Нейтронный влагомер сыпучих материалов Советский патент 1991 года по МПК G01N23/09 

повышения точности калибровки и расширения области применения, биологическая защита содержит сменнуго вставку, имеющую форму полого цилинд- ;

ра и охватывающую цилиндр, причем между сменной вставкой и биологической защитой помещен материал, поглощающий замедленные нейтроны.

1. НЕЙТРОННЫЙ ВЛАГОМЕР СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ, содержащий измерительный преобразователь, состоящий из источника быстрьгх нейтронов, .биологической защиты, выполненной из Бодородсодержащего материала, двух групп детекторов, одна из которых покрыта кадмиевым экраном, программно-вычислительный блок, два входа которого связаны с выходами обеих групп детекторов, и регистрирующий прибор, подключенный к первому выходу программнот-вычисли-; тельного блока, причем биологическая защита содержит цилиндр, выполненный из водородсодержащего материала, в котором помещен источник с поворотно-фиксирующим механизмом, вход которого подключен к второму выходу программно-вычислительного, блока, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повьш1ения точности калибровки и упрощения конструкции, в него введены датчик угла поворота цилиндра, шторка из поглотителя заме;ленньгх нейтронов с механ1тзмпм ее перемещения и указателем положения, и в биологической защите выполнены цилиндрическая полость лля размещения вьш1еупомянуто о цилиндра из водородсодержап1его материала, половина боковой поверхности которой окружена кадмиевьгн экраном, кромка которого находится на вертикальной плоскости, проходящей через ось цилиндра, а прямоугольная полость, поверхность которой покрыта материалом, поглощающим замедленные нейтроны, внутри цилиндра установлен экран из материала, поглощающего замедленные нейтроны, плоскость которого совпадает с верхней плоскостью прямоугольной полости в рабочем положении источника, в прямос: угольной полости установлены детекторы, а шторка является нижней стен|Кой прямоугольной полости в калибровочном положении источника, причем выходы датчика угла поворота цилиндра и указателя положения шторки соединены соответственно с третьим и четвертым входами программно-вы4 СП числительного блока, третий выход которого соединен с входом механиз-ч1 ма перемещения шторки. 05 2.Влагомер по п„ 1, отличающийся тем, что, с целью снижения активности источника, источник установлен в кольцевом высту пе цилиндра, детекторы расположены по обе стороны от выступа, а в био логической защите имеется кольцевой паз для размещения кольцевого выступа . 3.Влагомер по п. 1, о т л и .чающийся тем, что, с пенью

Изобретение относится к области радиоизотопного приборостроения, в частности к нейтронным влагомерам же лезорудных концентратов, дробленых руд и других сыпучих материалов, и может быть использовано на предприятиях черной металлургии, Известен нейтронный влагомер для доменного кокса, содержащий измерительньв преобразователь, программно-вычислительное устройство и конт iiep-калибратор. Измерительный преоб разователь содержит источник быстры нейтронов и две группы детекторов, образующих два канала регистрации, причем детекторы одной группы покры ты кадмиевым экраном, который обесп чивает смещение максимума спектраль ной чувствительности относительно максимума спектральной чувствительности детекторов, не покрытых кадми евьв- экраном. Выходы детекторов сое динены с входами програмь{но-вьгчисли тельного устройства. Измерительньп преобразователь установлен в обсадной трубе, которая погружена в бункер с контролируемым материалом, пр этом на спеп,иальной площадке расположен -Контейнер-калибратор, Для выполнения калибровки оператор извлекает из бункера измеритель ный преобразователь, вес которого составляет несколько десятков килограмм,и устанавливает ето в контейнер калибратор, а после проведения калибровк оператор снова устанавливает измерительный преобразователь в исходное положение. При таких перестановках измерительного преобра зователя оператор получает определе ную дозу нейтронного облучения, так как источник переносится без биологической защиты. Технически необходимо калибровку осуществлять при, мерно через 8-10 ч, однако ввиду трудоемкости кгшибровки и с целью снижения суммарной дозы облучения, получаемой обслуживающим персоналом, до санитарных норм, интервал времени меткду калибровками увеличивашт до 1 месяца, что в конечном итоге приводит к увеличению погрешности измерения влажности. Недостатками известного влагомера являются низкая безопасность обслуживания и трудоемкость калибровки. Из известных технических решений ближайшим к изобретению по своей технической сущности является нейтронный влагомер сыпучих материалов, содержащий измерительный преобразователь, состоягдай из источника быстрых нейтронов, биологической защиты, выполненной из водородсодержащего материала, двух групп детекторов, одна из которых покрыта кадмиевым экраном, программно-вычислительный блок, два входа которого связаны ci выходами обеих групп детекторов, и регистрирующий прибор, подключенный к первому выходу программно-вычислительного блока, причем биологическая защита содержит цршиндр, вьтолненньй из водородсодержащего материала, в котором помещен источник, с пово- ротно-фиксирующим механизмом, вход которого подключен к второму выходу программно-вычислительного блока. Его биологическая защита выполнена в виде двух эксцентрично расположенных внешнего и внутреннего цилиндров, причем последний содержит поворотнофиксирующий механизм, а первый окружен двумя парами синхронно-раздвижных поглотителей медленных нейтронов. Одна из них, вьшолненная в виде кадмиевых скоб, непосредственно охватывающих внешний цилиндр, охвачена другой парой поглотителей, вьтолненной в виде скоб из карбида бора, и обе пары скоб связаны с вторым поворотным механизмом, снабженным двумя шкалами для первой и второй пар скоб. Первый и второй поворотные механизмы соединены с входами программно-вычислительного устройства, а источник быстрых нейтронов расположен в пазу внутреннего цилиндра. Недостатками известного влагомера являются наличие погрешности калибровки, сложность конструкции, больш1; е габариты и вес биологической защиты и низкая безопасность обслуживания измерительного преобразователя , Цель изобретения - повышение точности калибровки и упрощение кон струкции. Цель достигается тем, что в нейт ронный влагомер сьтучих материалов, содержащий измерительный преобразователь, состоящий из источника быст рых нейтронов, биологической защиты, выполненной из водородсодержащего материала, двух групп детекторов, одна из которых покрыта кадмиевым экраном, программно-вычислительный блок, два входа которого связаны с выходами обеих групп дете торов, и регистрирующий прибор, под ключенньш к первому вЬпсоду программ но-вычислительного блока, причем би логическая защита содержит цилиндр, выполненный из водородсодержящего материала, в котором помещен источник, с поворотно-фиксирующим механизмом, вход которого подключен к второму выходу программно-вычислите ного блока, введены датчик угла пов рота цилиндра, шторка из поглотителя замедленных нейтронов с механизмом ее перемещения и указателем положения, а в биологической защите выполнены цилиндрическая полость для размещения (вышеупомянутого цилиндра, половина боковой поверхности которой окружена кадмиевым экраном из водородсодержащего материала, кромка которого находится на вертикальной плоскости, проходяп1;ей через ось цилиндра, и прямоугольная полость, поверхность которой покрыта материалом, поглощающим замедлен ные нейтроны, внутри цилиндра установлен экран из материала, поглощаю щего замедленные нейтроны, плоскост которого совпадает с верхней полостью прямоугольной полости в рабочем положении источника, в прямоуголь-50

ной плоскости установлены детекторы, а щторка является.нижней стенкой прямоугольной полости в калибровочном положении источника, причем пыходы датчика угла поворота цилиндра и указателя положения шторки соединены соответственно с третьим и четвертым входами программно-вычислительного блока, третий выход которопеда - полость, в которой установлены детекторы 8, 9, 10, 11, и цилиндр 6 в плоскости пересечения с прямоугольной полостью имеют экран 15 из поглотителя замедленных нейтронов, например карбида бора. Между детекторами и контролируемым материалом располо-. жена шторка 16 из поглотителя замедленных нейтронов. Посредством соединен с входом механизма пере-зещения шторки. Кроме того, с целью снижения активности источника, источник установлен в кольцевом выступе цилиндра, детекторы расположены по обе стороны от выступа, а в биологической защите имеется кольцевой паз для размещения кольцевого выступа. Кроме того, с целью повышения точности калибровки и расширения области применения, биологическая защита содержит сменную вставку, имеющую форму полого цилиндра и охватывающуго цилиндр, причем между сменной вставкой и биологической защитой помещен $атериал, поглощающий замедленные нейтроны. На фиг, 1 представлена схема нейтронного влагомера; на фиг.2 - разрез Л;-Л на фиг.1, на фиЬ. 3 - схема нейтронного влагомера, содержащего сменные вставки; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг.З. Влагомер содержит программно-вычислительный блок 1 и измерительный преобразователь 2, размещенный над сыпучим материалом 3, который перемещается конвейерной лентой 4. Из мерительный преобразователь 2 состоит из биологической защиты 5 и цилиндра 6 из водородсодержащего материала, например полиэтилена, капролона, источника быстрых нейтронов 7 и групп детекторов. Одна группа детекторов 8, 9 регистрирует интенсивность суммарного потока подкадмиевых и надкадмиевых нейтронов ( а другая группа детекторов 10, 11, покрытая кадмием, - интенсивность потока надкадмиевых нейтронов („). Цилиндр в центре боковой поверхности по окружности имеет цилиндрический выступ 12 с отверстием, в котором установлен источник быстрых нейтронов 7. На оси цилиндра 6 размещены поворотно-фиксирующий механизм 13 и датчик 14 угла поворота цилиндра. Основание прямоугольного параллелепи-

ханизма 17 перемещения шторка 16 открывает (рабочее положение) или перекрывает (положение калибровки) пространство между детекторами 8, 9, 10, 11 и контролируемым материалом 3. Положение шторки контролируется с помощью указателя 18 положения. На половине длины боковой поверхности цилиндрической полости имеется кадмиевый экран 19. Детекто|ры 8, 9, объединенные в канал 1,,, и детекторы 10, 11, объединенные в канал 1р, подключены к программновычислительному устройству 1. К третьему и четвертому входам программно-вычислительногоустройства подключены соответственно выходы датчика 14 угла поворота дилиндра и указателя 18 положения шторки. Сигналы управления с первого и второго выходов программно-вычислительного блока 1 подведены соответственно к поворотно-фиксирующему механизму 13 и механизму 17 перемещения шторки. На третьем выходе программновычислительного блока 1 формируется сигнал F(W)5 соответствующий влажности сыпучего мат-ериала, передаваемый в регистрирующий прибор 20.

Нейтронньш влагомер работает следующим образом. В рабочем положении источник 7 быстрых нейтронов расположен вблизи детекторов 8, 9, 10, 1 и контролируемого материала 3, шторка 16 открыта. Экран 15 из поглотителя замедленных нейтронов на цилиндре и прямоугольно полости находится в одной плоскости. Поток быстрых нейтронов от источника 7, замедляясь на ядрах водорода, содержащегося как во влаге сыпучего материала, так и в биологической заприте 5 и 6, преобразуется в поток замедленных (твпловьк и надтепловых) нейтронов. Однако, так ка детекторы 8, 9, 10, 11 со стороны биологической защиты полностью перекрыты экраном 15 из поглотителя замедленных нейтронов и водородосо- держащим материалом 21, они регистрируют поток замедленных нейтронов только со стороны контролируемого материала, т.е. осуществляется процесс измерения влажности. Значения интенсивности счета по каналам 1 и 1р, несущие информацию о влажности и плотности контролируемого материала, поступают, в программновычислительное устройство 1, где происходит их обработка по заданному алгоритму и вырабатывается выходной j электрический сигнал F(W) в такой форме, которая необходима для подачи в автоматическую систему управления технологих еским процессом. При калибровке сигнал U от программно-вычислительного устройства, /поступая в механизм 17 перемещения, переводит шторку 16 в положение, в котором последняя перекрьгаает пространство между детекторами 8, 9,

10, 11 и контролируемым материалом 3 (показано на фиг.1 пунктиром). Сигнал U« от программно-вычислительного устройства поступает в поворотнофиксирующий механизм 13, который

разворачивая по заданной программе .цилиндр 6 на определенный угол, контролируемый датчиком 14 угла поворота, поочередно переводит источник 7 быстрых нейтронов в калибровочные

точки 7 -7 (количество калибровочных точек определяется заданным алгоритмом функционирования влагомера). При повороте цилиндра 6 в экране 15 между детекторами 8, 9, 10, 11 и водородсодержащим материалом биологической защиты образуется щель, размеры которой зависят от угла поворота цилиндра. Одновременно изменяется расстояние между Источником 7 быстрьк

нейтронов и детекторами 8, 9, 10, 11. Все это приводит к соответствующему изменению потока замедленных нейтронов в области детекторов. При градуировке влагомера определяются и фиксиРУются необходимые углы поворота цилиндра 6, при которых значения интенсивности счета по каналам 7. и 1р со- ,, ответствуют аналогичным значениям для определенных точек диапазона

влажности и плотности контролируемого материала. Экран 19 из кадмия на половине длины боковой поверхности цилиндрической полости обеспечивает изменение соотношения потоков теп-

левых и надтепловьгх нейтронов, что характерно при изменении плотности контролируемого материала,

Влажность W контролируемого материала определяется из системы уравнений

WP,

+ а

+ а.

(1)

- b,wp + ) W f(a, a, , a, b, b,, b w p Для нахождения коэффициентов a, a и a 2 при калибровке решается следующая система уравнений II т Iw 0 W Ре ., а„ + a.W iW PC . , где 1, 1уу, 1 - значения интенсив ностей по первому каналу влагомера (тепловые нейтроны) в I, II и III калибровочных точках (см.фиг.1). ..Г .,11 ,.(11 «I л W , W , и , pfv, р, PJ, - значения влажности и плбтности, соответствующие I, II и III калибровочным точкам. Коэффициенты Ъ, b-j, b определяются аналогично для канала. I р в калибровочных точках V,VI и VII, .Таким образом, при повороте цилиндра 6 на строго фиксированные углы происходит независимое моделирование потока замедленных нейтроно (тепловых и надтепловых), соответст вующего определенной влажности и плотности контролируемого материала т.е. осуществляется процесс калибровки. После завершения калибровки цилиндр 6 с источником 7 и шторка 16 возвращаются в исходное положение и влагомер переходит в режим измерени влажности материала. В режиме хране ния источник 7 устанавливается в по ложение 7 , Таким образом, выполнение биологической защиты с центральной цилин рической полостью и цилиндра с жестко связаннь1ми с ними экраном из поглотителя замедленных нейтронов и кадмиевым экраном взамен двух эксцетрично-расположенных цилиндров с двумя независимыми парами синхронно раздвижных поглотителей в виде скоб упрощает конструкцию влагомера. Введение шторки из поглотителя замедленных нейтронов практически полностью позволяет исключить влияние, влажности контролируемого матери ала на процесс калибровки, которое в 61К) прототипе составляет 5-7%, т.е. повысить точность калибровки. Выполнение цилиндра с цилиндрическим выступом в центре, внутри которого имеется отверстие с источником быстрых нейтронов, позволяет в рабочем положении ввести последний в промежуток между детекторами, т.е. максимально приблизить к контролируемому материалу, что в свою очередь позволяет применить источник с более низкой активностью, а следовательно, уменьшить габариты и вес биологической защиты и повысить безопасность обсл живанйя влагомера. В прототипе биологическая защита выполняет две функции, во-первьк, защиту обслуживающего персонала от ионизирующего излучения $ во-вторых, являясь замедлителем нейтронов, создает поток замедленных нейтронов, определенная часть которого попада ет на детекторы во время калибровки. Во втором случае биологическая защита выполняет метрологические функции и поэтому должна сохранять свои физические свойства (плотность, пористость и т.д.) на протяжении дли-г тельного времени (например, межповерочного интервала) , так как измене-, ние этих свойств приводит к изменению поля замедленных нейтронов и, следовательно, к дополнительной погрешности калибровки. Введение вставки из водородсодержащего материала, например капроло- на, выполненной в виде полого цилиндра, усеченного плоскостью параллелепипеда, а также ма териала, поглощающего замедленные нейтроны, на- , пример карбид бора, между цилиндром и телом биологической защиты позволибо повысить точность калибровки. В этом случае формирование потока замедленных нейтронов происходит в цилиндре и вставке. Биологическая защита, которая может быть выполнена из парафина, полиэтилена, трансформатерного масла и т.д., выполняет только первую функцию и поэтому изменение ее физических свойств (плотности, пористости и т.д.), например от изменения температуры или других факторов, не приводит к снижению точности калибровки. Определим, как изменяется вес и абариты биологической защиты при применении источника с более низкой активностью. Плотность потока быстрых нейтронов за биологической защитой толщиной d равна . .е L - длина релаксации быстрого нейтрона в материале защиты. При снижении активности источник нейтронов в п раз такую же плотност потока быстрых нейтронов можно полу чить за защитной толщиной d. ф 4 откуда ud d d j L In n Так например, при использовании полиэтилена в качестве материала би ологической загциты, длина релаксаци нейтронов с. энергией 4 МэБ для кото рого составляет L 5 см и снижение активности источника в 9 раз, толпщ защиты уменьшается на 11 см. При радиусе внутренней цилиндрич ской полости, равном 10 см, длине нейтронного влагомера, равном 20 см снижение активности источника со средней энергией нейтронов 4 МэВ в 9 раз позволяет снизить вес биологи ческой защиты от 51 кг до 21 кг, т в 2,5 раза. Толщина вставок для каждого ко.нкретного исследуемого материала выбирается из условия равенства максимального потока замедленных нейтронов в калибраторе по току замедленных нейтронов от исследуемого материала при максимальном значении его влажности. Этим самым достигают ся минимальные требования к точности установки цилиндра в калибрацио ных точках и, следовательно, повышается точность калибровки. Кроме того, выполнение вставок сменными с различной толщиной позв ляет расширить диапазон моделирования потока замедленных нейтронов (тепловых и надтепловых), что дает возможность измерения влажности ма териалов с насыпной плотностью от 0,5 до 2,2 г/см и различным химическим составом, например граншлак железорудный или марганиевьвг кон1центраты и др. Таким образом применение сменных вставок в заявляемом нейтронном влагомере позволяет расширить область применения влагомера. Техническим преимуществом от использования предложенного нейтронного влагомера сыпучих материалов в условиях производства окатышей, концентрата и агломерата на предприятиях чбрной металлургии заключается в том, что точность определения влажности контролируемого материала за счет более точной калибровки по сравнению с прототипом увеличивается на 0,1%. Так, поток замедленных нейтронов 1пк1 области детекторов в режиме калибровки в калибровочной точке (i) для прототипа равен поток замедленных нейтронов, создаваемый калибратором в точке i; поток замедленных нейтронов, создаваемый контролируемым материалом. В общем случае T(t) является функцией влажности и п.потности контролируемого материала, которые при перемещении контролируемого материала меняются во времени. В предлагаемом влагомере за счет введения шторки из поглотителя замедлеИных нейтронов влияние материала уменьшается в К раз, т.е. где К - коэффициент ослабления. Коэффициент ослабления зависит от химического состава поглотителя и толщины щторки. Введение водородсодержащего материала в шторку со стороны исследуемого материала позволяет полностью исключить-влияние исследуемого материала на процесс калибровки, т.е. повысить точность калибровки. Применение капролоновой пластины толщиной 10 мм в шторке с карбидом бора снижает влияние исследуемого материала на изменение интенсивности во время калибровки до среднестатического разброса. В качестве шторки во влагомере используют экран из карбида бора толщиной 10 MM и капролоновой пластины толщиной 10 мм. Ниже приведены результаты калибровки для прототипа и изобретения. Калибровка прототипа и предлагае мого влагомера осуществлялась в четырех точках I, II, III, IV при переменной влажности контролируемого материала. Точка калибровки I соответствует минимальной влажности W j, и минимальной плотности PC АЛИ ц контролир 1 емого материала, точка II - максимальной влажности и минимальной плотности рс МИМ го «и И « ьной влажности W дд,« и максимальной плотности Рсмако точка IV - максимальной влажности максимальной плотности. Результаты приведены в таблице. Погрешность измерения влажности за счет влияния контролируемого материала на процесс калибровки для изобретения в среднем на 0,1% ниже.

U24

19