроме того, в описании способов приведены технологические схемы, показывающие, что ценным компонентом может как охлажденные, так и нагретые куски породы:

Приведем некоторые термограммы, представленные в наших патентах.

На рис.1 показаны фотографии частиц: речная галька 2 и медные частицы 1 со средним размером 1,5 см. Галька и медные частицы располагались на алюминиевой подложке и охлаждались воздухом с температурой 22-25°C вентилятором для имитации естественных условий. При начальной температуре образцов 37°C через 10 секунд средняя температура речной гальки снизилась до 36,6°C средняя температура подложки составила 35°C, а средняя температура медных частиц снизилась до 28°C. В цветной палитре работы тепловизора разница в цветах и их яркости у частиц, имеющих температурную разницу после охлаждения, существенна: галька 2 -красная, а медные 1 – сине-голубые.

Рисунок 1. Галька (красная) и медные (голубые) частицы.

Брались две одинаковые по весу навески, изображенные на рис.2, в стеклянных круглых банках с низкими бортами, расположенные на алюминиевой подложке. Навеска алмазов крупностью от 0,6 до 0,8 мм на термограмме выглядела темно-синей, а навеска безалмазного материала минералов кимберлитовой трубки той же крупности на термограмме выглядела светло-синей. Для имитации естественных условий при температуре навесок 37°C они обдувались легким потоком воздуха с температурой 22-25°C из вентилятора. Через 3 секунды установилась разность температур. Средняя температура безалмазного материала стала 34,2°C, а средняя температура алмазной навески 33°C. При работе тепловизора в цветной шкале температуры изображения навесок будут отличаться цветами. Разумеется, данная разность температур определяется различной теплопроводностью и теплоемкостью безалмазного материала и алмазов, а ее небольшая величина объясняется тем, что у навесок алмазов и безалмазного материала имеются воздушные прослойки, которые влияют на их охлаждение и разность температур. Такая разность температур безалмазного материала и алмазов наблюдалась с помощью тепловизора марки Testo 885-2 многократно, более десяти раз.

Рисунок 2. Безалмазный кимберлитовый песок мелкие алмазы.

Приведенные эксперименты по охлаждению и нагреву компонентов породы с различной теплопроводностью и теплоемкостью проводились не оптимальным образом. Дальнейшие эксперименты показали, что разность температур ценного компонента породы по сравнению с пустой породой можно увеличить значительно на десятки градусов Цельсия.

Термограммы в комнатных условиях

Бриллианты

Если в комнатных условиях отсутствуют явные источники тепла и холода, то температуры объектов в помещении будут примерно одинаковыми из-за ряда факторов:

В помещении происходит теплообмен между объектами и окружающей средой. В отсутствие явных источников тепла и холода, теплоизлучение и конвекция будут стремиться к равновесию, что приведет к сравнительно одинаковым температурам объектов.

Если объекты сделаны из материалов с похожей теплопроводностью, то тепло будет равномерно распределяться между ними. Это также способствует снижению разницы в температурах объектов. Но даже объекты с большой разницей в теплопроводности в конечном итоге при комнатных условиях станут близкими по температуре.

Согласно закону сохранения энергии, в отсутствие внешних источников тепла или холода, суммарное количество тепла в системе будет постоянным. Поэтому температуры объектов будут стремиться к установлению равновесия и близки друг к другу.

В отсутствие источников тепла и холода, а также воздействия внешних факторов, таких как солнечное излучение, ветер или приток свежего воздуха, нет причин для изменения температуры объектов.

Таким образом, если в комнатных условиях отсутствуют явные источники тепла и холода, то температуры объектов в помещении будут практически не отличаться друг от друга из-за равновесия теплообмена с окружающей средой, закона сохранения энергии и отсутствия внешних факторов, способных изменить температуру в помещении.

В комнатных условиях проводился эксперимент, в котором два золотых кольца с бриллиантами (рисунок 3) обдувались вентилятором Tidar, работающим от постоянного тока на 12В, 0,28А с размерами 120х120 мм и толщиной 25 мм, мощностью – 3,36 Вт, скоростью вращения – 2200 об/мин, производительностью – 2,26 м³/мин. Инфракрасная картинка создавалась тепловизором Testo 875. На термограмме (рисунок 3) видим, что температура бриллиантов под потоком воздуха из вентилятора снизилась до 20,6 оС, а максимальная температура 29 оС была у решетки вентилятора. На рисунке 4 показан температурный профиль Р1 проходящий по термограмме (рисунок 3). Данный эксперимент показывает, что алмазы, имеющие большую теплопроводность, хорошо охлаждаются и приобретают наименьшую температуру в области обдува вентилятором. В последующих экспериментах в комнатных условиях использовался тепловизор Testo 875.

Рисунок 3. Золотые кольца с бриллиантами, обдуваемые в комнатных условиях вентилятором.

Рисунок 4. Температурный профиль P1 по термограмме, показанной на рисунке 3.

Бриллианты и фианиты

В следующем эксперименте были сняты в инфракрасном спектре фианиты и бриллиант (рисунок 5) при естественном слабом конвективном потоке воздуха. На рисунке 6 показан температурный профиль Р1 термограммы (рисунок 5). По данной термической картинке видно, что бриллиант имеет наименьшую температуру по сравнению с фианитами, а также не однороден по температуре. Любой фианит имеет практически одну и туже температуру по всему его объему и поверхности.

Рисунок 5. Фианиты и бриллиант.

Рисунок 6. Температурный профиль Р1 по термограмме, показанной на рисунке 5.

Проведенные эксперименты показали, что в комнатных условиях надо применять более радикальное охлаждение или одновременный нагрев и охлаждение, чтобы получать существенное отличие температур изучаемых объектов.

Медные цилиндры

Термограмма двух медных цилиндров, лежащих на подоконнике и обдуваемых уличным воздухом из приоткрытого окна, представлена на рисунке 7. На рисунке 8 представлен температурный профиль Р1 термограммы (рисунок 7). Данный эксперимент показывает, что медь, имеющая значительную теплопроводность (394 Вт/(м·К), также хорошо охлаждается и приобретает наименьшую температуру в определенных местах своей поверхности.

Рисунок 7. Термограмма двух медных цилиндров.

Рисунок 8. Температурный профиль Р1 по термограмме, показанной на рисунке 7.

Фианиты и бриллианты на элементе Пельтье

В последующих экспериментах был выбран одновременный нагрев и охлаждение. Нагрев осуществлялся элементом Пельтье, охлаждение с помощью вентилятора Tidar. На рисунке 9 показана термограмма бриллианта (0,2 карата), лежащего на разогретом до 84,7 оС элементе Пельтье и охлаждаемого потоком комнатного воздуха (температура 22 оС) из вентилятора. Разница максимальной температуры подложки и минимальной бриллианта в данном случае составляет более 45 оС.

На рисунке 10 показан температурный профиль Р1 термограммы (рисунок 9). Из данного эксперимента можно заключить, что алмаз, обладающий высокой теплопроводностью и лежащий на значительно разогретой поверхности, можно охладить слабым воздушным потоком на десятки градусов Цельсия ниже этой поверхности. Отметим также, что бриллиант имеет неодинаковую температуру по его поверхности. Это объясняется тем, что бриллиант имеет ряд различных включений и дислокаций кристалла. Практически более 90% природных алмазов имеют примеси азота. Кроме того, у природных алмазов можно обнаружить графитовые прожилки и включения почти всех элементов таблицы Менделеева. Все эти примеси и дислокации кристалла существенно влияют на теплопроводность, что и определяет неравномерное распределение температуры по объему углеродного кристалла. По температурному профилю Р1 (рисунок 10) термограммы (рисунок 9) видно, что температура некоторых участков бриллианта отличается от других на более три десятка градусов Цельсия.

Рисунок 9. Термограмма бриллианта, лежащего на элементе Пельтье и охлаждаемого вентилятором

Рисунок 10. Температурный профиль Р1 по термограмме, показанной на рисунке 9.

Во втором эксперименте по одновременному нагреву на элементе Пельтье и охлаждению с помощью вентилятора Tidar, использовался близкий по крупности и огранки к вышеприведенному бриллианту фианит (диоксид циркония ZrO₂). В результате такого теплофизического воздействия была получена термограмма (рисунок 11), из которой видно, что фианит приобретает почти одноцветную окраску в выбранной палитре представления ИК-картинки. Данная почти одноцветность фианита показывает, что температура по его объему находится в узком диапазоне значений.

Температурный профиль Р1, проведенный по термограмме (рисунок 11) и показанный на рисунке 12, подтверждает вывод о том, что такое воздействие на фианит приводит к температуре в точках его объема, распределенной в узком диапазоне.

Такой теплофизический эксперимент с фианитом приводит его к более высокой температуре по сравнению с бриллиантом в предыдущем эксперименте.

Рисунок 11. Термограмма фианита, лежащего на элементе Пельтье.

Рисунок 12. Температурный профиль Р1 по термограмме, показанной на рисунке11.

Исходя из двух предыдущих был сделан третий эксперимент, в котором одномоментный нагрев на элементе Пельтье и охлаждение вентилятором Tidar проводились одновременно для бриллианта и фианита. В результате эксперимента была получена термограмма (рисунок 13). Данная термограмма по диапазону температур и по цветовой окраске практически полностью совпадает с предыдущими экспериментами с одиночными камнями.

Температурный профиль Р1 (рисунок 14) термограммы (рисунок 13) по конфигурации графически: во-первых, является некоторым зеркальным отражением температурного профиля Р1 (рисунок 10) термограммы бриллианта (рисунок 9) и температуры практически те же, во-вторых, температурный профиль у фианита близок к температурному профилю, когда производилась съемка только одного фианита (рисунок 11).

Проделанные эксперименты с бриллиантом и фианитом показывают, что одновременный нагрев и охлаждения дают существенную повторяемость полученных конечных параметров ИК-картинки. Алмаз, обладающий во много раз большей теплопроводностью, при таком нагреве и охлаждении всегда оказывается значительно более холодным. Очевидно, что если таким образом путем одновременного нагрева и охлаждения сравним алмаз с другими минералами (не металлы), то алмаз также окажется с минимальной температурой или с максимальной температурой.

Также отметим, что удельная теплоемкость фианита 400 Дж/(кг·К), а у алмаза – 502 Дж/ (кг·К), но у фианита почти в два раза большая плотность, которая не способствует более лучшему охлаждению его по сравнению с алмазом (бриллиантом). Крупность камней была одинаковая, т.е. их объем,форма, огранка и т.п.

Окончательно можно сказать, что в данном охлаждении и нагреве главную роль сыграли одинаковая крупность, теплопроводность и плотность камней.

Рисунок 13. Термограмма фианита и бриллианта, лежащих на элементе Пельтье.

Рисунок 14. Температурный профиль Р1 по термограмме, показанной на рисунке 13.

Медные частицы и галька

Далее будут приведены эксперименты с металлами и алмазами при некоторых комнатных условиях, когда производиться только охлаждение с помощью обдува воздухом.

Медные частицы и галька располагались на бумажной подложке в комнатных условиях и обдувались вентилятором Tidar. Была произведена съемка тепловизором Testo 875 и была получена термограмма (рисунок 15). В результате медные частицы (голубые) оказались более охлажденными по сравнению с галькой (красно-оранжевая) и бумагой (желтая). На рисунке 16 показаны медные частицы и галька в видимом диапазоне электромагнитных волн.

Эксперимент показал, что даже простой обдув с помощью вентилятора приводит к четкому визуальному разделению теплопроводных частиц меди от менее теплопроводных частиц гальки. Следует сказать, что уже такая разница в температурах позволит эффективно сортировать какую-либо породу.

Рисунок 15. Термограмма гальки (красно-оранжевая) и медных частиц (голубые), лежащих на бумажной подложке (желтая) и обдуваемых вентилятором.

Рисунок 16. Галька и медные частицы в видимом диапазоне электромагнитных волн, термограмма которых показана на рисунке 15.

Золотое кольцо и кимберлитовый песок

Проводился эксперимент на подоконнике, на котором лежала чашка Петри с кимберлитовым песком, галькой и утопленным в песок золотым кольцом с бриллиантом. Бриллиант был немного выше (1 мм) поверхности кимберлитового песка. В результате обдува вентилятором Tidar холодным воздухом (-10 оС) из окна средняя температура бриллианта стала около -9 оС, а все остальные минеральные частицы были с более высокой температурой. Данный эксперимент показал, что значительное охлаждение дает более четкое визуальное выделения теплопроводного объекта на ИК-картинке.

Рисунок 17. Термограмма стеклянной чашки с кимберлитовым песком, галькой и утопленным в песок золотым кольцом с бриллиантом, обдуваемые вентилятором холодным воздухом из окна.

Кварцевый песок и алмазный песок

В эксперименте две одинаковые (близкие по объему) навески кварцевого песка (0,5 мм) и мелких алмазов (0,5 мм) располагались тонкими слоями на подоконнике (рисунок 19) и обдувались вялым потоком воздуха (11 оС) из окна с улицы. Производилась съемка тепловизором Testo 875. Была получена термограмма (рисунок 18).

Полученная ИК-картинка показывает, что алмазная навеска охладилась до 13,5 оС и явно отличается в представленной палитре: алмазы – фиолетово синие, а подоконник и кварцевый песок – оранжево-красные.

Алмазный песок, не смотря на наличие воздушных прослоек в нём, характеризуется более высокой теплопроводностью по сравнению с кварцевым песком. Воздушные прослойки между частиц алмазного песка снижают теплопроводность, но не на столько, чтобы теплопроводность алмазного песка стала близкой к теплопроводности кварцевого песка и подоконника.

Поскольку алмазный песок обладает высокой теплопроводностью, он быстрее и эффективнее отводит тепло при обдуве воздухом, чем кварцевый песок и подоконник.

Это приводит к более сильному охлаждению алмазного песка и, следовательно, к его минимальной температуре в 13,5°C.

Кварцевый песок и подоконник обладают более низкой теплопроводностью по сравнению с алмазным песком.

Из-за более низкой теплопроводности, кварцевый песок и подоконник менее эффективно отводят тепло при обдуве потоком воздуха.

Это приводит к меньшему изменению их температур, чем у алмазного песка, и к более высокой температуре в 19,5°C.

Таким образом, разные теплофизические свойства материалов (теплопроводность) приводят к различиям в изменении температуры объектов при обдуве потоком воздуха. Результирующие температуры объясняются разной способностью материалов отводить тепло и реагировать на воздействие внешних факторов.

Когда материалы имеют различные теплоемкости, процесс охлаждения или нагревания объектов при обдуве потоком воздуха становится более сложным и требует дополнительных объяснений.

Рассмотрим влияние теплоемкости на нагрев и охлаждение исследуемых минералов.

Теплоемкость материала определяет количество теплоты, необходимое для изменения его температуры на один градус Цельсия. Минералы с более высокой теплоемкостью требуют большего количества тепла для нагревания и, наоборот, отдают большее количество тепла при охлаждении.

В процессе охлаждения более низкая теплоемкость алмазного песка, равная 502 Дж/(кг·К), означает, что он будет обладать меньшим запасом тепла и будет охлаждаться быстрее при обдуве воздухом.

Кварцевый песок и подоконник, с более высокой тепловой емкостью (теплоёмкость кварца=750 Дж/ (кг·К)), охлаждаются медленнее при обдуве воздухом из-за большего количества теплоты, которое им необходимо отдать для снижения температуры.

Это может привести к более высокой температуре кварцевого песка и подоконника (19,5°C), по сравнению с алмазным песком (13,5°C), который остается более холодным из-за более низкой теплоемкости.

Из-за различий в теплоемкости материалов, процесс охлаждения при обдуве потоком воздуха приводит к неравномерному уменьшению температуры объектов.

Материалы с более высокой теплоемкостью могут сохранять более высокую температуру дольше, чем объекты с более низкой теплоемкостью.

Таким образом, различия в теплоемкости материалов приводят к неравномерному охлаждению объектов при обдуве потоком воздуха, и более высокая теплоемкость может привести к сохранению более высокой температуры объектов в процессе охлаждения.

Рассмотрим влияние отношения поверхности к объему исследуемого объекта на нагрев и охлаждение.

Да, отношение поверхности охлаждаемой частицы к ее объему может повлиять на процесс охлаждения. Этот параметр называется поверхностно-объемный коэффициент (отношение поверхности к объему) и может иметь важное значение при охлаждении или нагревании объектов. Влияние этого коэффициента на процесс охлаждения в вашем случае можно объяснить следующим образом.

У частиц с большим отношением поверхности к объему (например, минералы, которые обычно имеет более сложную и многоугольную структуру, чем кварцевый песок) имеется большая поверхность, через которую может осуществляться теплообмен с окружающей средой.

Благодаря более большой поверхности, охлаждение объекта происходит быстрее за счет увеличенной площади контакта с воздухом.

У частиц с меньшим отношением поверхности к объему (например, кварцевый песок, состоящий из шарообразных частиц) поверхность, через которую может происходить теплообмен, ограничена. Из-за более маленькой поверхности для теплообмена, процесс охлаждения может занимать больше времени, так как ограничены контактные поверхности с окружающим воздухом.

Таким образом, поверхностно-объемный коэффициент оказывает влияние на процесс охлаждения объектов, где объекты с более высоким отношением поверхности к объему могут охлаждаться быстрее из-за более эффективного теплообмена с окружающим воздухом, в то время как объекты с меньшим отношением поверхности к объему могут охлаждаться медленнее из-за ограниченного контакта с воздухом.

Рисунок 18. Термограмма двух навесок: кварцевого песка (0,5 мм) и алмазного песка (0,5 мм), лежащих на подоконнике слева на право соответственно и обдуваемых воздушным потоком из окна.

Рисунок 19. Кварцевый песок (слева) и алмазный песок(справа) в видимом диапазоне электромагнитных волн, термограмма которых показана рисунке 18.

Кимберлитовый песок и алмазный песок

Если распознавать алмазы в реальных условиях, то следует их сравнить по охлаждению с кимберлитом. Для этого был проведен следующий эксперимент. Как и в предыдущем эксперименте сравнивались две одинаковые (близкие по объему) навески: кимберлитовый безалмазный песок (средний размер 0,5 мм) и навеска мелких алмазов (0,5 мм).

Навески, лежащие тонкими слоями на бумажной подложке (книга) на подоконнике, обдувались потеком воздуха (20 оС) из окна с улицы. Производилась съемка тепловизором Testo 875. Была получена термограмма (рисунок 20). На рисунке 21 навески показаны в видимом диапазоне электромагнитных волн.

Как и в предыдущем эксперименте алмазы оказались более холодными (минимальная температура 19,8 оС), а кимберлитовый песок, имеющий удельную теплоемкость 800 Дж/ (кг·К) и низкую теплопроводность был с температурой чуть ниже комнатной (24 оС).

Рисунок 20. Термограмма кимберлитового безалмазного песка (лежит слева) и мелких алмазов (справа), лежащий на бумажной подложке и обдуваемых воздухом из окна.

Рисунок 21. Кимберлитовый безалмазный песок (почти черный) и мелкие алмазы (белые) в видимом диапазоне электромагнитных волн, термограмма которых показана рисунке 20.

Медные частицы и галька

Приведем эксперимент, в котором моделируется некоторый естественный момент одновременного нагрева и охлаждения.

На рисунке 22 представлена термограмма тех же частиц речной гальки (светлые) и медных частиц (темные), нагретые естественным образом при комнатной температуре 37°C, в открытой стеклянной чашке Петри. Чашку Петри разместили на алюминиевую пластину со средней температурой равной – 9°C для имитации природных условий в весенний период, когда грунт проморожен, а температура воздуха высокая. На данной фотографии медные частицы и речная галька явно отличаются по цвету и температуре. Через 7 секунд средняя температура гальки установилась около 29°C, а медных частиц – средняя температура 9,9°C. Данный пример наиболее информативный для осуществления заявляемого способа при различных естественных условиях. Для каждой показанной на фотографии частицы приведена ее средняя температура. Например, средняя температура самой крупной частицы гальки равна 36,6°C, а температура самой мелкой частицы равна 21,5°C. У самой крупной медной частицы средняя температура равна 14,6°C, а у самой мелкой медной частицы средняя температура равна 4,6°C. Крупные частицы имеют меньшее отношение площади поверхности к объему, что способствует более медленному их охлаждению. Такой разброс температур показывает то, что, во-первых, для частиц более близких по своим теплофизическим свойствам следует предварительно сортировать исходную породу по крупности, по форме и другим геометрическим параметрам, во-вторых, различие исходных частиц по крупности не будет влиять на выявление минеральных частиц, имеющих значительные отличия по теплофизическим свойствам от другой породы. В данном примере медные частицы, имеющие существенные отличия теплофизических свойств по сравнению с речной галькой легко можно отделить от пустой породы. Поскольку медь по сравнению с речной галькой имеет очень высокую теплопроводность и низкую теплоемкость. Удельная теплоемкость меди равна 0,385 кДж/(кг⋅К), а удельная теплоемкость данной речной гальки равна 0,7-0,9 кДж/(кг⋅К). Теплопроводность меди равна 401 Вт/(м⋅К), а тепловодность данной речной гальки 2-4 Вт/(м⋅К). Для алмазов аналогичная разница температур с пустой породой на фотографиях, полученных в инфракрасном диапазоне электромагнитных волн, будет более значительной, так как теплопроводность алмаза равна 1000-2600 Вт/(м⋅К) при удельной его теплоемкости равной 0,502 кДж/(кг⋅К).

На рисунке 23 показаны медные частицы и галька в видимом диапазоне электромагнитных волн,

Данный эксперимент еще раз показал, что в основном на температуру объектов, подвергающихся процессу одновременного нагрева и охлаждения, в основном определяется теплопроводностью, теплоемкостью, отношением поверхности к объему и плотностью этих объектов,

Рисунок 22. Термограмма медных частиц (серые) и гальки (белая) в нагретой чашке Петри (37°C), и расположенной на алюминиевой пластине (-9 оС)

Рисунок 23. Медные частицы и галька в видимом диапазоне электромагнитных волн, термограмма которых показана на рисунке 22.

При теплофизическом воздействии на объекты с высокой и низкой теплопроводностью возможны ситуации, когда объект с высокой теплопроводностью может иметь как наибольшую, так и наименьшую температуру по сравнению с объектами с низкой теплопроводностью. Рассмотрим возможные сценарии и причины подобных результатов:

1. Объект с высокой теплопроводностью имеет наибольшую температуру:

– Высокая теплопроводность позволяет объекту эффективно распределять и отводить тепло от точки воздействия.

– В результате объект с высокой теплопроводностью может быстро перераспределить тепло по всему объему и быстрее нагреться, достигая более высокой температуры, чем объекты с низкой теплопроводностью.

2. Объект с высокой теплопроводностью имеет наименьшую температуру:

– Высокая теплопроводность также может обеспечить эффективное отвод тепла от объекта, что может привести к более быстрому охлаждению при воздействии холода.

– В результате объект с высокой теплопроводностью может быстрее остыть и иметь наименьшую температуру по сравнению с объектами с низкой теплопроводностью.

Таким образом, при воздействии тепла или холода на объекты с разной теплопроводностью, результаты могут быть различными. Высокая теплопроводность может приводить как к быстрому нагреванию и наивысшей температуре, так и к быстрому охлаждению и наименьшей температуре, в зависимости от условий и свойств материалов.

Алмаз и камни пустой породы

В предыдущих экспериментах сравнивались при одновременном нагреве и охлаждении бриллиант с фианитом, мелкие алмазы с кварцевым и кимберлитовым песками. Поэтому, возник вопрос: как поведет себя алмаз при легком охлаждении воздушным потоком по сравнению с крупными частицами пустой породы? Для этого алмаз (1 карат) разместили среди камней пустой породы на подоконнике, который первоначально обдувался из вентилятора при закрытом окне, а потом при выключенном вентиляторе потоком воздуха с улицы из открытого окна.

В результате в начале эксперимента при работающем вентиляторе и закрытом окне была получена следующая термограмма (рисунок 24). При таком обдуве вентилятором при закрытом окне оказалось, что алмаз стал более нагретым по сравнению с подоконником и камнями пустой породы, лежащими на нём.

На рисунке 25 показан температурный профиль Р1 термограммы (рисунок 24), по которому явно видно существенное отличие температуры (максимум 28,4 оС) нагретого воздушным потоком из вентилятора алмаза от температур подоконника и камней пустой породы. Следует отметить, что температуры подоконника и камней пустой породы расположены в узком диапазоне (интервал температур около 1 градуса Цельсия, минимум 24,8 оС), так как имеют близкие показатели по теплопроводности. В тоже время разброс температур алмаза существенно больше 1 градуса Цельсия. Последнее говорит о том, что разные части алмаза существенно отличаются по теплопроводности, так как алмаз имеет примеси, включения других химических элементов и нарушения в кристаллической решётке.

Следующая термограмма (рисунок 26) была получена через 2 минуты после одновременного открытия окна и отключения вентилятора. На рисунке 27 показан температурный профиль Р1 термограммы (рисунок 26). Данная термограмма и температурный профиль показывают, что алмаз начал охлаждаться от потока воздуха с улицы (максимум 27 оС), а температура подоконника и камней пустой породы повышаться (минимум 25,1 оС).

Через 15 минут была получена термограмма (рисунок 27). На рисунке 28 показан температурный профиль термограммы (рисунок 27). Из термограммы видно, что алмаз, имеющий значительную теплопроводность и меньшую теплоемкость по сравнению с камнями пустой породы, значительно охладился и его минимальная температура стала на 6 градусов Цельсия меньше максимальной температуры камней пустой породы.

Надо отметить, что часть камней породы были крупнее алмаза, а часть близкие по крупности и более мелкие. Но, не смотря такой разброс в крупности камней пустой породы, температура этих камней была в достаточно узком диапазоне со средней температурой 24,5 оС.

Полученная последняя термограмма (рисунок 27) практически не изменялась, не считая нескольких десятых одного градуса Цельсия, на протяжении достаточного количества минут. Данная стабильность теплофизического воздействия на алмаз и камни пустой породы определяется неизменными погодными условиями в течение данного промежутка времени.

При стабильной погоде, когда температура, влажность и скорость ветра остаются постоянными, термограммы, отображающие распределение тепла на поверхности земли, будут практически одинаковыми. Это связано с тем, что стабильные условия погоды не создают значительных изменений в температуре окружающей среды, что, в свою очередь, приводит к однотипным термограммам. Это свойство можно использовать для распознавания и сортировки породы на разрабатываемом месторождении по следующим причинам:

1. Единообразие термограмм. При стабильных погодных условиях прогрев и остывание поверхности земли ведут к постоянным термограммам без резких изменений. Это означает, что породы с различными тепловыми характеристиками будут иметь схожие термограммы, что облегчает их сравнение и распознавание.

2. Отсутствие внешних факторов. При отсутствии изменений во внешних погодных условиях, таких как температура, влажность и скорость ветра, термограммы породы будут отражать только ее внутренние тепловые свойства, что упрощает процесс распознавания и сортировки.

3. Устойчивость данных. Стабильность погоды обеспечивает непрерывность и стабильность данных, полученных с помощью термографии, что увеличивает достоверность результатов и облегчает дальнейшую интерпретацию и классификацию пород.

Таким образом, при стабильной погоде однотипные термограммы, обусловленные одинаковым распределением тепла на поверхности земли, могут быть успешно использованы для распознавания и сортировки породы на разрабатываемом месторождении в связи с их единообразием и стабильностью в условиях погоды.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.