Нейтронный влагомер сыпучих материалов

 

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.

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСА БЛИН (3% (И) Всади G 01 N 23/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

,",,-"-., Г.Я%ф Ю ф, .

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 991271 (21) 3449654/18-25 (22) 08.06.82 (46) 07.10.84. Бюл. Н- 37 (72) А.К. Стройковский, В.А. Пронякин, Г.С. Пыхтин, В.П. Домбровский, В.С. Шерстобитов и Л.И. Максакова (71.) Особое проектно-конструкторское бюро Научно-производственного объединения "Черметавтоматика" (53) 621,039.8 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 991271 кл. G 01 N 23/12, 1981 (прототип). (54) (57) 1. HEATP0HHbIA ВЛАГОМЕР СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ по авт.св. У 991271, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона иэмеряемых влажностей при заданной точности измерений, калибратор имеет сквозной канал и расположенные по обе стороны от него два съемных блока соответственно иэ водородсодержащего материала и материала-поглотителя замедленных нейтронов, причем блоки выполнены с переменным сечением по длине сквоэного канала.

1117502 отличаюменьшей мере выполнен в иэ водородустановлентрата.

2. Влагомер по п.1, шийся тем, что по один иэ съемных блоков виде скобы и цилиндров содержащего материала, 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 конценПо основному авт.св. ¹ 991271

10 известен нейтронный влагомер сыпучих материалов,. содержащий корпус, измерительный преобразователь, калибратор (эталонный блок) и программно-вычислительное устройство.

Причем измерительный 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 конец которого связан с концевым выключателем и механизмом поворота (электромагнитом), и размещенный в полости калибратора, выполненного из З0 водородсодержащего материала и имеющего два паза, в каждом из которых размещены кадмиевый и боросодержащий фильтры, измерительный преобразователь, калибратор, реверсивный двига- З5 тель с приводом каретки, блок фиксации каретки в калибраторе размещены в одном корпусе, выходы обеих групп детекторов связаны с соответствующими входами программно-вычислительно- 40 го устройства, первый выход программно-вычислительного устройства связан с двигателем, а второй — с блоком фиксаторов каретки в калибраторе ° 45 ных с возможностью вращения относительно своих осей, перпендикулярных направлению сквозного канала, а часть" боковой поверхности цилиндров покрыта поглотителем замедленных нейтронов .

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 надкадмйевых 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 заданный промежуток време— ни 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, послед1117502

10 (2) (4) Отсюда где функции F разные функции ственно.

Вычитая (S) 50

Fi и F2 — первообf, f 1 и f соответ2 получаем

I (9) где

3 ний 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 (управляюп(ую обмотку электромагнита), который поворачивает подвижный шток с программно-задающими упорами вокруг своей оси, выводя упоры иэ зацепления с кареткой. При этом двигатель передвигает каретку в калибраторе в следующее положение, соответствующее новому значению влажности и плотности контролируемого материала, и т.д. После окончания процесса 20 калибровки по команде с программновычислительного устройства влагомер вновь переводится в режим "Измерение", при этом двигатель устанавливает каретку с детекторами и источни- 25 ком быстрых нейтронов в рабочее положение и процесс повторяется (11 .

Недостатками известного влагомера являются значительная погрешность измерения при работе в различных диапазонах влажности.

Погрешность измерения обусловлена тем, что при калибровке эталонный блок должен как можно более точно моделировать нейтронное поле, причем энергетический спектр потока нейтронов, создаваемого калибратором, должен соответствовать фактическому спектру потока нейтронов, создаваемого материалом. Так, одной группой детекторов (без кадмия) регистрируется поток нейтронов в диапазоне с энергией Е -Е (от тепловых нейтро{ а нов до нейтронов с энергией, определяемой HcToMHHKQM) BTopoH группой 5 покрытой кадмиевым экраном, — в диапазоне Е2 -Ео, причем Е 1 Е2 c Eo.

Условйе калибровки датчйка:

Ео Ео

J E(E)f(E1d E = J Е(Е)(,(Е)ЙЕ

F-1 Е1

Ео Ео E(E)f(E)d E=J E(E)f (E)dE

Е> Е2

F (E) - эфФективность счетчика, f (Е) — плотность потока нейтронов в материале, 1(Е), n(Е) — плотность потоков нейтронов соответственно в первой и второй точках калибратора.

При изменении эффективности счет-, чика E (Е), например, от внешних условий — температуры и давления, старения или замены счетчика до величины с,((Е) для получения ка-. чественной калибровки должны соблюдаться условия

Ео Ео

J Ei(E)f(E)dE = J Е1(E)fе(E)dE

Е, . Е)

Ео Ео

JE,(E)f(E)dEF J E,(E)f (E)dE

Ег Е2

Системы 1 и 2 можно записать

Ео Ео

E(EE)J ((ЦЗЕ Е(Е,)) Х (Е)ЙЕ о Ео

Е(Е ) f(E)dE -Е(Е 1 Х,(Ц1Е

1г 4

fo о

Е(Е,) ((Е),)E-Е(Е,) (,(Е)ИЕ

11

Ео Е

Е(Е\ ) НЕ)ЗЕ=Е(Е,) (,(ЦДЕ

Гг з где,,,1-;,, э

F (Ео)- Е(гД = Гг Ио - е 2(Я )

Е(Е 1 — F(F, )- F, (E 1-F„(g,)

P(E>J F($г1- 2(о1 сг(ъ1 у,(8) из (7) и (6) иэ (8), ®-F (5 ) „(9, )- г,(, )-о

F ((J- F ((, J s pq (q ) j- Fq(g ) () 1117502

Система (9) имеет следующие решения: при = (,=,", (= это равносильно Я (Е) = E, (Е) (три-, виальный случай); при $ = (,; (= (I (s ) 3 z = (3, т. е. FF< =F или f = 5

f нейтронное йоле в калибЯ У раторе должно совпадать с реальным полем от материала.

Таким образом, для повышения точ— ности 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 борсодержащий фильтры только вдоль каретки с детек- 2О торами, что эквивалентно перемещению 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 ЗО влажность сыпучих материалов в различных диапазонах влажности (кокс 0-10Х, коксовая мелочь

0-15Х, железорудный концентрат

0-257) и плотности (кокс 0,4- 35

0,6 r/ "м, железорудный концентрат

2,0-2, 9 г/см ) . При выполнении 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 эталонно" го блока, что в свою очередь увеличивает погрешность калибровки иэ-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 съемных блока соответственно иэ водородсодержащего материала и материала-поглотителя замедленных нейтронов, причем блоки выполнены с переменным сечением по длине сквозного канала.

Кроме того, по меньшей мере один из съемных блоков выполнен в виде скобы и цилиндров из водородсо" держащего 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 предлагаемый влагомер, общий вид; на фиг. 2— структурная схема влагомера, на фиг. 3 — измерительный преобразователь, калибратор и корпус, продольный разрез, на фиг. 4 — разрез

А-А на фиг.3; 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 измерительный преобразователь входит (фиг. 2 и 3) каретка 5, снабженная роликами б, на которой установлены источник 7 быстрых нейтронов и две группы детекторов. Одна группа детекторов 8 и 9 регистрирует интенI сивность суммарного п гока надкадмиевых и подкадмиевых нейтронов 3, а другая группа детекторов 10 и 11> покрытая кадмиевым экраном — интенсивность потока надкадмиевых нейтронов d p, Детекторы 8, 9 и 10, 11 подключены через усилители-дискриминаторы 12 и 13 к соответствующим входам программно-вычислительного устройства 4. С помощью реверсивного 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 передачи закреплен на рамке 16. Между блоками установлен трос 20, связанный с кареткой 5. На рамке 16 закреплен блок 21 фиксации каретки в рабочем положении с датчиком 22 рабочего положения каретки. Рамка 16 жестко связана с фланцем 23, на котором установлены реверсивный двигатель 17 и элементы управления—

7 1117502 8 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 установленными элементами закрывается крьппкой

34. Одна иэ направляющих шин 15 выполнена в виде полой трубки со шту- <р цером 35, подключаемым к магистрали со сжатым воздухом. На крьппке 34 установлен воздушный клапан 36.

Корпус 3 влагомера содержит (фиг. 3 и 4) соединенные между собой обсадную трубу 37, фланец 38 и кожух 39, причем кожух 39 соединен с фланцем 38 с помощью шарнирного сочленения 40 и 4 1. 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 25 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) иэ капролана, карбида бора и кадмия. Съемные блоки 46 и 47 расположены по обе стороны сквозного канала 51 (фиг.4), сквозь который

35 проходит рамка 16 внутрь обсадной трубы 37 ° Один из съемных блоков 46 выполнен в виде скобы 52 и цилиндров

53-58 (фиг.5); Часть боковой поверхности цилиндров покрыта поглотителем замедленных нейтронов, например кадмиевым экраном 59.

Цилиндры 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.3).

Нейтронный влагомер работает следующим образом.

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

В режиме "Измерение" каретка 5 (фиг.3) с установленньпии на ней детекторами 8-11 и источником 7 быстрых нейтронов с помощью дви" гателя 17 переводится в рабочее положение, где фиксируется фиксатором

21. При этом срабатывает датчик 22 рабочего положения каретки, сигнал с которого поступает на программновычислительное устройство 4, которое соответственно выключает реверсивный двигатель 17 привода каретки.

Поток быстрых нейтронов от источника 7, замедляясь на ядрах водорода, содержащегося во влаге сыпучего материала. преобразуется в поток замедленных нейтронов (подкадмиевых . и надкадмиевых), которые регистрируются двумя группами детекторов 8, 9 и 10, 11. Значения интенсивности счета:по каналам 3„, и Зр, несущие информацию о влажности и плотности контролируемого материала, через усилители-дискриминаторы 12 и 13 поступают на соответствующие входы программно-вычислительного устройства 4, где происходит их обработка по заданному алгоритму и вырабатывается выходной электрический сигнал

F(W) в такой форме, которая необходима для подачи в автоматическую систему управления технологическим процессом.

В режиме "Калибровка" соответствующая команда, поступающая с программно-вычислительного устройства 4, включает реверсивный двигатель 17, который переводит каретку 5 с источником 7 быстрых нейтронов и детекторами 8-11 из рабочего положения в калибратор 2. Каретка 5 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 следующим образом.

При перемещении в калибраторе каретка 5 входит в зацепление с механическим упором 28, вызывая перемещение штока 27, связанного с концевьпк выключателем 33. Последний при этом срабатывает, подавая контактами 33.1 на соответствующий вход программно-вычислительного устройства сигнал о достижении sa111750

2 10 можно систему уравнений (10) преобразовать:

=a7Д а и о 7 (" )1с Ог с ) (11) (7 Оо о7 (с+ ог с

Определяя значения 3< и 3 ) для двух значений влажности A „ „H . 9 „„и плОтнОсти f3 g „ „, и p g 77(о(Х можно определить значение коэффициентов ао и Ь

"(ц мин "w макc W мин WмиH ь1

По ) w макс. " w мин (12) ч (( где

5 ц макс

6"а ((( (,4 К(7аy где 1 и и, — плотность сухого и влажного веществ; а д и Ьо — коэффициенты, определяющие фоновые

40 сигналы на выходах соответственно каналов 3, и а 1 и Ь7 — коэффициенты, определяющие чувствитель45 ность каналов к объемной влажности материала; а и Ъ < - коэффициенты, определяющие чувствительность каналов к на50 сыпной плотности материала.

Так как в процессе измерения необходимо контролировать весовую влажность материала, определяя ее

I с!

< mc(õ (14) 1 (ц в с î î данной точки калибровки. Одновременно сигнал с контактов 33.2 концевого выключателя поступает на ключ 25, который управляет регулятрром 24 мощности реверсивного двигателя 17.

Последний продолжает перемещать шток 27 на пониженной мощности до стационарного механического упора

61 а затем стопорится им. Нейтронный поток в первой калибровочной точ-10 ке соответствует нейтронному потоку

Для определенной точки диапазона влажности и плотности контролируемого материала, например Фмс(кс и

РС77ОКс. В программно-вычислительном 15 устройстве осуществляется набор, усреднение и запоминание интенсивНостей сигналов с выхода группы деТекторов 8 и 9, регистрирующей суммарный поток подкадмиевых и ?О

Надкадмиевых нейтронов м и выхода группы детекторов 10 и 11 надкадмиевых нейтронов 3 с(В общем случае значения интенсивностей сигналов являются функциями влажности 25 и плотности контролируемого материала.

Для небольших диапазонов измерения влажности контролируемого материала, например, для доменного З0 кокса (0-15X), интенсивности можно представить в линейнОм виде: д о О(1 Ь СХг(с (10) оо, Ч 4 с интенсивность сигнала канала 7х, при минимальной влажности

И„7„ 7 и минимальной плотности P и контролируемого материала, то же, при минимальной влажности ((7 Ä< и максимальной плотности P с > контролируемого материала. (I( .w вакс (Ф макс (((W M((77 Ol M(77((7 (13) интенсивность сигнала канала 3> при максимальной влажности

V щах И МИНИМаЛЬной плотности PC,„„

KoHTpo pyeMoro материала, то же, Hpи максимальной влажности И„,,„ и максимальной

ПЛОТНОСТИ контролируемого материала.

Аналогично и I

7 ,1 6 3 о,„о(к с,- р м 77 н о P M» о о 17мс(кс

Обозначая и подставляя в выражение (11), получаем и 2

3 ь,— 3 101

Аналогично можно найти значение коэффициентов а1, a <, b1 H bg .

11!7502

12 щая каретку по длине калибратора, находят точку с аналогичным значением 3 о (изменение нейтронного потока обеспечивается различным взаимным расположением водородсодержащего материала и поглотктелей замедленных нейтронов относительно сквозного канала по его длине) ° Точка фиксируется упором на подвижном штоке. Вращая цилиндр из водородсодержащего материала, часть боковой поверхности которого покрыта кадмием, добиваются в этой же точке требуемого значения 3 и, Изменения счета по ка15 калу 3 о не происходит, так как наличие и расположение кадмия в калибраторе практически не влияет на детекторы, покрытые кадмием, Аналогично находятся в калибрато20 ре и другие калибровочные точки.

При изменении вида сыпучего материала (например, кокса с РС 0,40,6 г/см на железорудный концентрат с Рс = 2,4-2,9 г/см ) в калибраторе заменяются сменные блоки, а влагомер вновь градуируется.

Таким образом, в калибраторе (18) возможно воспроизведение и регуль»: рование потока нейтронов, соответ- ствующего 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 максимальном 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 вынимается иэ корпуса 3 с калибратором 2, при этом основная масса влагомера остается закрепленной на бункере. ь

®макс. эмин,- ккмин < w мокс

С1 =О, Ь1„„„о„- < w

Ь =Ь„. (16) @макс, " рмокс 1 мин. рмакс

> р ма кс.- < p мни.

Выражение (13) можно представить в следующем виде:

Ъ=

1 (1 макс 1 мин ) PC мин

I (3р wмии ч рмнн смаке. мин-! 1И мин.

3„ Ь1рмин "p имин где

-- ".1 -a 3 (1 мн„= р мин.— О

-Ъ

Таким образом, для определения влажности контролируемого материала З5 по текущим значениям интенсивности сигналов каналов 3„ и р необходимо знать значения интенсйвности сигналов в четырех фиксированных точках диапазона измерения влажности И 40 и плотности С т.е.

1 l vlnlaX H рМакС пРи%мокp И РсмйкС i 1 мокс H р макаке при макс с мии i

W u мокс и t) мин ПРи4/мин и t c мокс р

4gмии и1 мин при 1Ммин и с мнн . 4

Данным значениям интенсивности сигналов соответствуют значения нейтронного потока, которые определяются при первичной градуировке 50 влагомера и в последующем моделируются калибратором.

Первичная градуировка осуществляется следующим образом.

При известных значениях W и 1с (например W мокс и !1С мокс ) тролируемом материале определяют значения 3 и .!о . Затем,перемеКоэффициенты а и а, b! и связаны соотношениями ч мин, С 11 макс. мин 1смин, °

Отсюда w мин. с

Ф (<макс 1!1 мин1 осмин. (17) Подставляя (! 6) и (») в (15), получаем

Так как контролируемый материал обладает абразивными свойствами,по мере износа обсадной трубы из корпуса влагомера извлекается измери13 11173О l4 тельный преобразователь 1, калибра- душного канала 36, что препяттор 2 в кожухе 39 поворачивается ствует попаданию пыли, влаги и т,д. на шарнирном сочленении 40 и 41, внутрь влагомера. освобождая доступ к обсадной тру- Технико-зкономическая эффективбе 37 которая заменяется без полно- g ность от использования предлагаемоФ го демонтажа влагомера. ro влагомера сыпучих материалов на

Сжатый воздух, поступающий по предприятиях черной металлургии полой направляюшей 15 непосредствен- заключается в том, что повышается но к каретке 5, охлаждает последнюю . точность определения влажности конпри высокой температуре контроли- 10 тролируемого материала за счет боруемого материала, например до— лее точной калибровки, оптимального

Менного кокса сухого тушения. Од- расположения каретки в бункере и становременно в полости корпуса вла- билизации температуры детекторов. гомера создается избыточное давление, Одновременно упрощается процесс определяемое точкой срабатывания воз- >5 эксплуатации.

f4 f? П Т8 2 Ч

60 ll Л 7b 4Х 47

Риг.4

ВНИИПИ Заказ 7187/26 краж 822 Подписное

Фкпиал ППП. "Патент", r.ÓI:rîðîä, ул.Проектная, 4