СПОСОБ КАЛИБРОВКИ И ПРОВЕРКИ РАДИОИЗОТОПНЫХ ПЛОТНОМЕРОВ СУСПЕНЗИЙ ПО ОБРАЗЦАМ-ИМИТАТОРАМ Российский патент 2016 года по МПК G01N9/24 

Изобретение относится к области автоматического контроля состава веществ и может быть использовано в калийной промышленности для калибровки плотномеров суспензий использующих источник излучения Na₂₂, по образцам имитаторам суспензий и проверки правильности показаний плотномеров в процессе эксплуатации.

Известен способ градуировки (калибровки) и поверки плотномеров (Приборостроение и средства автоматики. Том 2, книга 2. М.: Машиностроение, 1964. С. 277). Градуировка (калибровка) производится в статических условиях с применением набора жидкостей, плотность которых измеряется лабораторными приборами. К недостаткам способа можно отнести отсутствие квалификации свойств жидкостей по точности имитации контролируемой технологической среды - не учитывается характер взаимодействия излучения с контролируемой средой и с имитирующей жидкостью, что не позволяет достигнуть высокой точности калибровки.

Известны метод и средства поверки радиоизотопных плотномеров с применением имитаторов контролируемой среды (ГОСТ 8.368-79 «Плотномеры радиоизотопные жидких сред и пульп. Методы и средства поверки. Приложение 1. Методы приготовления жидких имитаторов контролируемой среды. Приложение 2. Общие указания по построению переходной зависимости»). Сущность метода состоит в том, что измерительный участок трубопровода заполняют жидким имитатором контролируемой среды, определяют показания плотномера, определяют плотность имитатора образцовым денсиметром, определяют погрешность расхождений показаний плотномера и плотности имитатора. В качестве имитатора используются спиртовые растворы бромоформа (трибромметан - CHBr₃). К недостаткам можно отнести необходимость точного измерения плотности образцовыми средствами, бромоформ представляет опасность для человека - обладает наркотическим действием, раздражает кожу и дыхательные пути, вызывает болезни печени.

Известны способы градуировки (калибровки) и поверки вибрационных плотномеров (Жуков Ю.П. Вибрационные плотномеры. М.: Энергоатомиздат, 1991, раздел 5.3. Градуировка и поверка вибрационных плотномеров). Для градуировки и поверки используются жидкости: петролейный эфир, бензин, бензол (650-860 г/дм³), водно-спиртовые растворы (870-950 г/дм³), серно-винные растворы (960-1010 г/дм³), серно-водные растворы (960-1830 г/дм³), растворы Туле (1840-2000 г/дм³). Недостаток заключается в том, что сероводные растворы и растворы Туле, используемые в качестве имитаторов суспензий с высокой плотностью, обладают высокоагрессивными свойствами и крайне опасны для здоровья человека.

Известен способ градуировки и поверки радиоизотопных плотномеров (Зарецкий Л.И. Методика градуировки и поверки радиоизотопных плотномеров. - Приборы и системы управления. 1976, №10, с. 23-24). Плотномер включает патрубок для контролируемой среды, источник и детектор излучения, кассету, установленную между источником и патрубком, выходной преобразователь частоты. Способ состоит в следующем: в патрубок заливают воду, в кассету помещают аттестуемую пластину, производят измерение частоты импульсов; пластину удаляют, а патрубок заполняют контролируемой жидкостью, концентрацию постепенно увеличивают и доводят до равенства частот по жидкости и пластине; отбирают пробу жидкости, измеряют плотность; значение плотности жидкости присваивают плотности пластины. В дальнейшем пластина (твердый имитатор) используется для градуировки и поверки плотномеров. Данный способ пригоден для плотномеров с узким пучком гамма-квантов (с коллимацией излучения) от мощных источников с изотопом цезия-137 или кобальта-60. Источник Na₂₂ маломощный, используется широкий пучок излучения. Для него зависимость рассеяния гамма-квантов (ослабление в контролируемой среде) от плотности для суспензии и твердого имитатора в виде пластин неодинакова, что снижает точность калибровки и поверки.

Известен способ градуировки радиоизотопных плотномеров (RU 2442889 С1). Способ предназначен для градуировки радиоизотопных плотномеров буровых и тампонажных растворов и состоит в том, что на трубопровод устанавливают излучатель и детектор, производят изготовление эквивалентов плотности растворов, калибровку эквивалентов с помощью образцовых проб растворов, использование эквивалентов на отсоединенном трубчатом элементе с фиксацией положения, эквиваленты плотности изготавливают из твердых материалов, по форме и размерам соответствующих внутреннему поперечному сечению трубчатого элемента в зоне чувствительности детектора. Недостаток способа состоит в том, что включена промежуточная операция между образцовым раствором (жидким имитатором контролируемого раствора) и плотномером в виде создания и использования твердого эквивалента плотности (твердого имитатора). Применение твердого имитатора, как и в предыдущем примере, не позволяет достигнуть высокой точности калибровки. Операция может быть использована только для проверки работоспособности плотномера при эпизодическом контроле.

Известен способ градуировки (калибровки) радиоизотопных плотномеров (SU 1400253 А1) - прототип, включающий формирование ряда образцов, плотность которых находится в заданном диапазоне, облучение образцов источником плотномера и регистрацию отраженного излучения детектором, определение области изменения относительных значений коэффициентов комптоновского и фотоэлектрического взаимодействия, выбор компонентов, состав которых обеспечивает соотношение этих компонентов. В соответствии с расчетами выбрана композиция, состоящая из парафина, окиси железа, окиси кремния и перлитового песка. Применительно к задаче контроля плотности калийных суспензий можно отметить недостатки: в изобретении производится регистрация отраженного излучения, необходима регистрация ослабления излучения при прохождении через суспензию, сложный механизм расчета по соотношению комптоновского рассеяния и фотопоглощения, расчеты даны применительно к отраженному излучению, выбранная композиция не отражает истинный состав калийных суспензий.

Задачей изобретения является: повышение точности калибровки радиоизотопных плотномеров калийных суспензий с помощью образцов-имитаторов в диапазоне измерений от 1200 до 1600 кг/м³ с сохранением свойств имитаторов при нижнем пределе температуры, допускаемой при хранении и транспортировке, например 5°С, обеспечение безопасных свойств для здоровья человека, взрывобезопасность и пожаробезопасность в процессе приготовления имитаторов.

Решение задачи достигается следующим образом.

Калибровку и проверку радиоизотопных плотномеров суспензий калийных обогатительных фабрик с источниками излучения Na₂₂, включающую формирование ряда образцов, плотность которых находится в заданном диапазоне от 1200 до 1600 кг/м³, облучение образцов источником плотномера и регистрацию излучения детектором выполняют с использованием образцов-имитаторов в виде совместного раствора хлористого кальция и хлористого цезия. Предварительно устанавливается взаимосвязь (подобие) между контролируемой суспензией и образцом-имитатором - коэффициент K_П отношения плотности суспензии D_С к плотности образца-имитатора D_О. Для каждого вида суспензии и для каждой контрольной точки (i - точки) диапазона отдельно устанавливается коэффициент K_Пi отношения плотностей суспензии - D_Сi к плотности образца-имитатора - D_Оi. Плотность образца D_Оi рассчитывается при приготовлении и, при необходимости уточнения, измеряется с помощью ареометра высокой точности. Коэффициент K_Пi устанавливается по частотному сигналу детектора плотномера следующим образом. Образец-имитатор с плотностью D_Оi помещают в измерительный канал плотномера, измеряют частоту - F_Оi. Образец-имитатор удаляют. В измерительный канал помещают суспензию, измеряют частоту - F_Сi. Подбирают плотность суспензии до выполнения условия: F_Сi=F_Оi. Отбирают пробу суспензии и измеряют плотность суспензии - D_Сi весовым или объемно-весовым (пикнометрическим) способом. Производят расчет коэффициента K_Пi по формуле: K_Пi=D_Сi/D_Оi. Значения D_Оi и K_Пi заносятся в аттестат калибровки плотномера по образцам-имитаторам.

Повышение точности калибровки по сравнению с известными составами образцов-имитаторов достигается тем, что элементный состав образцов-имитаторов по раствору кальция: Ca, O, H, O является близким к основному элементному составу калийной суспензии: K, Cl, Na, Ca, H, O, а цезий по химическим свойствам находится в одной (1-й) группе с калием и натрием.

Состав образцов-имитаторов рассчитывается таким образом, чтобы сохранялись их свойства (отсутствие кристаллизации соли из раствора) при нижнем пределе температуры, необходимой для хранения и перемещения, например 5°С. Расчет производится для раздельного приготовления раствора CaCl₂ и раствора CsCl. Для расчета растворы CaCl₂ и CsCl берут с максимальной плотностью, не приводящей к кристаллизации при нижнем пределе температуры. Производят расчет объема раствора CaCl₂ по формуле (1) и массы навески CaCl₂ по формуле (2) для заданного объема при температуре последующей калибровки, расчет объема раствора CsCl по формуле (3) и массы навески CsCl по формуле (4), расчет навески воды по формуле (5). Приготавливают раствор с расчетными параметрами. Расчетную плотность присваивают значению плотности образца-имитатора - D_Оi.

Расчетные формулы:

Формула расчета объема раствора хлористого кальция - V_Ca:

$$V_{Ca}=\left(D_{Cs}-D_p\right)\cdot V_p/\left(D_{Cs}-D_{Ca}\right),\left(\text{1}\right)$$

где D_Cs - плотность раствора хлористого цезия при предельной температуре;

D_р - плотность раствора образца-имитатора;

V_р - общий объем раствора;

D_Ca - плотность раствора хлористого кальция при предельной температуре.

Формула расчета массы навески хлористого кальция - M_Ca:

$$M_{Ca}=D_{Ca}\cdot C_{Ca}\cdot V_{Ca},\left(\text{2}\right)$$

где C_Ca - массовая доля хлористого кальция в растворе хлористого кальция.

Формула расчета объема хлористого цезия - V_Cs:

$$V_{Cs}=V_p-V_{Ca}.\left(\text{3}\right)$$

Формула расчета массы навески хлористого цезия - M_Cs:

$$M_{Cs}=D_{Cs}\cdot C_{Cs}\cdot V_{Cs},\left(\text{4}\right)$$

где C_Cs - массовая доля хлористого цезия в растворе хлористого цезия.

Формула расчета массы навески воды - M_в:

$$M_{в}=V_p\cdot D_p-M_{Ca}-M_{Cs}.\left(\text{5}\right)$$

Повышение точности калибровки достигается также тем, что образцы-имитаторы готовят таким образом, чтобы молекулярная масса образца-имитатора наиболее близко соответствовала молекулярной массе контролируемой суспензии. Такое соответствие отвечает характеру поглощения излучения при прохождении через суспензию и через образец-имитатор и способствует повышению точности калибровки. Расчет молекулярной массы суспензии и образца-имитатора производится по формулам (6), (7) соответственно.

Формула расчета молекулярной массы суспензии - M_мс:

$$M_{мс}=\Sigma {С}_m\cdot C_{кmi}\cdot M_{мкmi}+\Sigma C_{ж}\cdot C_{кжi}\cdot M_{мкжi},\left(\text{6}\right)$$

где C_m - массовая доля твердой фазы в суспензии, доли единицы;

C_кmi - массовая доля i-го компонента в твердой фазе суспензии, доли единицы;

M_мкmi - молекулярная масса i-го компонента в твердой фазе суспензии, г-моль (г-м).

Формула расчета молекулярной массы образца-имитатора - M_мо:

$$M_{мо}=\Sigma C_{коi}\cdot M_{мкоi},\left(\text{7}\right)$$

где C_коi - массовая доля i-го компонента в образце-имитаторе, доли единицы;

M_мкоi - молекулярная масса i-го компонента образца-имитатора, г-м.

Раствор хлористого кальция и хлористого цезия является взрыво- и пожаробезопасным и безопасным для здоровья человека, поскольку сами элементы Ca и Cs не обладают взрыво- и пожароопасными свойствами, а также не оказывают негативного влияния на здоровье человека.

Применение образцов-имитаторов для проверки правильности показаний состоит в следующем. В случае сомнения в правильности показаний плотномера излучатель и детектор снимают с трубы и идентичным образом устанавливают на имитатор. Если значение D_Оi образца-имитатора подтверждается, измерительная часть плотномера отвечает требованиям к плотномеру, возможная причина в зарастании трубы или износе. Необходимо выполнить регламентные работы по устранению зарастания. В случае износа необходимо выполнить повторную калибровку. Если значение D_Оi образца-имитатора не подтверждается, например, из-за старения источника (период полураспада 2,6 года), необходимо, в частности, произвести замену источника и выполнить калибровку плотномера.

Пример расчета состава образца-имитатора

Исходные данные: температура имитатора, при которой производится калибровка, 20°C; расчетный объем имитатора Vp=1000 см³; плотность раствора имитатора Dp=1,4 г/см³ (среднее значение диапазона измерений); нижний предел температуры, при которой сохраняются свойства имитатора, 5°C; плотность раствора хлористого кальция, соответствующая указанной температуре с запасом надежности, D_Ca=1,38 г/см³; массовая доля хлористого кальция в растворе хлористого кальция C_Ca=0,37; плотность раствора хлористого цезия, соответствующая указанной температуре с запасом надежности, D_Cs=1,8 г/см³; массовая доля хлористого цезия в растворе хлористого цезия C_Cs=0,606.

Порядок расчетов

Расчет объема раствора хлористого кальция по формуле (1):

V_Ca=(1,8-1,4)·1000/(1,8-1,38)=952,4 см³

Расчет массы навески хлористого кальция по формуле (2):

M_Ca=1,38·0,37·952,4=486,3 г

Расчет объема хлористого цезия по формуле (3):

V_Cs=1000-952,4=47,6 см³

Расчет массы навески хлористого цезия по формуле (4):

M_Cs=1,8·0,606·47,6=51,9 г

Расчет массы навески воды по формуле (5):

M_в=1000·1,4-486,3-51,9=861,8 г

Приготовив раствор с расчетными навесками, получаем образец-имитатор с расчетной плотностью 1,4 г/см³. При необходимости уточнения расчетной плотности производится измерение плотности раствора с помощью ареометра или объемно-весовым способом. Расчетная или измеренная плотность D_Оi присваивается i-му образцу-имитатору суспензии наряду с коэффициентом K_Пi. Имитатор идентифицируется номером, в соответствии с которым производится калибровка плотномера или проверка правильности показаний в процессе эксплуатации.

Пример расчета молекулярной массы суспензии и образца-имитатора. В качестве примера взята суспензия KCl разгрузки кристаллизатора галургической калийной обогатительной фабрики. Исходные данные по суспензии: плотность суспензии - 1,4 г/см³; массовая доля твердой фазы в суспензии - 0,31, массовая доля жидкой фазы - 0,69; массовая доля компонентов в жидкой фазе: KCl - 0,20; NaCl - 0,17, H₂O - 0,63; молекулярная масса компонентов, г-м: KCl - 74,6; NaCl - 58,5; воды - 18. Исходные данные по образцу-имитатору: плотность - 1,4 г/см³; массовая доля хлористого кальция - 0,347; массовая доля хлористого цезия - 0,037; массовая доля воды - 0,616; молекулярная масса компонентов, г-м: хлористого кальция - 111; хлористого цезия - 168,5; воды - 18.

Расчет молекулярной массы суспензии по формуле (6):

M_мс=0,31·74,6+0,69(0,2·74,6+0,17·58,5+0,63·18)=48,1 г-м.

Расчет молекулярной массы образца-имитатора по формуле (7):

M_мо=0,347·111+0,037·168,5+0,616·18=55,8 г-м.

Расчеты показывают, что образец-имитатор с молекулярной массой - 48,1 г-м имеет более близкое значения к молекулярной массе суспензии - 55,8 г-м (отклонение: (55,8-48.1)·100:48.1=16,0%) по сравнению с тем, если в качестве образца-имитатора взять однокомпонентный раствор хлористого цезия с молекулярной массой - 75,8 г-м (отклонение: (75,8-48,1)·100:48.1=58,5%), что подтверждает возможность повышения точности калибровки.

Изобретение относится к области автоматического контроля состава веществ и может быть использовано в калийной промышленности для калибровки радиоизотопных плотномеров суспензий, использующих источник излучения Na₂₂, по образцам-имитаторам суспензий и проверки правильности показаний плотномеров в процессе эксплуатации. Способ калибровки и проверки радиоизотопных плотномеров суспензий по образцам-имитаторам включает формирование ряда образцов, плотность которых находится в заданном диапазоне, облучение образцов источником плотномера и регистрацию излучения детектором. Причем в качестве образцов-имитаторов используют совместный раствор хлористого кальция и хлористого цезия, состав которого рассчитывается отдельно для раствора хлористого кальция и хлористого цезия при условии максимальной плотности раствора, не приводящей к кристаллизации при нижнем пределе температуры. Соотношение хлористого кальция и хлористого цезия в образцах-имитаторах рассчитывают таким образом, чтобы молекулярная масса образца-имитатора наиболее близко соответствовала молекулярной массе контролируемой суспензии. На основании расчетных значений производят приготовление образцов-имитаторов и осуществляют с их помощью калибровку радиоизотопных плотномеров. Техническим результатом является повышение точности калибровки радиоизотопных плотномеров в диапазоне измерений от 1200 до 1600 кг/м³ с сохранением свойств образцов-имитаторов при нижнем пределе температуры, допускаемой при их хранении и транспортировке, обеспечение безопасных свойств для здоровья человека, взрыво- и пожаробезопасность в процессе приготовления образцов-имитаторов. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ калибровки и проверки радиоизотопных плотномеров суспензий по образцам-имитаторам, включающий формирование ряда образцов, плотность которых находится в заданном диапазоне, облучение образцов источником плотномера и регистрацию излучения детектором, отличающийся тем, что в качестве образцов-имитаторов используют совместный раствор хлористого кальция и хлористого цезия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расчет состава для приготовления образцов-имитаторов производят отдельно для растворов хлористого кальция и хлористого цезия при условии максимальной плотности растворов, не приводящей к кристаллизации при нижнем пределе температуры, по следующим зависимостям:
формула расчета объема хлористого кальция:
V_Ca=(D_Cs-D_p)·V_p/(D_Cs-D_Ca),
где D_Cs - плотность раствора хлористого цезия при предельной температуре;
D_p - плотность раствора образца-имитатора;
V_p - общий объем раствора;
D_Ca - плотность раствора хлористого кальция при предельной температуре;
формула расчета массы навески хлористого кальция:
M_Ca=D_Ca·C_Ca·V_Ca,
где С_Ca - массовая доля хлористого кальция в растворе хлористого кальция;
формула расчета объема хлористого цезия:
V_Cs=V_p-V_Ca;
формула расчета массы навески хлористого цезия:
M_Cs=D_Cs·C_Cs·V_Cs,
где C_Cs - массовая доля хлористого цезия в растворе хлористого цезия;
формула расчета массы навески воды:
M_в=V_p·D_p-M_Ca-M_Cs,
и в соответствии с расчетными значениями производят приготовление образцов-имитаторов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соотношение хлористого кальция и хлористого цезия в образцах-имитаторах рассчитывают таким образом, чтобы молекулярная масса образца-имитатора наиболее близко соответствовала молекулярной массе контролируемой суспензии.