Модель твердого топлива для градуировки радиоизотопного золомера

 

Изобретение относится к радиоизотопной технике, в частности к исследованию или анализу материалов радиационными методами, например, с помощью гамма-излучения, конкретнее к получению по подготовке образцов для исследования и градуировки радиоизотопных золомеров твердого топлива, основанных на регистрации рассеянного излучения. Цель - обеспечение стабильности значений характеристик образца топлива. Модель твердого топлива состоит из контейнера с материалом с известными значениями насыпной плотности ρ<SB POS="POST">н</SB> и зольности A<SP POS="POST">D</SP>. Материал модели выполнен в виде пластины или пластин прессованного графита плотностью ρ<SB POS="POST">C</SB>, в котором равномерно с шагом L, выбираемым из условия, приведенного в описании, выполнены отверстия диаметром D, определяемым из соотношения, приведенного в описании. Внутрь отверстий введены трубки из алюминия, в которые введены стержни из железа, а размеры их выбраны из условия равенства сумм массовых коэффициентов как поглощения, так и рассеяния алюминия и железа соответствующим коэффициентам золы натурального топлива со средним химическим составом, причем толщина модели твердого топлива равна 5 - 7 длинам пробега гамма-квантов при работе золомера с насыщенным слоем, а при работе с ненасыщенным слоем диапазон толщин моделей твердого топлива равен диапазону реального измерения толщины слоя материала при измерении. 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (l9) (1t) (я)5 G 01 N 23/22

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ излучения; Цель изобретения — обеспечение стабильности значений характеристик образца топлива. Модель твердого топлива состоит из контейнера с материалом с известными значениями насыпной плотности рн и зольной А . Материал модели выполнен в виде по крайней мере одной пластины прессованного графита плотностью рс, в которой равномерно с шагом i, выбираемым из условия, приведенного в описании, выполнены отверстия диаметром

О, определяемым из соотношения, приведенного в описании. Внутрь отверстий введены трубки из алюминия, в которые введены стержни из железа, а размеры их выбраны из условия равенства сумм массовых коэффициентов как поглощения, тэк и рассеяния алюминия и железа соответствующим коэффициентам золы натурального топлива со средним химическим составом, причем толщина модели твердого топлива равна 5-7 длинам пробега гамма-квантов при работе золомера с насыщенным слоем, а при работе с ненасыщенным слоем диапазон толщин моделей твердого топлива равен диапазону реального измерения толщины слоя материала при измерении. 1 табл.

Цель изобретения — обеспечение стабильности значений характеристик образца топлива.

Модель твердого топлива выполнена из материала в виде по крайней мере одной пластины прессованного графита плотностью рс, в которой равномерно с шагом i, выбираемым из условия (1/(3 & (/4а) +фа) ) К)), j U

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4674276/25 (22) 06,04.89 (46) 15,07.91. Бюл. N 26 (71) Особое проектно-конструкторское бюро

Научно-производственного объединения

"Черметавтоматика" (72) В.П.Домбровский, В.И.Рящиков, А.К.Стройковский и В.В.Филатов (53) 539.1.03.06 (088.8) (56) Старчик Л.П. и др. Ядерно-физические методы контроля качества твердого топлива. M.: Недра, 1985, с. 79.

Clayton С.С., Coleman С.F. Current

Developments and Applications of Nuclear

Techniques In Coal Industry "Gamma, Х-Ray

and Neutron Techniques or the Coal In Coal

Industry", JAEA, Vienna, 1986. (54) МОДЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ДЛЯ

ГРАДУИРОВКИ РАДИОИЗОТОПНОГО 30ЛОМЕРА (57) Изобретение относится к радиоизотопной технике, в частности к исследованию или анализу материалов радиационными методами, например с помощью гамма-излучения, а именно к получению и подготовке образцов для исследования и градуировки радиоизотопных золомеров твердого топлива, основанных на регистрации рассеянного

Изобретение относится к радиоизотоп ной технике, в частности к исследованию или анализу материалов радиационными методами, например с помощью гамма-излучения, а именно к получению и подготовке образцов для исследования и градуировки радиоизотопных золомеров твердого топлива, основанных на регистрации рассеянного излучения, и может быть использовано в. угольной промышленности и черной металлургии.

16635 Я А), l

1663519 где рн — насыпная плотность твердого топлива.;

pai,,и5 — массовые коэффициенты поглощения и рассеяния J-го элемента твердого топлива:

m — количество элементов в твердом топливе;

Ki — содержание (по массе) 1-го элемента в твердом топливе, выполнены отверстия диаметром D, определяемым из соотношения

0=2 рс — (1 — А )рд)/лрс, где А — зольность твердого топлива; а рс — плотность графитовых пластин, при этом внутри отверстий размещены трубки из алюминия, в которые введены стержни из железа, размеры их выбраны из условия равенства сумм массовых коэффициентов как поглощения, так и рассеяния алюминия и железа соответствующим коэффициентам золы натурального топлива со средним химическим составом, причем толщина модели твердого топлива равна 5-7 длинам пробега гамма-квантов при работе золомера с насыщенным слоем (высота слоя больше высоты слоя насыщения), а при работе с ненасыщенным слоем диапазон толщин моделей твердого топлива равен диапазону реального изменения толщины слоя материала при измерении, Зола натурального твердого топлива имеет сложный химический состав. Основными составляющими зольного остатка в твердом топливе любого месторождения являются окислы алюминия А!20з (в среднем около 35 в золе), кремния SlOz (около

35 ), кальция СаО (около 10/) и железа

FezOz (около 20 ). Значения массовых коэффициентов поглощения отличаются примерно в 5 раз. Таким образом, замена всех золообразующих элементов алюминием приводит к значительному расхождению ядерно-физических характеристик модели твердого топлива и реального, что в результате приводит к погрешности градуировки радиоизотопных золомеров, Кроме того, для градуировки радиоизотопных золомеров необходимо, чтобы модель твердого топлива воспроизводила значение насыпной плотности натурального топлива, которая меняется в пределах

0,8-1,2 г/смз, 8 то же время плотность спрессованного графита составляет 1,6-1,8 г/см, алюминия — 2,7 г/смз, Установление (аттестация) характеристик модели твердого топлива из натурального материала связано с накоплением значительных погрешностей, например погрешностей стандартного метода, отбора проб, за счет неопределенности матрицы золообразующих элементов в приготовленной стандартной модели твердого топлива из натурального материала.

5 Кроме того, модели твердого топлива из натурального материала окисляются, могут поглощать влагу и т,д., вследствие чего ме- няется химический состав и его зольность со временем.

10 Под воздействием вибрации, перепада температур, переупаковки и других факторов насыпная плотность образцов из натурального топлива может меняться со временем, Градуировка радиоизотопного

15 золомера по модели топлива, обладающей переменными характеристиками во времени, приводит к накоплению систематической погрешности, величину которой определить невозможно.

20 Сущность изобретения заключается в следующем.

Так как зольный остаток в предлагаемой модели твердого топлива имитируется алюминием и железом, то по определению

25 А = (mAI + mFej/tmC + mAI+ mFe) (1)

ГДЕ mrе, mAI — МаССа жЕЛЕЗа И аЛЮМИНИЯ В образце, масса зольного остатка в образце вА равна:

mA = mAk + П Ге, (2)

30 а масса углерода в образце гпс равна:

1 — 
mC = (mAI+ mFe)

А (3)

Для адекватности ядерно-физических характеристик эталонного образца характеристикам натурального твердого топлива необходимо выполнение условий;

I а .е РаАВ АО РaFe Кре р (4) (БА А< Р вге КГе т (5) где,ие,,ие — массовые коэффициенты поглощения и рассеяния для золы твердого топлива;

/йАь psAI — массовые коэффициенты поглощения и рассеяния алюминия;

P aFe, P sFe МаССОВЫЕ КОЭффИЦИЕНтЫ поглощения и рассеяния железа;

КАЬ KFe — МаССОВЫЕ ДОЛИ аЛЮМИНИя И

50 железа в золе.

Полные массовые коэффициенты взаимодействия,и,,и, g для многокомпонентного вещества, каким и является зола твердого топлива, можно представить выражениями: .Р -„, Р а "i i (8)

P5é Г. t 5i К) э где m — количество элементов, входящих в состав золы твердого топлива;

1663519,иа),,и) — массовые коэффициенты поглощения и рассеяния гамма-квантов для

J-го элемента;

KJ — массовая доля J-го элемента золы.

Массовые доли KJ элементов золы опре- 5 деляются из среднего состава золы твердого топлива.

С учетом уравнения (2), (6), (7) и того, что массы углерода в натуральном твердом топливе и эталонном образце равны, пол- 10 учают аАд, j sj "I =t sFe EeeР1Ае AE > (8)

> ad K P a j K j Гь а Ге F e + p o a E Ia IIE °

1a j

Отсюда

1П ITI р пе Р а ) гьаАеEР5 з (9)

jIIore j" Sj "j РаГе — j aj Kj

20 т.е. при заданном соотношении масс железа и алюминия в эталонном образце обеспечивается адекватность его ядерно-физических характеристик характеристикам твердого топлива. 25

Так как для градуировки радиоизотопных золомеров необходимо, чтобы модель твердого топлива воспроизводила значения насыпной плотности твердого топлива, для снижения насыпной плотности спрессован- 30 ного графита в последнем равномерно по всему объему выполняются отверстия с шагом L.

Величину шага L выбирают из условия, чтобы длина пробега l гамма-кванта укла- 35 дывалась не менее, чем в трех ячейках модели твердого топлива, т.е.

Ill ! 31 или 1 1/(3p„,j +,и,1) К1), (10)

j=U 40 где рн — насыпная плотность твердого топлива,,и ао,,изо — массовые коэффициенты поглощения и рассеяния для углерода;

Ко — массовая доля углерода в твердом 45 топливе.

Диаметр 0 отверстий определяют из условия равенства масс углерода элементарных ячеек модели и твердого топлива

L Нр — — Hpc=L Hð., (11)

2 тгО 2 50

4 где Н вЂ” толщина модели твердого топлива и пробы натурального материала;

pc — плотность графитовых пластин;

pcH — кажущаяся плотность углерода в 55 натуральном твердом топливе.

С учетом того, что рсн = /Ъ вЂ” pAd =рн (1-А ), (12) где рд, рнА — кажущаяся плотность зольd ного остатка в натуральном материале, получают из (11

D=2L pc — (1 — A )р ) xpc. (13)

Выбор размеров полых стержней из алюминия и стержней из железа производят следующим образом, Общая масса графитовых пластин mc, полых стержней из алюминия mAI и стержНЕй ИЗ жЕЛЕЗа mFe СООтВЕтСтВУЕт СООтНОШЕниям (3) и (9), Массу полого стержня из алюминия для одной ячейки определяют из выражения

m AI = .7г(Я AI - ггAI) j pAI (14) где RAI, IAI — внешний и внутренний радиус трубки;

pAI — плотность алюминия;

I — длина трубки (ширина модели твердого топлива).

При внешнем радиусе трубки RAI, равном радиусу отверстия О/2, m AI =,Уг(— — гЬ) 1рд, (15) я D2

Масса стержня из железа для одной ячейки определяется по формуле

Fe = 7т Г Fej PFe (16)

ГДЕ IFe РЗДИУС СтЕРжНЯ;

PFe ПЛОтНОСтЬ ЖЕЛЕЗа.

Согласно выражению (10) соотношения масс железа и алюминия из сечений поглощения и рассеяния для алюминия контролируемого материала и

+Fe +FЕ я (Ро М5) ° гпту "де

Масса графита для одной ячейки определяется из выражения п с (- 4 )jpc (18) я 2 D где L — шаг отверстий диаметром D;

pc — плотность графита.

Подставляя выражения (18), (15), и (12) в формулу(3) и выражения (15) и (16) в формулу (17), получают систему уравнений

„ а .,е

1 Ь 1 (4 jpñ (дь (Ф "л")fь6 Гг(Г > (19) „р,-, (v уь ., „ I a I nç„p,1

Решение системы уравнений (19) позволяет определить внутренний радиус трубок из алюминия FAI и радиус железных стержНЕй rFe В СЛУЧаЕ, КОГДа ВНЕШНИЙ РаДИУС тРУбок из алюминия совпадает с радиусом отверстий в графитовых пластинах. Если радиусы не совпадают, то, подставляя в правую часть первого уравнения системы (19) вместо 0 /4 фиксированное значение г внешнего радиуса R дь определяют необхог димые величины (гд и где). Формулы для

1663519

20

55 определения радиусов не зависят от длины стержней (ширина модели) и количеств ячеек (т.е. длины и ширины модели).

Толщина образца определяется условиями измерения, т.е. при работе с насыщенным слоем (высота слоя материала больше высоты слоя насыщения) толщина модели должна быть равна не менее 5-7 длинам пробега гамма-квантов, а при работе с ненасыщенными слоями диапазон толщин модели должен. совпадать с диапазоном реального измерения толщины слоя материала при измерении.

При градуировке радиоизотопного золомера модель устанавливают в рабочую зону эоломера и облучают потоком гамма-квантов, которые рассеиваются элементами модели твердого топлива, причем .ядерно-физические характеристики и насыпная плотность модели стабильны во времени и адекватны характеристикам натурального твердого топлива определенного химического состава. Следовательно, плотность потока рассеянных моделью гамма-квантов, регистрируемая золомером, соответствует плотности потока гамма-квантов, рассеянных натуральным твердым топливом, определенной зольности, что и необходимо при градуировке прибора. Расположение модели твердого топлива относительно оси источник — детектор не влияет на результат измерения.

Для доказательства того, что модель удовлетворяет этому условию, были проведены экспериментальные исследования модели с шагом 0,9 см, диаметром отверстий

0,66 см, воспроизводящей значение зольности 19,6 .

В качестве датчика применяли опытный образец золомера твердого топлива ПРЗ7605, в котором облучение исследуемого материала осуществляли потоком гамма-излучения от Am и регистрировали потоки однократно рассеянного Ф1 и многократно рассеянного + излучений. Модельь устанавливали под датчиком так, чтобы расстояние от оси источник — детектор до оси отверстий в графите (или оси стержней из алюминия) принимало различные значения.

Результаты измерений приведены в таблице, По результатам исследований можно сделать выводы, что случайные отклонения потоков однократного и многократного рассеяний не превышают статистической ошибки в различных положениях модели относительно датчика.

Результаты промышленной апробации описанной модели твердого топлива, полученные после проведения градуировки золомеров ПРЗ-7605 и сопоставления результатов измерения зольности угольного концентрата замерами и стандартными методами, подтвердили соответствие ядерно-физических характеристик и насыпной плотности модели топлива пробам натурального материала и высокую стабильность данных характеристик во времени.

Соответствие ядерно-физических характеристик и насыпной. плотности модели топлива аналогичным характеристикам твердого топлива, их стабильность во времени, в свою очередь, обеспечивают точность и стабильность. показаний радиоизотопных эоломеров.

Повышение точности радиоизотопных золомеров позволяет повысить качество твердого топлива и производительностьотсадочных машин углеобогатительных фабрик.

Формула изобретения

Модель твердого топлива для градуировки радиоизотопного эоломера. состоящая из контейнера и помещенного в него образца топлива с известным значением насыпной плотности и зольности, -о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью обеспечения стабильности значений характеристик образца, образец выполнен в виде по крайней мере одной пластины прессованного графита, в которой равномерно с шагом L, выбираемым иэ условия »

1 иса†(Ра1 8зiI " где рн — насыпная йлотность топлива ра щ — массовые коэффициенты поглощения и рассеяния j-ro элемента топлива;

m — количество элементов в топливе;

К вЂ” среднее содержание j-ro элемента в топл иве; выполнены отверстия диаметром О, определяемым из соотношения

Р где pg — плотность графита;..

А — зольность топлива, при этом внутри отверстий размещены трубки из алюминия, внутри которых помещены стержни из железа, внешние диаметры трубок и диаметры стержней выбраны из условия обеспечения равенства сумм массовых коэффициентов поглощения и рассеяния алюминия и.железа соответствующим коэффициентам поглощения и рассеяния

1663519

Составитель В, Простакова

Техред М.Моргентал Корректор 8. Гирняк

Редактор А. Лежнина

Заказ 2262 Тираж 407 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 эолы натурального топлива со средним хи- ра с насыщенным слоем и в диапазоне ремическим составом, причем толщина графи- ального опробования материала по толщитавыбранаизусловияравенства5-7длинам не при работе золомера с насыщенным пробега гамма-квантов при работе золоме- слоем.