Импульсный нейтронный способ определения влажности материалов Советский патент 1991 года по МПК G01N23/02 

Изобретение относится к исследованию химических и физических свойств веществ, в частности к способам оп ределения влажности с помощью потока быстрых нейтронов, и может быть использовано, например в черной металлургии для определения влажности кокса, агломерационной шихты и т.д.

Известен способ определения влажности материалов, заключающийся в том, что материал облучают импульсным потоком быстрых нейтронов от нейтронного генератора, затем временным анализатором импульсов регистрируют поток тепловых нейтронов в канале шириной h. с. задержкой ty относительно момента начала нейтронного импульса. По числу зарегистрированных импульсов находят декремент затухания плотности тепловых нейтронов, по величине которых определяют влажность материала.

Недостатком способа является значительная погрешность измерения, связанная с регистрацией абсолютного значения потока тепловьк нейтр.онов. Нестабильность выхода нейтронного генератора, а также нестабильность коэффициента передачи измерительного тракта влияют на число зарегистрированных импульсов в канале шириной At, по которому определяется декремент затухания, что приводит к значительным пргрешностям измерения.

При измерении влажности многотоннажных масс материалов в черной металлургии таких как кокс, аглошихта, железорудные концентраты, ограниченньй объем исследуемого ма. териала приводит к погрешности измерения за счет малой представительности пробы и сужает область применения способа.

Указанные недостатки частично устранены в способе измерения влажности материалов, который является наиболее близким к изобретению и заключается в том, что исследуемый материал облучают импульсным потоко быстрых нейтронов, регистрируют временное распределение потока тепловых нейтронов и определяют общее время распределения m

Т itX.

.

где u.t - ширина канала временного

анализатора, m

Nt, - сумма временных каналов k- занятая распределением. По величине общего времени распределения Т определяют влажность

материалов, предварительно проградуировав шкалу общего времени распределения Т по влажности.

Недостатком этого способа является незначительная погрешность измерения влажности за счет погрешности

т

N.

регистрации параметров

точk -i

ное определение которого затруднено вследствие ассимптотического хода кривой временного распределения потока тепловых нейтронов.

Недостатком этого способа являет ся также значительная погрешность измерения влажности от измерения содержания поглощающих элементов, например железа, марганца, хлора, ъ исследуемом материале, а также за йисимость результатов измерения от плотности контролируемого материала.

Целью изобретения является снижение погрешности измерения и расширение области применения способа. Поставленная цель достигается тем, что, в способе определения влажности материалов, заключающемся в том, что исследуемьй материал облучают импульсным потоком быстрьк нейт ронов и регистрируют временное распределение потока тепловых нейтро нов, определяют время от начала нейтронного импульса до наступления максимума потока тепловых нейтронов, 5 регистрируют временное распределение потока надтепловых нейтронов и определяют среднее время пребьшания нейтрона в надтепловой области, а влажность материала находят из вьфажения 0 , . .. ,WC. ,. , Ч. ,WC

(,) ()b,l

с

где W( - влажность материала, %, t - время от начала нейтронного импульса до наступления . максимума потока тепловых нейтронов t

t.. - среднее время пребьгеания нейтрона в надтепловой области, определяемое по

формуле

со .

t0 (E,t )dt

t

H uo;

j (E t)dt

t

где t - длительность импульса быстрых нейтронов. b(, b,,, с , Cj, c, dp dg, постоянные коэффициенты для данного материала, причем отношение длительности импу са быстрых нейтронов ко времени от рачала импульса быстрых нейтронов до наступления максимума потока тепловых нейтронов в сухом материале выбирают не превышающим 0,2, а период следования импульсов быстрьп нейтронов - не меньшим времени жиэ ни тепловых нейтронов в сухом мате риале. Сущность изобретения иллюстрируется следующими зависимостями: фиг. 1 - график временного распределения потока тепловых нейтронов при различных значениях влажно сти и определение общего времени распределения Т по прототипу; фиг. график временных распределений импульсов быстрых нейтронов Ф, потока Фн надтепловых нейтронов и потока Ф-г тепловых нейтронов. Снижение погрешности измерения влажности в данном способе по сравнению с прототипом достигается тем, что в нем определение положения мак симума потока тепловых нейтронов и среднего времени пребывания нейтронов в надтепловой области производится с большей точностью, чем общее время распределения нейтронов, вследствие того, что- это время зависит от химического состава исследуемого материала (поглощающих элементов) , имеет ассимпатический ход кривой, а также чувствительно к изменению выхода импульсного источника нейтронов. Расширением области -применения способа по сравнению с прототипом является возможность измерения влаж ности в материалах с различным содержанием аномально поглощаюпщх элементов, например железа, марганца, хлора. Для ослабления зависимости измерения влажности от содержа/ния поглощающих элементов необходимо измерять параметры потоков нейтронов на малых временах замедления. Такими параметрами являются время t-j от начала нейтронного импульса до наступления максимума потока тепловых нейтронов и среднее время t ц пребывания нейтронов в над тепловой области. 6 Для определения влажности материалов по данному способу предварительно получают экспериментальные зависимости f(w,|)) -iTa пробах материалов .с известными значениями влажности (w) и плотности материала, в требуемом диапазоне их измерения. По данным экспериментов ап проксимируют аналитическиб функции f (w, р ) д I(w, р ), а влажность материала определяют из выражения вида: W F(t, t), которое находят, решая систему уравнений:tM f.p). Ч . По результатам экспериментов зависимости tц от влажности w. .кплотности р кокса определены в виде -б W 1 м (t Ь,р)3. -ь d, -CiW tH ()1 + d. Исключая из системы уравнений (1)0 олучим WPi . wCo (t.. -(,1 .-т а, bj - , с Определив значения t для маериала с произвольной влажностью и лотностью и подставив эти значения формулу (2), можно определить влажость материала w. Процесс измерения и определения лажности по способу сводится к слеующему:для проб материала с известными начениями влажности и плотности по ременному распределению плотности епловых и надтепловых нейтронов опеделяют значения tj, и с , .1 етодом наименьших квадратов опеделяют зависимости t и t от лажности и плотности материала, т.е. пределяют коэффициенты а, Ь , с, , а, bg, ci и djB системе 1. Значения коэффициентов подставяют в формулу (2).. , Производят измерения на исследумом материале. По полученным зна- ениям tfj н определяют влажность атериала по формуле (2).

Способ может быть реализован, например, на вьшускаемой промышленностью аппаратуре.

Источником излучения служит импульсный генератор быстрых нейтроно ИГН-А с длительностью нейтронных ипульсов 10 же и частотой 400 Гц. Срний выход нейтронов составлял 5 )i10 нейтр/с. Для регистрации потока надтепловых нейтронов применяют детектор на основе счетчикд медленных нейтронов СНМ18-1, покрытый кадмиевым экраном. Регистрацию тепловых нейтронов определяют как разность показаний счетчика СНМ-18-1 без экрана и показаний такого же счетчика с экраном из кадмия. Исследуемый материал (мелкий кокс с различной влажностью) помещают в железный ящик с размерами 80X80 Х50 см , генератор нейтронов и детекторы размещают в цилиндрических каналах внутри материала.

. . . / ,

Время t дц от начала нейтронного импульса до наступления максимума определяют по сглаженным спектрам тепловьрс нейтронов с точностью до О,1 МКС. Сглаживание спектров производилось полиномом 2-й степени с помощью ЭВМ, например СМ-1.

Среднее время t пребывания нейтронов в надтепловой области определяют по формуле оо

21Ф -f

Н

Ри;

где „1 - значение потока надтбпловьп4 нейтронов в момент времени t; |, t . - длительность нейтронного

импульса.

По результатам экспериментов методов наименьших квадрантов получены уравнения:

-О t (89,1-77,38)1 + 37,5

-O.

t.. (27,6 - 238)1

+ 26

U

Из уравнения (2) определяют значения влажности для экспериментальны материалов с различной влажностью и плотностью.

Преимуществом способа является то, что измеряемое значение влажности не зависит от плотности измеряемого материала вследствие того, что измеряются два параметра потока замедленных нейтронов, один из которых используется для коррекции качения влажности по плотности материала. Это преимущество весьма эффективно в промышленном производстве и позволяет определять влажность материала с различным значением плотности. Так, например-, в доменном производстве способ может быть эффективно использован для: измерения влажности кокса вбункерах, где насыпная плотность изменяется в диапазоне 0,4-0,6 г/см в зависимости от грансрстава и влажности, что позволяет улучшить режим технологического процесса и качество выплавляемого чугуна.

ЯМГ1УЛЬСНЫЙ НЕЙТРОННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ МАТЕРИАЛОВ, заключающийся в том, что исследуемый материал облучают импульсным потоком быстрых нейтронов и регистрируют временное распределение потока тепловых нейтронов, отличающийс я тем, что, с целью сшшеиия погрешности измерения и расширения области применения способа, определяют время начала нейтронного импульса до наступления максимума псэтока тепловых нейтронов, регистрируют временное распределение потока надтепловьгх нейтронов и определяют среднее время пребывания нейтрона в надтепловой области j а влажность материала находят из выражения С, d,)b,l tM( d,)b,. - (t влажность материала5%, где V7 время от начала нейтронно мго импульса до наступления максимума потока тепдовых нейтронов, t ц - среднее время пребывания нейтрона в надтепловой области, i определяемое по формуле (Л 00(У t., t(p(E t)dt/ )()dt, t s - длительность импульса быстрых нейтронов, .b,, bjfC C(,C2jd4,d2 постоянные коэффициенты для данного материала, причем отношение длительности импульса быстрых нейтронов ко времени от начала импульса быстрых нейтронов до наступления максиму1-1а потока тепловых нейтронов в сухом мате. риале выбирают не превышакнцим 0,2, О1 а период следования импульсов бысто рых нейтронов не меньшим времени жизни тепловых нейтронов в сухом материале.