Нейтронный влагомер сыпучих материалов Советский патент 1984 года по МПК G01N23/12 

2. Влагомер поп.1, щийся тем, что по один из съемных блоков виде скобы и цилиндров содержащего материала, ных с возможностью вращения относительно своих осей, перпендикулярных направлению сквозного канала, а часть боковой поверхности цилиндров покрыта поглотителем замедленных нейтронов.

1. НЕЙТРОННЫЙ ВЛАГОМЕР СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ по авт.св. № 991271, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых влажностей при заданной точности измерений, калибратор имеет сквозной канал и расположенные по обе стороны от него два съемных блока соответственно из водородсодержащего материала и материала-поглотителя замедленных нейтронов, причем блоки выполнены с переменным сечением по длине сквозного канала.

Изобретение относится к радиоизотопному приборостроению, в частности к нейтронным влагомерам сыпучих материалов, и может быть использовано, например, в черной металлургии для определения влажности кокса аглошихты и железорудного концентрата . По основному авт.ев, № 991271 известен нейтронный влагомер сыпучих материалов,.содержащий корпус, измерительный преобразователь, калибратор (зталонньй блок) и программно-вычислительное устройство. Причем измерительньш преобразователь содержит источник быстрых нейтронов и две группы детекторов, одна из которых покрыта кадмиевым экраном, источник быстрых нейтронов, детекторы размещены на каретке, снабженной роликами, связанными с направляющими шинами, реверсивный двигатель связанный с приводом каретки, блок фиксаторов положения каретки в калиб раторе, содержащий подвижный шток с программно-задающими упорами, один конед которого связан с концевым выключателем и механизмом поворота (электромагнитом), и размещенный в полости калибратора, вьшолненного из водородсодержащего материала и имеющего два паза, в каждом из которых размещены ка,цмиевьй и боросодержащий фильтры, измерительный преобразователь, калибратор, реверсивньш двигатель с приводом каретки, блок фиксации каретки в калибраторе размещены в одном корпусе, выходы обеих групп детекторов связаны с соответствующи ми входами программно-вычислительно го устройства, первый выход програм мно-вычислительного устройства связан с двигателем, а второй - с блоком фиксаторов каретки в калибраторе. Влагомер работает в режимах Измерение и Калибровка, В режиме Измерение каретка с источником быстрых нейтронов,двумя группами детекторов и предусилителями с помощью двигателя устанавливается в рабочее положение (например, в бункер или над конвейером с контролируемым материалом). При этом материал облучается быстрыми нейтронами, которые замедляются на ядрах атомов водорода, содержащихся во влаге. Поток замедленных нейтронов регистрируется двумя группами детекторов : подкадмиевых и надкадмиевых нейтронов. Сигналы с выходов первой и второй группы детекторов поступают на соответствующие, входы программно-вычислительного блока, где по соответствующему алгоритму происходит обработка полученной информации и определяется значение весовой влажности контролируемого материала. Через заданньй промежуток времени программно-вычислительное устройство переводит влагомер в режим Калибровка. При этом с программновычислительного устройства на реверсивный двигатель поступает соответствующая команда, двигатель перемещает каретку с установленными на ней детекторами и источником быстрых нейтронов из рабочего положения (например, из бункера с материалом или с конвейера) в калибратор. Каретка устанавливается в заданной точке калибратора, в которой Моделируется поток замедленных нейтронов (подкадмиевых и надкадмиевых), соответствующих определенному значению влажности и плотности контролируемого материала. Каретка фиксируется в данном положении упором,установленным на подвижном штоке, послед3НИИ при перемещении кареткой включает концевой выключатель, который подает сигнал в программно-вычислительное устройство, осуществляющее набор и обработку импульсных сигналов с выходов групп детекторов. По окончании набора информации с выхода программно-вычислительного устройства поступает сигнал на механизм поворота штока (управляющую обмотку электромагнита), который поворачивает подвижньй шток с программно-задающими упорами вокруг своей оси, вьшодя упоры из зацепления с кареткой. При этом двигател передвигает каретку в калибраторе в следующее положение, соответствую щее новому значению влажности и плотности контролируемого материала И т.д. После окончания процесса калибровки по команде с программновычислительного устройства влагомер вновь переводится в режим Измерени при этом двигатель устанавливает каретку с детекторами и источником быстрых нейтронов в рабочее положение и процесс повторяется Л . Недостатками известного влагомер являются значительная погрешность измерения при работе в различных диапазонах влажности. Погрешность измерения обусловлен тем, что при калибровке эталонный блок должен как можно более точно моделировать нейтронное поле,причем энергетический спектр потока нейтро нов, создаваемого калибратором, дол жен соответствовать фактическому спектру потока нейтронов, создаваем го материалом. Так, одной группой детекторов (без кадмия) регистрируется поток нейтронов в диапазоне с энергией Еу-Ед (от тепловых нейтронов до нейтронов с энергией, определяемой источником), второй группо покрытой кадмиевым экраном, - в диа пазоне , причем . Условие калибровки датчика: ЕО ЕС б()Е(Е)ДЕ)Е jelEHU))izU)3e р(Е) - эффективность счетчика; 4 f(Е) - плотность потока нейтронов в материале;f.(E),f2(E) - плотность потоков нейтронов соответственно в пер-: вой и второй точках калибратора. При изменений эффективности счет- . а в(Е), например, от внешних вий - температуры и давления, ения или замены счетчика до чины E (Е) для получения ка-. венной калибровки должны соблюься условия ЕО Е e,iE)i(E)dE je,(,(E)jE ц. 1 ЕО ЕО еЛ)КЕ)сЗЕ.)1ДБ)сЗЕ Е2 2 истемы 1 и 2 можно записать ЕО Ео(eninE),if,lEiaE eiEz)JHE)clEe(E,jf,(6)jE ЕОЕО (g(U lclEEiE,lff,mcJE 1 ; VV eimlHE)aE (E2Uf,U)3t г 1,1,,,,,е,Ео. да FiEobF(,(E,Vr,(l,) 1 (5) UEo K iVF UoVfll lJ .) I |(7) FUo|-4l7l(oVF2{ U i,:(8) функции F, F и F2 - первообные функции f, f и f- соотретенно. Вычитая (5) из (7) и (6) из (8), учаем F(l-F(rUF.UH-r,(,)-0 1 .(9) г)-Ч гиРг((,ЬО . /

5

Система (9) имеет следующие реше

ния: при ;, /, j-|2 то равносильно (Е) б, (Е) ( , вйальный случай); при ,j i S ;,т.е. ,F2 или f f, f -, нейтронное поле в калибраторе должно совпадать с реальным полем от материала.

Таким образом, для повышения точности калибровки, а следовательно, и повышения точности измерения влажности, необходимо в одной точке эталонного блока создавать нейтронное поле, соответствующее нейтронному полю реального материала для обеих групп детекторов. В известном влагомере этого достигнуть очень сложно, так как имеется возможность перемещать кадмиевый и борсодержащи фильтры только вдоль каретки с дететорами, что эквивалентно перемещени только каретки, т.е. калибратор для начальной настройки имеет только одну степень свободы. В результате в известном влагомере применено раздельное эталонирование по каналам (в различных точках), что в итоге приводит к погрешности измерения влажности.

На практике необходимо измерять влажность сыпучих материалов в различных диапазонах влажности (кокс 0-10%, коксовая мелочь 0-15%, железорудный концентрат 0-25%) и плотности (кокс 0,40,6 г/::м i железорудный концентрат 2,0-2,9 г/см). При вьшолнении эталонного блока на весь диапазон изменения, например, плотности контролируемого материала необходимо увеличить длину калибратора (габариты измерительного преобразователя), что не всегда приемлемо, или увеличить градиент изменения нейтронного поля По длине эталонного блока, что в свою очередь увеличивает погрешность калибровки из-за неточности установки каретки в калибрационной точке.

Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых влажностей при заданной точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в нейтронном влагомере сыпучих материалов калибратор имеет внутри сквозной канал и расположенные по обе стороны от него два

75026

съемных блока соответственно из водородсодержащего материала и материала-поглотителя замедленных нейтронов, причем блоки выполнены 5 с переменным сечением по длине сквозного канала.

Кроме того, по меньшей мере один из съемных блоков выполнен в виде скобы и цилиндров из водородсодержащего материала, установленных с возможностью вращения относительно, своих осей, перпендикулярных направлению сквозного канала, а часть боковой поверхности цилиндров покрыта поглотителем замедленных нейтронов.

На фиг. 1 изображен предлагаемьй влагомер, общий вид; на фиг. 2 структурная схема влагомера; на

0 фиг. 3 - измерительный преобразователь, калибратор и корпус, продольный разрез; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг.З; на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 4.

Влагомер содержит (фиг.1) измерительный преобразователь 1, калибратор 2, корпус 3 и программно-вычислительное устройство 4. В измерительньй преобразователь входит

0 (фиг. 2 и 3) каретка 5, снабженная роликами 6, на которой установлены источник 7 быстрых нейтронов и две группы детекторов. Одна группа детекторов 8 и 9 регистрирует интен5 сивность суммарного потока надкадмиевых и подкадмиевых нейтронов Зг) а другая группа детекторов 10 и 11, покрытая кадмиевым экраном - интенсивность потока надкадмиевых нейтро нов Зр . Детекторы 8, 9 и 10, 11 подключены через усилители-дискриминаторы 12 и 13 к соответствующим входам программно-вычислительного устройства 4. С помощью реверсив ного двигателя каретка 5 перемещается по направляющим шинам 14 и 15, закрепленным на рамке 16. На валу реверсивного двигателя 17 установлен блок 18. Блок 19 обратной пере дачи закреплен на рамке 16. Меяду блоками установлен трос 20, связанньй с кареткой 3. На рамке 16 закреплен блок 21 фиксации каретки в рабочем положении с датчиком 22 рабо5 чего положения каретки. Рамка 16 жестко связана с фланцем 23, на котором установлены реверсивный двигатель 17 и элементы управления 7

/ /

регулятор 24 мощности двигателя и ключ 25. На рамке 16 закреплен блок 26 фиксаторов каретки в калибраторе содержащий подпружиненный шток 27 с механическими упорами 28-31, механизм 32 поворота и концевой выключатель 33. Фланец 23 с установлеными элементами закрьтается крышкой 34. Одна из направляющих шин 15 выполнена в виде полой трубки со штуцером 35, подключаемым к магистрали со сжатым воздухом. На крьнпке 34 установлен воздушный клапан 36.

Корпус 3 влагомера содержит (фиг. 3 и 4) соединенные мелду собой обсадную трубу 37, фланец 38 и кожух 39, причем кожух 39 соединен с фланцем 38 с помощью шарнирного сочленения 40 и 41. Внутри кожуха 39 размещен калибратор 2, представляющий собой прямоугольный параллелепипед из водородсодержащего материала, например капролана, выполняющего роль биологической защиты. В калибраторе имеются пазы 42-45, в которых размещены поглотители замедленных нейтронов. Калибратор имеет два съемных блока 46 и 47, выполненных из водородсодержащего материала и поглотителей замедленных нейтронов, например пластин 48-50 (фиг.5) из капролана, карбида бора и кадмия. Съемные блоки 46 и 47 расположены по обе стороны сквозног канала 51 (фиг.4), сквозь который проходит рлмка 16 внутрь обсадной трубы 37. Один из съемных блоков 46 вьтолнен в виде скобы 52 и цилиндро 53-58 (фиг.5). Часть боковой поверхности цилиндров покрыта поглотителем замедленных нейтронов, например кадмиевым экраном 59.

Цщгандры имеют фиксаторы 60 (фиг.4) и могут вращаться вокруг своей оси в процессе настройки. Подвижный шток 27 блока 26 фиксаторов каретки закреплен в калибраторе на рамке 16 с помощью стационарного механического упора 61 и подпружинен-пружиной 62 (фиг.З).

Нейтронный влагомер работает следукицим образом.

Корпус 3 влагомера закрепляется на бункере с контролируемым материалом, причем обьадная труба 37 вводится непосредственно в бункер.

В режиме Измерение каретка 5 (фиг.З) с установленнь 1И на ней

17502

детекторами 8-11 и источником 7 быстрых нейтронов с помощью двигателя 17 переводится в рабочее по ложение, где фиксируется фиксатором 5 21. При этом срабатьшает датчик 22 рабочего положения каретки, сигнал с которого поступает на программновычислительное устройство 4, которое соответственно выключает реfO версивный двигатель 17 привода каретки.

Поток быстрых нейтронов от источника 7, замедляясь на ядрах водорода, содержащегося во влаге сыпуче15 го материала, преобразуется в поток замедленных нейтронов (подкадмиевых и надкадмиевых), которые регистрируются двумя группами детекторов 8, 9 и 10, 11. Значения интенсивности

20 счета по каналам 3 и 3 п несущие информацию о влажности и плотности контролируемого материала, через усилители-дискриминаторы 12 и 13 поступают на соответствующие входы

25 программно-вычислительного устройства 4, где происходит их обработка по заданному алгоритму и вьрабатьшается выходной электрический сигнал F(W) в. такой форме, которая необхоQ дима для подачи в автоматическую систему управления технологическим процессом.

В режиме Калибровка соответствующая команда, поступающая с программно-вычислительного устрой5ства 4, включает реверсивный-двигатель 17, которьв переводит каретку 5 с источником 7 бьютрых нейтр)онов и детекторами 8-11 из рабочего положения в калибратор 2. Каретка 5

0 устанавливается в первую калибровочную точку, в которой она фиксируется блоком 26 фиксаторов каретки в калибраторе с помощью механического упора 28, установленного в определенном месте подвижного подпружиненного штока 27.

Фиксация происходит спедукицим образом.

0 При перемещении в калибраторе каретка 5 входит в зацеплени с механическим упором 28, вызывая перемещение штока 27, связанного с концевым выключателем 33. Последний

5 при этом срабатывает, подавая кон тактами 33.1 на соответствующий вход программно-вычислительного устройства сигнал о достижении за91данной точки калибровки. Одновреме но сигнал с контактов 33.2 концево выключателя поступает на ключ 25, KOTopbrii управляет регулятрром 24 м ности реверсивного двигателя 17. Последний продолжает перемещать шток 27 на пониженной мощности до стационарного механического упора 61, а затем стопорится им. Нейтрон ный поток в первой калибровочной т Ке соответствует нейтронному поток Для определенной точки диапазона влажности и плотности контролируемого материала, например У/ллакс PcMQKC программно-вычислительно устройстве осуществляется набор, усреднение и зaпo шнaниe интенсивностей сигналов с выхода группы де Текторов 8 и 9, регистрирующей суммарный поток подкадмиевых и Надкадмиевьгх нейтронов 3w и вых да группы детекторов 10 и 11 надКадмиевых нейтронов J р . В общем случае значения интенсивностей сиг налов являются функциями влажности и плотности контролируемого материала . Для небольших диапазонов измерения влажности контролируемого ма териала, например, для доменного Кокса (0-15%), интенсивности можно представить в линейном виде: 3,JV «„40,0,2 pel Vm Т t 1 1 / р Ьо+Цру + Ц PC j ,, / PC Pw плотность сухого и влажного веществ; Q 0 коэффи1диенты, определяющие фоновые сигналы на выходах соответственно каналов Jv и л ; 1 Ъ, коэффициенты, опред ляющие чувствительность каналов к объемной влажности материала; а2 и bg - коэффициенты, опред ляющие чувствительность каналов к насьтной плотности ма териала. Так как в процессе измерения необходимо контролировать весовзто влажность материала, определяя ее какл тему уравнений (10) преь:, .pc + Ьгpc . ляя значения J и Jp для ений влажности W и лотности Рс min Рс max, еделить значение коэффи и vvMavcc-vvMMH xfj макс. w МИИ -интенсивность сигнала канала 3 при минимальной влажности YTiin минимальной плотности Pf rrt-in контролируемого материала, min то же, при минимальной влажности максимальной плотности PC max контролируемого материала. f -f MOKC -WfAOKc - WMaKC -V -V лмин wMviH j 1: (13) -интенсивность сигнала канала при максимальной влажности Wjyigy и минимальной плотности Р(.- KOHTpojjwpyeMoro материала, то же, при максимальной влажности Wf(.j(x и максимальной плотности Рсмакс контролируемого материала . чно Оомин- ЬЗ I рллакс. -рммнйормин JnMOiKC.. ая -1 1 I авляя в выражение (11), IpOi- b llvK- p чно можно найти значение а, Ь и тов а Коэффициенты a и Эл , b и b связаны соотношениями л)ААин. МИН макс 0 0 л/тах-ь3рмак-С . рмсякс.- -рмин. Выражение (13) можно представит в следующем виде; А1ЛАИМ. А МОИсС. МИнЛрс№ИН. Отсюда I MOKC WMH РСМИН. MOIv;C AMH /ГС/ЛИН Подставляя (16) и (17) в (15), получаем p VWAAMH W r , х Li Y макс, лин-1 ч - ч .-1 J IiJjlWMH Jp-WMMH - Ч Jyvw«H. ч -V JpMMH, - рАЛИН. °0 Таким образом, для определения влажности контролируемого материал по текущим значениям интенсивности сигналов каналов 0 и 3 n необхо мо знать значения интенсивности сигналов в четырех фиксированных т ках диапазона измерения влажности и плотности р т.е. wmax пpиWд o cИ pc/waKc WMOKC и Ермаке PC WMOIKC РМИН nP WfvvMH UPCMOIICC WMHH JpwHH ирсммнДанным значениям интенсивности сигналов соответствуют значения нейтронного потока, которые опред ляются при первичной градуировке влагомера и в последующем моделир ются калибратором. Первичная градуировка осуществл ется следукнцим образом. При известных значениях W и О. (например, V кс Рсмакс ) к тролируемом материале определяют значения и Др ,. Затем,переме 2 щая каретку по длине калибратора, находят точку с аналогичным значением Зр (изменение нейтронного потока обеспечивается различным взаимным расположением водрродсодержащего материала и поглотителей замедленных нейтронов относительно сквозного канала по его длине). Точка фиксируется упором на подвижном штоке. Вращая цилиндр из водородсодержащего материала, часть боковой поверхности которого покрьгга кадмием, добиваются в этой же точке требуемого значения .j . Изменения счета по каналу Ор не происходит, так как наличие и расположение кадмия в калибраторе практически не влияет на детекторы, покрытые кадмием. Аналогично находятся в калибраторе и другие калибровочные точки. При изменении вида сьшучего материала (например, кокса с Р(. 0,40,6 г/см на железорудный концентрат с Р 2,4-2,9 г/см) в калибраторе заменяются сменные блоки, а влагомер вновь градуируется. Таким образом, в калибраторе возможно воспроизведение и регулирование потока нейтронов, соответствующего потоку, образуемому в материале с определенными параметрами (во всем диапазоне изменения влажности и плотности),причем воспроизведение потока нейтронов для обоих каналов осуществляется плавно, одновременно и независимо один от другого в различных точках калибратора. Каретка в рабочем положении должна фиксироваться на максималь- хном расстоянии от стенок, в центре бункера. При определенной длине рамки 16 и обсадной трубы 37 это достигается перемещением блока 21 фиксации каретки в рабочем положении в процессе настройки влагомера для конкретных условий установки в бункере с контролируемым материалом. При выполнении профилактических и ремонтных работ измерительный преобразователь 1 вьшимается из корпуса 3 с калибратором 2, при этом основная масса влагомера остается закрепленной на бункере. Так как контролируемый материал обладает абразивными свойствами,по мере износа обсадной трубы из корпуса влагомера извлекается измерительньй преобразователь 1, калибр тор 2 в кожухе 39 поворачивается на шарнирном сочленении 40 и 41, освобождая доступ к обсадной трубе 37, которая.заменяется без пол го демонтажа влагомера. Сжатьй воздух, поступающий по полой направляюш.ей 15 непосредств но к каретке 5, охлаждает последн при высокой температуре контролируемого материала, например доменного кокса сухого тушения. Одновременно в полости корпуса влагомера создается избыточное давле определяемое точкой срабатывания

5 21 37 IS .

лХ - ,,., с, 7,, ,, Л;

П S 22 2 душного канала 36, что препятствует попаданию пыли, влаги и т.д. внутрь влагомера. Техникою экономическая эффективность от использования предлагаемого влагомера сыпучих материалов на предприятиях черной металлургии заключается в том, что повьшается точность определения влажности контролируемого материала за счет более точной калибровки, оптимального расположения каретки в бункере и стабилизации температуры детекторов. Одновременно упрощается процесс эксплуатации.

I SO

I 4Г

J.

I 51 J9 76 45 47

Фиг.4