Нейтронный влагомер сыпучих материалов

.П.До Пыхти и др.Бюллация,очки е цилио обе логичес паэ для и. 1, о т л и ;тем, что, с цецю агоме Вл о щ ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР А ВТОРСНОМУ СВй(56) Стройковский А.К. Влагомер для доменного кокса етеньинститута ЧерметинАорм "ф э1977,2, с,52-53,Авторское свидетельство СССР766267, кл. С 01 М 23/09, 1979.(54)(57) 1. НЕЙТРОННЫЙ ВЛАГОИВРСЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ, содержащий измерительный преобразоватЕль, состоящий из источника быстрых нейтронов, .биологической защиты, выполненной из водородсодержащего материала, двух групп детекторов, одна изкоторых покрыта кадмиевым экраном,программно-вычислительный блок, двавхода которого связаны с выходамиобеих групп детекторов, и регистрирующий прибор, подключенный к первому выходу программно-.вычисли-:тельного блока, причем биологическая защита содержит цилиндр, выполненный из водородсодержащего материала, в котором помещен источник споворотно-Фиксирующим механизмом,вход которого подключЕн к второмувыходу программно-вычислительного,блока, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности калибровки и упрощения коыструкции,в него введеыы датчик угла поворотацилиндра., шторка из поглотителя за 2ме ленных нейтронов с механизмом ее перемсшения и указателсм положения, а в биологической защите выполнены цилиндрическая полость лля размещения вышеупомянутого цилиндра из водородсодержащего материала, половина боковой поверхности которой окружена кадмиевым экраном, кромка которого находится ыа вертикапьыой 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 прямоугольной полости установлены детекторы, а шторка является нижней стенкой прямоугольной полости в калибровочном положении источника, причем выходы датчика угла поворота цилиндра и указателя положения шторки соединены соответственно с третьим и четвертым входами программно-вычислительного блока, третий выход которого соединен с входом механизма перемещения шторки.2. Влагомер по и. 1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью снижения активности источника, исстановлеы в кольцевом выстудра, детекторы расположены тороыы от выступа, а н бцоой защите имеется кольцевойразмещения кольцевого вы1145761 повып 1 ения точности калибровки и расширения области применения, биологическая защита содеркит сменнуювставку, имеющую Форму попого цилинд-,5 Изобретение относится к области радцоизотопного приборостроения, в частности к нейтронным влагомерам железорудных концентратов, дробленых руд и других сгппучих материалов, и может быть использовано на предприятиях черной металлургии. 15 Известен нейтроццый влагомер для доменного кокса, содержащий измерительньп преобразователь, программно-вычислительное устройства и контей 10 нер-калибратор, Измерительный преобразователь содержит источник быстрых нейтронов и две группы детекторов, образующих два канала регистрации, причем детекторы одной группы покрыты кадмиевым экраном, который обеспечивает смещение максимума спектральной чувствительности относительно максимума спектральной чувствитель" ности детекторов, не покрытых кадмиевым экраном, Выходы детекторов соединены с входами программно-вычислительного устройства. Измерительньп преобразователь установлен в обсадной трубе, которая погружена в бункер с контролируемым материалом при35 этом ца специальной площадке расположен контейнер-калибратор.Для выполнения калибровки оператор извлекает из бункера измеритель 40 ный преобразователь, вес которого составляет несколько десятков кило/грамм,ц устанавливает его в контейнер- калибратор, а после проведения калибровки оператор снова устанавли 45 вает измерительный преобразователь в исходное положение. При таких перестановках измерительного преобразователя оператор получает определенную дозу нейтронного облучения, так как источник переносится без биола 50 гической защиты, Технически необходимо калибровку осуществлять при,мерно через 8-10 ч, однако ввиду трудоемкости калибровки и с целью снижения суммарной дозы облучения, получаемой обслуживающим персоналом, до санитарньгх норм, интервал времени между калибровками увеличира и охватывающую цилиндр, причеммежду сменной вставкой и биологической защитой помещен материал, поглощающий замедленные нейтроны. вают 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 решенийближайшим к изобретению по своей технической сущности является нейтронный влагомер сыпучих материалов, содержащий измерительный преобразователь, состоящий из источника быстрых нейтронов, биологической зашиты,выполненной из водородсодержащегаматериала, двух групп детекторов,одна из которых покрыта кадмиевымэкраном, программно-вычислительныйблок, два входа которого связаны с.выходами обеих групп детекторов, ирегистрирующий прибор, подключенныйк первому выходу программно-вычислительного блока, причем биологическаязащита содержит цилиндр, выполненньпг из водородсодержащего материала,в котором помещен источник, с поворотно-фиксирующим механизмом, входкоторого подключен к второму выходупрограммно-вычислительного блока,Его биологическая защита выполнена в виде двух эксцентрично расположенных внешнего и внутреннего цилиндров, причем последний содержит поворотноФиксирующий механизм, а первый окрукен двумя парами синхронно-раздвижных поглотителей медленных нейтронов. Одна из них, выполненная в виде кадмиевых скоб, непосредственно охватывающих внешний цилиндр, охвачена другой парой поглотителей, выполненной в виде скоб иэ 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 быстрьг нейтронов расположен в пазу внутреннего цилиндра.Недостатками известного влагомера являются наличие погрешности калибров"о соединен с входом механизма пере"лещения шторки,Кроме того, с целью снижения ак 5тивности источника источник устаЭновлен в кольцевом выступе цилиндра, детекторы расположены по обе стороны от выступа, а в биологическойзащите имеется кольцевой паз дляразмещения кольцевого выступа,Кроме того, с целью повышенияточности калибровки и расширения области применения, биологическая за 511 ки, сложность конструкции, большце габариты и вес биологической защиты и низкая безопасность обслуживания измерительного преобразователяЦель изобретения - повышение точности калибровки и упрощение конструкции.Цель достигается тем, что в нейтронный влагомер сыпучих материалов, содержащий измерительный преобразователь, состоящий 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 с выходами обеих групп детекторов, и регистрирующий прибор, подключенньп к первому выходу программно-вычислительного 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, введены датчик угла поворота цилиндра, шторка из поглотителя замедленных нейтронов с механизмом ее перемещения и указателем положения, а в биологической защите выполнены цилиндрическая полость для размещения вьппеупомянутого цилиндра, половина боковой поверхности которой окружена кадмиевым экраном из водородсодержащега материала, кромка которого находится на вертикальной плоскости, проходящей через ось цилиндра, и прямоугольная полость, поверхность которсй покрыта материалом, поглощающим замедленные нейтроны, внутри цилиндра уста- новлен экран из материала, гоглощающего замедленные нейтроны, плоскость которого совпадает с верхней полостью прямоугольной полости в рабочем положении источника, в прямоугольной плоскости установлены детекторы, а шторка является, нижней стенкой прямоугольной полости в калибровочном положении источника, причем г,ы,ходы датчика угла поворота цилиндра и указателя положения шторки соединены соответственно с третьим и четвертым входами программно-вычислительного блока, третий выход которощита содержит сменную вставку, имеющую Форму полого цилиндра и охватывающую цилиндр, причем между сменной вставкой и биологической защитой помещен материал, поглощающийзамедленные нейтроны,20 На Фиг. 1 представлена схема нейт-.ронного влагомера, на Фиг.2 - разрез Л;-А на Фиг.1; на АиЬ, 3 - схеманейтронного влагомера, содержащегосменные вставки, на Фиг. 4 - разрез25 Б-Б на Фиг,З,Влагомер содержит программно-вычислительный блок 1 и измерительныйпреобразователь 2, размещенный надсыпучим материалом 3, который пере 30 мещается конвейерной лентой 4. Из-.мерительный преобразователь 2 состоит из биологической защиты 5 ицилиндра 6 из водородсодержащего материала, например полиэтилена, капролона, источника быстрых нейтронов 7и двух групп детекторов. Одна группадетекторов 8, 9 регистрирует интенсивность суммарного потока подкапмиевых и надкадмиевых нейтронов (1).2а другая группа детекторов 10, 1 1,покрытая кадмием, - интенсивность потока надкадмиевых нейтронов (Т).Цилиндр в центре боковой поверхностипо окружности имеет цилиндрическийвыступ 12 с отверстием, в которомустановлен источник быстрых нейтронов 7. Ка оси цилиндра 6 размещеныповоротно-фиксирующий механизм 13 идатчик 14 угла поворота цилиндра.Основание прямоугольногопараллелепипеда в полос, вкоторой установлень 1детектбры 8, 9, 10, 11, и цилиндр 6в плоскости пересечения с прямоугольной полостью имеют экран 15 из поглотителя замедленных нейтронов, например карбида бора. Между детекторамии контролируемым материалом распрло-,жена шторка 16 из поглотителя замедленных нейтронов. Иосредством ме 1145761ханизма 17 перемещения шторка 16 открывает (рабочее положение) или перекрывает (положение калибровки) пространство между детекторами 8,5 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. Детекторы 8, 9, объединенные в канал 1, и детекторы 10, 11, объединенные в канал 1 подключены к программно- вычислительному устройству 1, 1 15 третьему и четвертому входам программно-вычислительного устройства попключены соответственно выходы датчика 14 угля поворота цилиндра и указателя 18 положения шторки, 20 Сигналы управления с первого и второго выходов программно-вычислительного блока 1 подведены соответственно к поворотно-фиксирующему механизму 13 и механизму 17 перемещения 25 шторки, На третьем выходе программно. вычислительного блока 1 формируется сигнал Р(Ю, соответствующий влажности сыпучего материала, передаваемый в регистрирующий прибор 20. ЗОНейтронный влагомер работает следующим образом. В рабочем положении источник 7 быстрых нейтронов расположен вблизи детекторов 8, 9, 10, 11 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, 40 замедляясь на ядрах водорода, содержащегося как во влаге сыпучего материала, так и в биологической защите 5 и 6, преобразуется в по-. ток замедленных (тепловых и надтепловых) нейтронов. Однако, так как детекторы 8, 9, 10, 11 со стороны биологической защиты полностью перекрыты экраном 15 из поглотителя замедленных нейтронов и водородосодержащим материалом 21, они регистрируют поток замедленных нейтронов только со стороны контролируемого материала, т.е. осуществляется процесс измерения влажности. Значе 55 ния интенсивности счета по каналам 1и 1 Р, несущие информацию о влажности и плотности контролируемого материала, поступают в программновычислительное устройство 1, где происходит их обработка по заданномуалгоритму и вырабатывается выходнойэлектрический сигнал Р(И) в такойформе, которая необходима для подачи в автоматическую систему управления технологическим процессом.При калибровке сигнал Н от программно-вычислительного устройства,,поступая в механизм 17 перемещения,переводит шторку 16 в положение, вг-котором последняя перекрывает пространство между детекторами 8, 9,10, 11 и контролируемым материалом3 (показано на Фиг.1 пунктиром). Сигнал Б от программно-вычислительного устройства поступает в поворотнофиксирующий механизм 13, которыйразворачивая по заданной программецилиндр 6 на определенный угол, контролируемый датчиком 14 угла поворота,поочередно переводит источник 7быстрых нейронов в калибровочныеточки 7 -7 (количество калибровоч 1ных точек определяется заданным алгоритмом Функционирования влагомера).При повороте цилиндра 6 в экране 15между детекторами 8, 9, 10, 11 и водородсодержащим материалом биологической защиты образуется щель, размерыкоторой зависят от угла поворота цилиндра. Одновременно изменяется расстояние между источником 7 быстрыхнейтронов и детекторами 8, 9, 10, 11.Все это приводит к соответствующемуизменению потока замедленных нейтронов в области детекторов. При градуировке влагомера определяются и фиксируются необходимые углы поворота цилиндра 6, при которых значения интенсивности счета по каналам 1 1 и 1 со-,Рответствуют аналогичным значениямдля определенных точек диапазонавлажности и плотности контролируемого материала. Экран 19 иэ кадмия наполовине длины боковой поверхностицилиндрической полости обеспечиваетизменение соотношения потоков тепловых и надтепловых нейтронов, чтохарактерно при изменении плотностиконтролируемого материала,Влажность И контролируемого мате"риала определяется из системы урав ненийгде1, 1)для нахождения коэффициентов ао, а, и апри калибровке решается следующая система уравнений1 х т1 = а 0 + а,Ы /) + а ри И1 М ао+а Р +а л1= ао+ а,У Р + а 71 цРс 2 Рс1 ф Сигде 1, 1 Ч, 1- значения интенсивностей ло первому каналу влагомера (тепловые нейтроны) в 1, 11 и 111 калибровочных точках (см.фиг. 1).и шУ, И, , Р., , р -значения влажности и плдтностй соответствующие 1, 11 и 111 калибровочным точкам.КоэФфициенты Ь, Ь , Ь опре" деляются аналогично для канала 1 р в калибровочных точках Ч,Ч 1 и Ч 11,Таким образом, при повороте цилиндра 6 на строго фиксированные углы происходит независимое моделирование потока замедленных нейтронов (тепловых и надтепловых), соответствующего 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 измерения влажности материала. В режиме хранения источник 7 устанавливается в пои/ложение 7Таким образом, выполнение биологической защиты с центральной цилиндрической полостью и цилиндра с жестко связанными 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 поглотителязамедленных нейтронов практическиполностью позволяет исключить влияние.влажности контролируемого материала на процесс калибровки, которое в50 маторного масла и т.д., выполняеттолько первую Функцию и поэтому из" менение ее физических свойств (плотности, пористости и т.д.) например от изменения температуры или других 55 факторов, не приводит к снижениюточности калибровки.Определим, как изменяется вес и габариты биологической защиты при 51 О52025 3035 40 45 прототипе составляет 5-7 , т,е, повысить точность калибровки,Выполнение цилиндра с цилиндрическим выступом в центре, внутри которого имеется отверстие с источникомбыстрых 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 болеенизкой активностью, а следовательно,уменьшить габариты и вес биологической защиты и повысить безопасностьобслуживания влагомера.В прототипе биологическая защитавыполняет две функции, во-первых,защиту обслуживающего персонала отионизирующего 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, по- ристость и т,д,) на протяжении дли-, тельного времени (например, межповерочного интервала, так как изменение этих свойств приводит к изменению поля замедленных нейтронов и,следовательно, к дополнительной погрешности калибровки,Введение вставки из водородсодержащего материала, например капролона, выполненной в виде полого цилиндра, усеченного плоскостью парал"лелепипеда, а также материала, поглощающего замедленные нейтроны, на-,пример карбид бора, между цилиндроми телом биологической защиты позволибо повысить точность калибровки.В этом случае формирование потоказамедленных нейтронов происходит вцилиндре и вставке. Биологическая за.щита, которая может быть выполненаиз парафина, полиэтилена, трансфорактивностью.Плотность потока быстрых нейтронов за биологической защитой толщиной с равна(Р= Део где Ь - длина релаксации быстрогонейтрона в материале защиты.При снижении активности источниканейтронов в и раз такую же плотностьпотока быстрых нейтронов можно получить за защитной толщиной сР4,Р= - еи ) 15 20 откуда Ь с = с - с= . Ти и Так например, при использованииполиэтилена в качестве материала биологической защиты, длина релаксации 25нейтронов с энергией 4 МэВ для которого составляет Ь = 5 см и снижениеактивности источника в 9 раз, толщиназащиты уменьшается на 11 см,При радиусе внутренней цилиндрической полости, равном 10 см, длиненейтронного влагомеря, равном 20 см;снижение активности источника сосредней энергией нейтронов 4 МэВ в9 ряз позволяет снизить вес биологической защиты от 51 кг до 21 кг, т.е.в 2,5 раза.Толщина вставок для каждого конкретного исследуемого материалавыбирается из условия равенства40максимального потока замедленныхнейтронов в калибраторе по току замедленных нейтронов от исследуемогоматериала при максимальном значенииего влажности, Этим самым достигают- А 5ся минимальные требования к точности становки цилиндра в кялибрационных точках и, следовательно, повышается точность калибровки.Кроме того, выполнение вставоксменными с различной толщиной позволяет расширить диапазон моделирования потока замедленных нейтронов. возможность измерения влажности материалов с насыпной плотностью от0,5 до 2,2 г/см и различным химиЭческим составом, например гряншлак,железорудный или марганцевый кон 50 114576применении источника с более низкой 1, 12центраты и др. Таким образом применение сменных вставок в заявляемом нейтронном влагомере позволяет расширить область применениявлагомера.Техническим преимуществом от использования предложенного нейтронного влагомера сыпучих материалов в условиях производства окатышей, концентрата и агломерата на предприятиях черной металлургии заключается в том, что точность определения влажности контролируемого материала эа счет более точной кялибровки по сравнению с прототипом увеличивается на 0,1 Е. Так, поток замедленных нейтронов 1в областипк детекторов в режиме калибровки в калибровочной точке (с) для прототипа равен1= 1+ 1 ,где 1 - поток замедленных нейтроКнов, создаваемый калибратором в точке д, 1 (С) - поток замедленных нейтроМпов, создаваемый контролируемым материалом.В общем случае 1 М(с) является функцией влажности и плотности контролируемого материала, которые при перемещении контролируемого материала меняются во времени.В предлагаемом влагомере за счет введения шторки из поглотителя замедленных нейтронов влияние материала уменьшается в К раз, т.е,+ 1 м1 пк 1 к Кгде К - коэФАициент ослабления.КоэАЬициент ослабления зависит отхимического состава поглотителя и толщины шторкиВведение 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 калиб" ровки до среднестатического разброса.В качестве шторки во влягомере используют экран из карбида бора толщи3 1 457 б ной 1 О мм и капролоновой пластийы толщиной 10 мм.Ниже приведены результаты калибровки для прототипа и изобретения.Калибровка прототипа и предлагае-, мого влагомера осуществлялась в четырех точках 1, 11, 111, 17 при переменной влажности контролируемого материала. ОТочка калибровки 1 соответствует минимальной влажности У д и минимальной плотности Рс ц контролиру4емого материала, точка ТТ - максимальной влажности УА, и минимальнойА 0 Кбплотности с и точка ТТТ - минимальной влажноСти Н мн и максимальной плотностис, точка ТЧ - максиС МаКЕ кмальной влажности И,цаКС и максимальной плотности,Результаты приведены в таблице.Погрешность измерения влажности за счет влияния контролируемого материала на процесс калибровки для изобретения в среднем на О, 1 Х ниже. Предлагаемый влагомер намеренная влажность, Х Прототип1 Э Влажность материала, М, Х Режим работы рототип предлагаемыйвлагомер 65320 6580 66110 175430 175810 176220 72410 72740 73150 249110 250440 251600 Калибровка Калибровка П Калибровка 1 П Калнбровка 17 О,1 4,93 9,81 0,23 4,81 9,72 24480 48830 61670 69840 140440 210 00 1664022160 29180 0 36820 5 98640 10 146720 Измеренне 0 345601 1 4576 Техред Л.Олийнык Корректор С.Шекмар Юрков Реда НТ ССС Производственно-издательский комбинат Патент , . рг. Ужго од ул. Гагарина, 101 Заказ 1898 ВНИИПИ Государствен 113Тираж 414го комитета по изобрете 5, Москва, Ж, Раушск