Радиоизотопный способ измерения пылеотложения в горных выработках и устройство для реализации Российский патент 2018 года по МПК E21F5/00 G01N1/10 G01N23/00 

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

Известны способы измерения пылеотложения угольной пыли в горных выработках, основанные на обратном рассеянии бета-частиц от подложки, на которой осаждена пыль из потока воздуха, и устройство в виде кольцеобразного источника бета-частиц, размещенного на периферии ионизационной камеры, прикладываемой к подложке [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].

Недостатком способа и устройства является то, что процесс непрерывно производимых измерений и слежения за накоплением пыли невозможен без участия человека.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ и устройство для измерения оседающей пыли во времени в выработках, содержащее корпус, детектор, пылесобирающую подложку, усилитель-формирователь и преобразователь сигнала, источник излучения, используется также 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 (прототип)].

Способ и устройство обладают следующими недостатками:

- доля бета-излучения от источника, попадающая на детектор, и КПД использования активности радионуклида в источнике излучения много меньше единицы. Эта доля излучения определяется телесными углами, под которыми смотрятся пылевой осадок от источника и детектор от рассеивающей бета-частицы подложки. Поэтому требуется большая активность радионуклида в источнике бета-частиц по сравнению с аналогами, особенно если измерять интенсивность бета-излучения, а не подсчитывать число частиц.

- в данном способе и устройстве (датчике) источник открытый, излучение направлно в сторону от боковой поверхности выработки, где могут находиться люди, и опасно для окружающих;

- источник не защищен от пыли, так как находится в пылевом потоке, что оказывает влияние на погрешность измерения массы осадка.

Из-за требуемой большей активности источника высока его стоимость.

Технической задачей изобретения является повышение безопасности и эффективности измерения текущей и критической массы пылевого осадка и устройство его реализующее.

Техническая задача решается за счет использования поглощения мягкого бета-излучения пылевым осадком, расположенным на тонкой подложке-коллекторе, процесс измерения разбивается на две фазы: осаждение пылевых частиц и измерение поверхностной плотности осадка. Поверхностная плотность пылевого осадка на коллекторе-подложке рассчитывается по формуле:

,

где N₀ - число частиц, прошедших через подложку-коллектор за время Δt;

N_i - число частиц, прошедших через пылевой осадок с подложкой за время Δt;

μ - массовый коэффициент ослабления излучения;

c=Δt/t;

k - коэффициент обусловлен конструкцией радиометрического узла и определяется из сравнения измеренной поверхностной плотности осадка с величиной, полученной взвешиванием.

Операция измерения σ^u_i повторяется до тех пор, пока не наберется заданная критическая поверхностная плотность пылевого осадка σ^u_n.

Устройство выполнено в виде радиометрического узла, состоящего из плоского круглого источника излучения бета-частиц и соосно расположенного равновеликого детектора, находящихся на расстоянии друг от друга, достаточном для размещения между ними подвижной каретки с вырезанными двумя круглыми отверстиями, расположенными друг за другом в одной плоскости, на которые помещают эталон-имитатор пылевого осадка и рабочий коллектор-подложку с возможностью попеременного перемещения в радиометрический узел, червячный механизм перемещения каретки связан одним концом с микродвигателем, а другим - с корпусом устройства, стойка с резьбой, скрепленная с кареткой, перемещает ее в радиометрический узел и обратно, и концевых выключателей двигателя, расположенных на корпусе устройства, фиксирующих положение каретки в радиометрическом узле и месте отбора пыли. В корпусе размещены электронные блоки расчета и индикации измерения, управления механизмом перемещения каретки и питания.

Устройство может размещаться в любом положении. Оно абсолютно безопасно, и в нем эффективно используется радионуклид.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана блочная схема устройства для измерения пылеотложения в горных выработках; на фиг. 2 - показан расчет σ^и - истинной величины пылеотложения, определяемой из подобия треугольников, где t - время осаждения пыли, Δt - время измерения σ осевшей пыли, величины t и Δt = Const.

Устройство для измерения пылеотложения в горных выработках содержит блок обработки информации - 1, блок управления - 2, блок питания - 3, микроэлектродвигатель - 4, блок индикации - 5, червячный механизм - 6; детектор бета-излучения -7, гайку, скрепленную с кареткой - 8, эталон-имитатор пылевого осадка - 9, источник бета-излучения С¹⁴ - 10, коллектор-подложку с пылью - 11, каретку - 12 с выполненными в ней в одной плоскости двумя отверстиями с ложементами для размещения в них эталон-имитатора пылевого осадка - 9 и рабочий коллектор-подложки с пылью - 11, концевые выключатели - 13, опорный подшипник скольжения - 14.

Способ реализуется следующим образом.

Используют процесс поглощения мягкого бета-излучения пылевым осадком, расположенным на тонкой подложке-коллекторе, процесс измерения разбивают на две фазы:

- осаждение пылевых частиц;

- измерение поверхностной плотности осадка.

Поверхностную плотность пылевого осадка на коллекторе-подложке -11 рассчитывают по формуле:

(1)

где N₀ - число частиц, прошедших через подложку-коллектор за время Δt;

N_i - число частиц, прошедших через пылевой осадок с подложкой за время Δt;

μ - массовый коэффициент ослабления излучения;

c=Δt/t;

k - коэффициент обусловлен конструкцией радиометрического узла и определяется из сравнения измеренной поверхностной плотности осадка с величиной, полученной взвешиванием.

Измерение поверхностной плотности σ^и производят, помещая коллектор-подложку -11 в радиометрический узел, подсчитывают число частиц N₀, прошедших через коллектор-подложку за время Δt. Подвижная каретка -12 перемещает коллектор-подложку в запыленную атмосферу (у стенки горной выработки), где происходит осаждение пыли в течение заданного времени t. По прошествии этого времени коллектор-подложку -11 с пылевым осадком возвращают в радиометрический узел, в котором подсчитывают число частиц N_i, прошедших через коллектор-подложку -11 с пылевым осадком за время Δt. Поверхностная плотность осадка σ_i вычисляют по формуле:

(2)

где μ - массовый коэффициент ослабления излучения;

N_i, - число частиц, прошедших через пылевой осадок с подложкой за время Δt;

N₀ - число частиц, прошедших через подложку за время Δt.

Так как за время Δt измерения поверхностной плотности осадка пыль не осаждалась на коллектор-подложку - 11, то истинная величина осадка σ^u_i в конце измерения его плотности (в конце t+Δt) равна:

(3)

где Δσ_i - масса пыли, отнесенная к поверхности осаждения, которая должна была бы осесть за время Δt.

Δσ_i определяется из подобия треугольников (см. фиг.2).

Δσ_i/σ_i=Δt/t=c,

где Δσ_i=σ_ic.

c - величина постоянная, так как Δt и t задаются исходя из интенсивности излучения источника бета-излучения С¹⁴ -10 и интенсивности пылеотложения.

Полученную поверхностную плотность пылевого осадка определяют из выражений:

(4)

или

(1+c) (5)

При этом в выражение (4) вводят коэффициент k, обусловленный конструкцией радиометрического узла:

(1)

k определяют из сравнения σ^u_n с величиной поверхностной плотности, определенной взвешиванием.

Операцию измерения повторяют n раз, пока не наберут заданную (критическую) поверхностную плотность осадка σ^u_n.

Исходные данные обрабатывают в блоке индикации - 5 и выводят на дисплей в цифровом виде в мг/см² или передают диспетчеру. В случае приближения σ^u_i к критической величине уровень опасности обозначается на дисплее цветами светодиодов: зеленым, желтым и красным.

При заданном отношении с=Δt/t << 1 (много меньше единицы, например, 0,01) накопление пыли определяют по формуле

(6)

При этом накоплением осадка за время Δt пренебрегают, а отрезок времени t накопления осадка задают величиной, большей времени измерения поверхностной плотности Δt, которая составляет вместе с временем перемещения коллектора-подложки -11, например, не более 3 c.

В общем случае использования формулы (5) при реальном времени Δt=3 c и с=Δt/t=0,01 время накопления пыли на подложке равно 5 мин, то есть данные о величине пылевого осадка поступают каждые 5 мин.

Меняя величину «с», уменьшают или увеличивают время отбора проб пыли на коллектор-подложку -11, то есть меняют периодичность предоставления информации.

Реализация способа иллюстрируется примером.

Пример.

Величину осадка на участке выработки l м за время t С оценивают по формуле:

где S - сечение выработки, м²;

ν - скорость пылевого потока (не более 4 м/с);

t - время накопления пыли на подложке, с;

n - концентрация пыли (мг/м³) в воздухе, поступающем в сечение выработки s;

S - поверхность (м²) выработки длиной l м;

Р - периметр выработки, м.

При s=2×2,5=5 м², ν=4 м/с, t=300 с, n=300 мг/м³, Рl=9⋅10 м², средняя поверхностная плотность пылевого осадка на участке выработки l = 10 м будет

или

σ=0,4 мг/см².

При концентрации пыли, равной нижнему пределу взрывчатости, например n_в=30 г/м³, поверхностная плотность осадка составит σ_в=σ⋅30/0,3=40 мг/см². Для измерения такой поверхностной плотности можно использовать технеций-97, который относится к третьему классу опасности.

При c=0,05, σ_в=8 мг/см², то есть критическая поверхностная плотность пылевого осадка может быть измерена по величине поглощения бета-излучения, испускаемого радионуклидом углерод-14, у которого максимальная величина пробега частиц составляет 22 мг/см² и который отнесен к четвертому классу опасности.

Устройство для измерения пылеотложения в горных выработках работает следующим образом.

Устройство выполнено в виде радиометрического узла, состоящего из плоского круглого источника излучения бета-частиц - 10 и соосно расположенного равновеликого детектора бета излучения - 7, находящихся на расстоянии друг от друга, достаточном для размещения между ними подвижной каретки - 12 с вырезанными двумя круглыми отверстиями, расположенными друг за другом в одной плоскости, и с ложементами, в которых помещают эталон-имитатор - 9 пылевого осадка и рабочий коллектор-подложку - 11 с возможностью попеременного перемещения в горную выработку и обратно в радиометрический узел при помощи червячного механизма - 6. При этом сам червячный механизм - 6 перемещения каретки связан одним концом с микродвигателем - 4, а другим концом с корпусом устройства, стойка с резьбой - 8 жестко скреплена с кареткой - 12 и перемещает ее в процессе измерений в горную выработку и обратно в радиометрический узел при помощи концевых выключателей - 13 микродвигателя - 4.

Концевые выключатели - 13 расположены на корпусе устройства и фиксируют положение каретки в радиометрическом узле и месте отбора пыли. С помощью размещенных в корпусе электронных блоков обработки информации -1, блоком управления механизмом перемещения каретки -2 и блоком питания -3 производят расчет и индикацию измерений.

Измерения пылеотложения в горных выработках производят путем использования прямого поглощения бета-частиц пылью, осажденной на тонкую подложку-коллектор -11, который размещают на ложементе над отверстием, выполненным в подвижной каретке -12. Каретку -12 периодически перемещают из радиометрического узла в положение для отбора пылевого осадка из атмосферы выработки и обратно в радиометрический узел. Радиометрический узел представлен в виде плоского круглого источника бета-излучения С¹⁴ -10 и соосно с ним расположенного равновеликого детектора бета-излучения -7. В подвижной каретке -12 выполнены два круглых отверстия, расположенные в одной плоскости в направлении перемещения каретки -12. В отверстиях выполнены ложементы. На ложемент одного из них накладывают эталон-имитатор пылевого осадка - 9, а на другой ложемент помещают рабочий тонкий коллектор-подложку -11, например, фильтр АФА-ВП-10. При этом эталон имитатор пылевого осадка -9 и рабочий тонкий коллектор-подложка - 11 в отверстиях каретки - 12 располагают заподлицо, т.е. ниже или вровень с верхней плоскостью каретки - 12, а эталон-имитатор пылевого осадка -9 устанавливают над отверстием, постоянно находящимся внутри корпуса устройства для измерения пылеотложения в горных выработках. Каретка - 12 перемещается при помощи привода микроэлектродвигателя - 4, прикрепленного к одному из торцов червячного механизма – 6, проходящего через отверстия стойки - 8, в которой выполнена резьба, а другой конец червячного механизма - 6 помещен в опорный подшипник скольжения - 14, жестко прикрепленный к стенке корпуса устройства. Предельные положения передвижения каретки -12 фиксируются концевыми выключателями - 13 микроэлектродвигателя - 4.

Полученные данные обрабатываются в блоке индикации - 5 и выводятся на дисплей в цифровом виде в мг/см² или передаются диспетчеру. В случае приближения σ^u_i к критической величине уровень опасности обозначается на дисплее цветами светодиодов: зеленым, желтым и красным.

Устройство является радиационно-безопасным и может размещаться в любом положении внутри горной выработки.

Изобретение относится к технике контроля запыленности поверхности на предприятиях угольной, горно-металлургической и других отраслей промышленности и сельскохозяйственного производства, где присутствует взрывчатая пыль: угольная, сульфидная, мучная и др. Техническим результатом является повышение безопасности и эффективности радиоизотопного способа измерения текущей и критической массы пылевого осадка и устройства, его реализующего, используется поглощение мягкого бета-излучения пылевым осадком, расположенным на тонкой подложке-коллекторе, процесс измерения разбивается на две фазы: осаждение пылевых частиц и измерение поверхностной плотности осадка. Поверхностную плотность пылевого осадка на коллекторе рассчитывают по приведенному математическому выражению. Операцию измерения поверхностной плотности осадка повторяют до тех пор, пока не наберется заданная критическая поверхностная плотность пылевого осадка σ^u_n. Раскрыто также устройство, выполненное в виде радиометрического узла, состоящего из плоского круглого источника излучения бета-частиц и соосно расположенного равновеликого детектора, находящихся на расстоянии друг от друга, достаточном для размещения между ними подвижной каретки с пылевым осадком, в каретке вырезаны два круглых отверстия, расположенные друг за другом, на которые размещают эталонную меру и рабочий коллектор, попеременно перемещаемые в радиометрический узел, механизм перемещения каретки выполнен в виде винта, связанного одним концом с микродвигателем, а другим - с корпусом устройства, и гайки, скрепленной с кареткой, которая перемещает каретку в радиометрический узел и обратно, и концевых выключателей двигателя, расположенных на корпусе устройства, фиксирующих положение каретки в радиометрическом узле и месте отбора пыли. В корпусе размещены электронные блоки расчета и индикации измерения, управления механизмом перемещения каретки и питания. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Радиоизотопный способ измерения пылеотложения в горных выработках, основанный на использовании взаимодействия бета-излучения с веществом, отличающийся тем, что для измерения текущей массы пылевого осадка используют прямое поглощение мягкого бета-излучения пылевым осадком на коллекторе, процесс измерения разбивают на две фазы: осаждение пыли и измерение поверхностной плотности пылевого осадка, причем соотношение времени измерения Δt и осаждения t много меньше единицы, поверхностную плотность пылевого осадка на коллекторе определяют по формуле:

где N₀ - число частиц, прошедших через коллектор за время Δt;

N_i - число частиц, прошедших через пылевой осадок с подложкой-коллектором за время Δt;

μ - массовый коэффициент ослабления излучения;

с=Δt/t;

k - коэффициент, который обусловлен конструкцией радиометрического узла, определяется из сравнения измеренной поверхностной плотности осадка с величиной, полученной взвешиванием;

операцию измерения σ^u_i повторяют до тех пор, пока не наберется заданная критическая поверхностная плотность пылевого осадка σ^u_n.

2. Устройство для измерения пылеотложения в горных выработках, содержащее корпус, источник бета-излучения, детектор, пылесобирающую подложку, усилитель-формирователь, преобразователь сигнала, отличающееся тем, что в него введены блок управления, блок обработки информации от детектора, блок питания, блок индикации, микроэлектродвигатель с червячным механизмом, стойкой, жестко скрепленной с кареткой и концевыми выключателями, источник бета-излучения С¹⁴, детектор бета-излучения, эталон-имитатор пылевого осадка и коллектор-подложка объединены в единый радиометрический узел, состоящий из плоского круглого источника излучения бета-частиц и соосно расположенного равновеликого детектора, укрепленных на возможно близком расстоянии друг от друга, но достаточном для размещения между ними подвижной каретки коллектора с пылевым осадком, в каретке вырезаны два круглых отверстия, расположенные друг за другом в одной плоскости и с ложементами, в отверстиях, на ложементах, размещены эталон-имитатор пылевого осадка и рабочий коллектор-подложка, механизм перемещения каретки выполнен в виде микроэлектродвигателя с червячным механизмом, стойкой, жестко скрепленной с кареткой и концевыми выключателями с кареткой, которая выполнена с возможностью перемещения в радиометрический узел и обратно, в корпусе размещены электронные блоки расчета и индикации измерения, управления механизмом перемещения каретки и питания.