Радиоизотопный способ измерения отложения пыли в горных выработках и устройство для его реализации Российский патент 2017 года по МПК E21F5/00 G01N1/10 G01N23/00 

Изобретение относится к технике контроля запыленности поверхности горных выработок, промышленных помещений на предприятиях угольной, горно-металлургической и других отраслей промышленности и сельскохозяйственного производства, где присутствует взрывчатая пыль: угольная, сульфидная, мучная, пластмассовая и др.

Известен способ измерения пылеотложения, основанный на прямом взвешивании пыли, отлагающейся на подложке, при помощи электронных микровесов [Поздняков Г.А., Закутский Е.Л. Методы и средства контроля пылевзрывобезопасности угольных шахт. Горный информационно-аналитический бюллетень №12 «Аэрология». - М.: МГГУ. - 2007. - С. 58-70].

Недостатком данного способа является высокая чувствительность приборной реализации его к механическим воздействиям, которая требует строго горизонтальной установки прибора и соблюдения условий, при которых должны эксплуатироваться микровесы, что делает практически невозможным его эксплуатацию на промышленных предприятиях.

Наиболее близкими по технической сущности являются способ и устройство для измерения оседающей пыли во времени, в которых используется обратное бета-рассеяние от подложки с пылью [Рассолов Н.И., Скляренко И.П. Разработка способа контроля отложения угольной пыли в горных выработках. В кН. «Вопросы безопасности в угольных шахтах», т. XIII. МакНИИ. М.: Госгортехиздат. 1962. С. 219-240 (фиг. 1)].

Указанные способ и датчик обладают следующими недостатками.

Доля бета-излучения от источника углерод-14, попадающая на детектор, и КПД использования активности радионуклида в источнике излучения много меньше единицы, при этом доля излучения определяется телесными углами, под которыми смотрятся: пылевой осадок от источника и детектор от рассеивающей бета-излучение подложки. Поэтому требуется большая активность радионуклида в источнике бета-частиц.

Излучение источника, опасное для окружающих, направлено в сторону от боковой поверхности выработки, где могут находиться люди. Кроме того, источник и детектор не защищены от пыли, так как находятся у стенки в пылевом потоке, где поперечные пульсации больше, чем вдали от поверхности, и в результате этого происходит осаждение пыли на источнике и детекторе излучения, что сказывается на погрешности измерения массы осадка, а из-за требуемой большей активности источника повышается его стоимость.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности и безопасности использования радиоизотопного способа измерения текущей массы пылевого осадка и упрощение конструкции устройства его реализующего.

Указанная техническая задача решается за счет использования прямого поглощения бета-частиц пылью, осажденной на тонкий коллектор, который помещают на детектор, а источник углерод-14 в виде тонкой таблетки размещают на Г-образной стойке в конце ее над коллектором на высоте не более 5 см от его центра.

Сущность изобретения поясняется чертежом на котором показаны:

источник - 1, коллектор (фильтр) - 2, сетка - 3, плоский детектор - 4, блок счета и обработки данных - 5, Г-образная стойка - 6, основание - 7 и кассета - 8 с окном.

Способ реализуется следующим образом.

Для измерения отложения пыли в горных выработках используют прямое поглощение бета-излучения источника углерод-14 пылью, осажденной на тонкий коллектор (фильтр) 2, который помещают над плоским детектором 4. На основании 7 за блоком счета и обработки данных 5 установлена Г-образная стойка 6 с источником 1 (углерод-14 в виде тонкой таблетки), который помещают в углубленном ложементе на ее конце на высоте не более 5 см от центра коллектора (фильтра) 2. На основании 7 устанавливают кассету 8 с окном, в которой укреплены друг над другом детектор 4 излучения (например, Бета-1.1 круглой формы), сетка 3, а сверху нее помещают тонкий коллектор (фильтр) 2 с поверхностной плотностью 1-1,5 мг/см² (например, фильтр АФА-ВП-10 или НЭЛ-3). Для съема данных кассету 8 с окном подключают к блоку счета и обработки данных 5. Источник бета-излучения (углерод-14 в виде таблетки) монтируют в углубленном ложементе на конце горизонтальной части Г-образной стойки 6, которую крепят с подветренной стороны от детектора 4 к блоку счета и обработки данных 5 и основанию 7. Устройство для измерения отложения пыли в горных выработках размещают у стенки горной выработки горизонтально или вертикально так, чтобы Г-образная стойка 6 с источником 1 находилась позади коллектора (фильтра) 2 по ходу движения воздуха и не нарушала структуру потока.

Измерение запыленности коллектора производят в следующей последовательности.

Измеряют интенсивность I₀ потока бета-частиц, прошедших через чистый коллектор (фильтр) 2 (как показал эксперимент, время измерения интенсивности может быть порядка 1-2 с), далее производят измерение интенсивности потока бета-излучения источника 1 (углерод-14) в процессе осаждения пыли I_i. Массу пыли σ_i в мг, осевшей на 1 см² поверхности, определяют по формуле

или ,

где σ_i - масса пыли в мг, осевшей на 1 см² поверхности;

I₀ - интенсивность потока;

I_i - интенсивность потока бета-частиц в процессе осаждения пыли;

μ - массовый коэффициент ослабления излучения, см²/мг;

c - коэффициент, связанный с конструктивными данными датчика;

определяется из сравнения массы σ_i с массой, определенной весовым методом.

Одновременно вычисляют погрешность измерения σ_i по формуле

.

Интервал между измерениями устанавливают в зависимости от требуемой точности определения заданной величины осадка и от самой величины осадка.

Измерения I производят непрерывно каждые 2 с или с интервалами между измерениями, зависящими от скорости накопления осадка, до тех пор, пока погрешность Δσ_i/σ не достигнет заданной величины, например 25% или 15%. Цикл измерения повторяют, пока величина массы пыли на фильтре не достигнет заданного значения.

Результат представляется либо на цифровом табло, либо цветовыми сигналами, свидетельствующими о степени приближения массы осевшей пыли к критическому значению.

Увеличение эффективности использования радионуклида достигается за счет измерения вместо обратного прямого поглощения бета-излучения (радионуклида углерод-14) пылевым осадком, при котором доля бета-излучения, падающая на детектор 4, значительно больше, чем при использовании обратного рассеяния. Поэтому требуется меньшая активность источника 1.

Повышение безопасности использования способа достигают за счет уменьшения активности источника 1 (радионуклида углерод-14), имеющего четвертый класс опасности, и конструкции радиометрического узла, в котором источник 1 утоплен в Г-образной стойке 6 и обращен открытой стороной к плоскому детектору 4.

С целью определения взрывоопасного отложения пыли задаваемая величина поверхностной плотности осадка σ_в (г/м²) определяется из соотношения

,

где σ_в - взрывоопасная величина поверхностной плотности пылевого осадка;

c - нижний предел взрывчатости пыли, г/м³;

v - объем выработки, м³;

S - поверхность выработки, м².

Устройство работает следующим образом.

В горных выработках для измерения отложения пыли используют прямое поглощение ею бета-излучения радионуклида углерод-14. Пыль осаждается на тонкой подложке коллектора (фильтра) 2, который помещен на детекторе 4, а источник 1 (углерод-14) в виде тонкой таблетки размещен над коллектором (фильтром) 2 на высоте не более 5 см от его центра на конце Г-образной стойки 6 в углубленном ложементе.

Чтобы не возмущать поток воздуха, из которого оседают пылевые частицы, и повысить точность измерения массы пылевого осадка, Г-образная стойка 6 укреплена на основании 7 за блоком счета и обработки данных 5, а само устройство измерения отложения пыли в горных выработках устанавливают в горной выработке таким образом, чтобы кассета 8 с детектором 4 располагалась с подветренной стороны или сбоку за детектором 4, по ходу предполагаемого движения воздуха. Для съема данных кассета 8 с окном подключена к блоку счета и обработки данных 5.

Для безопасности использование источника 1 его выполняют в виде таблетки и утапливают в Г-образной стойке 6 со стороны, обращенной к окну кассеты 8.

Расположение источника 1 на расстоянии не более 5 см от коллектора 2 в потоке, где поперечные пульсации меньше, чем у коллектора 2, исключает влияние источника 1 на характер движения воздуха, из которого оседает пыль, и уменьшает вероятность осаждения пыли на источнике 1, что снижает погрешность измерения массы осадка.

Использование прямого поглощения бета-излучения источника 1 (углерода-14) пылевым осадком повышает эффективность использования радионуклида в источнике 1, что позволяет уменьшить активность радионуклида и повышает безопасность применения радиоизотопного способа измерения массы пылевого осадка и устройства его реализующего.

Изобретение относится к технике контроля запыленности поверхности горных выработок, промышленных помещений на предприятиях угольной, горно-металлургической и других отраслей промышленности и сельскохозяйственного производства, где присутствует взрывчатая пыль: угольная, сульфидная, мучная, пластмассовая и др. Техническим результатом является повышение эффективности и безопасности использования радиоизотопного способа измерения текущей массы пылевого осадка и упрощение конструкции устройства его реализующего. Предложен радиоизотопный способ измерения отложения пыли в горных выработках, заключающийся в использовании прямого поглощения мягкого бета-излучения пылью, осажденной на тонкую подложку-коллектор, которую располагают на детекторе, а источник углерод-14 в виде тонкой таблетки размещают на Г-образной стойке над коллектором на некоторой высоте от его центра. При этом измерение массы пылевого осадка производится в следующей последовательности. На детектор кладется тонкий коллектор, например фильтр АФА. Измеряется интенсивность I₀ потока бета-частиц, прошедших через фильтр, и далее производится измерение интенсивности потока бета-частиц в процессе осаждения пыли I_i. Определяется масса пыли в мг, осевшей на 1 см² поверхности, при этом k определяется из сравнения поверхностной плотности σ_i с величиной, определенной весовым методом, одновременно вычисляется погрешность измерения. Измерения σ_i происходят непрерывно с интервалами между измерениями, зависящими от скорости накопления осадка, до тех пор, пока погрешность Δσ_i/σ_i не достигнет заданной величины. Цикл измерения повторяется, пока величина массы осевшей пыли на фильтре не достигнет заданного значения. Результат представляется либо на цифровом табло, либо цветовыми сигналами, свидетельствующими о степени приближения массы осевшей пыли к критическому значению. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Радиоизотопный способ измерения отложения пыли в горных выработках, заключающийся в поглощении бета-излучения пылевым осадком с использованием устройства, включающего источник бета-излучения, детектор, коллектор и блоки обработки данных, отличающийся тем, что измерение массы пылевого осадка производят путем определения интенсивности прямого поглощения мягкого бета-излучения, измеряют интенсивность I₀ потока бета-частиц, прошедших через чистый коллектор в заданный промежуток времени, например 1-2 с, далее производят измерение интенсивности потока бета-излучения источника в процессе осаждения пыли I_i, а массу пыли σ_i в мг, осевшей на 1 см² поверхности, определяют по формуле

или ,

где σ_i - масса пыли в мг, осевшей на 1 см² поверхности;

I₀ - интенсивность потока;

I_i - интенсивность потока бета-частиц в процессе осаждения пыли;

μ - массовый коэффициент ослабления излучения, см²/мг;

с - коэффициент, связанный с конструктивными данными датчика;

определяют из сравнения массы σ_i с массой, определенной весовым методом, одновременно определяют погрешность измерения σ_i по формуле

,

а интервал между измерениями устанавливают в зависимости от требуемой точности определения заданной величины осадка и от самой величины осадка, при этом взрывоопасность пылеотложения, задаваемая величиной поверхностной плотности осадка σ_в (г/м²), определяют из соотношения

,

где σ_в - взрывоопасная величина поверхностной плотности пылевого осадка, г/м²;

с - нижний предел взрывчатости пыли, г/м³;

ν - объем выработки, м³;

S - поверхность выработки, м².

2. Радиоизотопный способ измерения отложения пыли в горных выработках по п. 1, отличающийся тем, что измерения производят непрерывно или с интервалами между измерениями, зависящими от скорости накопления осадка, до тех пор, пока погрешность Δσ_i/σ не достигнет заданной величины, например 25% или 15%, а цикл измерения повторяют, пока величина массы пыли на фильтре не достигнет заданного значения.

3. Устройство измерения отложения пыли в горных выработках, включающее источник бета-излучения, детектор, коллектор и блоки обработки данных, отличающееся тем, что оно выполнено в виде плоского основания с Г-образной стойкой, укрепленной на основании за блоком счета и обработки данных, к которому подключена кассета с окном, в которой установлены друг над другом детектор излучения, сетка, а сверху нее помещен тонкий коллектор (фильтр) с поверхностной плотностью 1,0-1,5 мг/см² (например, фильтр АФА-ВП-10 или НЭЛ-3), источник бета-излучения виде таблетки вмонтирован в углубленном ложементе на конце горизонтальной части Г-образной стойки на высоте не более 5 см от коллектора и своей активной частью направлен в сторону окна кассеты с подветренной стороны от блока счета и обработки данных и основания.