Метод высокоточного измерения веса материалов и ядерные весы для его осуществления

Данная группа изобретений (метод измерений и устройство - ядерные весы) относится к области высокоточных измерений веса материалов ядерным излучением. Метод измерений состоит из следующих стадий: на закрытой опорной раме весов устанавливают несколько источников γ-излучения, под рамой - соответствующие γ-лучевые детекторы, размещают транспортер между ними; измеряют выходное напряжение U₀ и U_i γ-лучевого детектора при наличии и отсутствии материалов и вводят U₀ и U_i в устройство обработки данных, которое связано с γ-лучевым детектором; при помощи измерителя скорости измеряют скорость V_i транспортной ленты, находящейся на транспортере, и вводят V_i в устройство обработки данных (PLC), которое связано с измерителем скорости; посредством устройства обработки данных вычисляют суммарный вес W транспортируемых материалов за определенный промежуток времени по формуле:

При этом отличия данных ядерных весов заключаются в том, что величину коэффициента К для формулы вычисления F=K·Ln(U_i/U₀) можно калибровать динамично в зависимости от изменения нагрузки материалов, разного положения материалов, находящихся на ленте транспортера, разной формы скопления материалов, а также по рассеивающему фактору. Технический результат - повышение точности измерения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Область применения

Это изобретение касается метода измерения веса материалов, особенно метода высокоточного измерения веса материалов ядерным излучением, и ядерных весов с высокой точностью, разработанных при помощи этого метода.

Технический уровень

Разработанные ядерные весы основаны на принципе поглощения γ -лучей материалами.

Принцип существующих ядерных весов приведен на фиг.1, где 1 - источник γ -излучения; 2 - γ -лучевой детектор; 3 - γ -лучевая зона; 4 устройство измерения скорости; 5 - устройство обработки данных; 6 опорная рама весов и внешний защитный корпус; 7 - лента и материал. Источник γ -излучения находится на опорной раме весов, γ -лучевой детектор находится под опорной рамой весов, транспортная лента и материал, находящийся на ней, проходит через раму. Источник γ -излучения стабильно испускает γ -лучи, их интенсивность является константной при наличии материалов, γ -лучевой детектор принимает γ -лучи, которые тоже являются константными при отсутствии материалов на ленте, тогда γ -лучевой детектор выводит напряжение U_o; при наличии материалов часть лучей, получаемых от источника излучения, поглощена материалами, а остальная часть проходит через материалы и принимается детектором, тогда γ -лучевой детектор выводит напряжение U_i. По закону поглощения γ -лучей материалами мы знаем, что между U_o, U_i и материалами существует следующее соотношение:

где μ _p - коэффициент поглощения γ -лучей материалами;

р - плотность материалов;

d - толщина материалов.

Переводим члены и умножаем показатель формулы (1) на S/S, получаем:

W=cds

где S - площадь, занимаемая материалами на ленте.

Мы берем логарифм от двух сторон (2) и предполагаем, что W/S=F, где W - вес материалов, К=-1/ы_ы, и получаем следующую формулу:

где F - материальная нагрузка;

К - калиброванный (проверяющий) коэффициент материалов.

Мы можем получить скорость транспортной ленты при помощи измерителя скорости, тогда поток материалов на транспортной ленте Р, и получаем формулу

P=FV

В некоторый промежуток времени суммарный вес материалов, транспортируемых на ленте, равен W_h, и получаем следующую формулу:

Для существующих ядерных весов при применении формулы (3) К рассматривается как константа, а на самом деле К ≠ константе, К изменяется при изменении нагрузки на ленте. Главная причина изменений К заключается в том, что когда для существующих весов принимают закон поглощения γ -лучей материалами, делают два приближения, а именно:

1) допускают, что рассеивающий фактор равняется 1. Это значит, что они пренебрегают влиянием рассеивающего фактора γ -лучей, а фактически, чем больше плотность и толщина материалов, тем больше влияние рассеивающего фактора;

2) закон поглощения γ -лучей материалами требует, чтобы γ -лучи были параллельными, а фактически существующие весы применяют точечный источник, и поэтому лучи от источника излучения являются веерными лучами (см. фиг.2), когда материалы находятся на месте А, поглощаются γ -лучи, расположенные на плоскости a-b, когда материалы находятся на месте В, поглощаются лучи, расположенные на плоскости c-d. Очевидно, что c-d>a-b.

Отсюда следует, что изменение нагрузки материалов, формы их скопления, разного места расположения, а также влияние рассеивающего фактора и т.д. - все это является главными причинами, которые препятствуют повышению точности существующих ядерных весов.

Теперь ядерные весы, выпускаемые заводами или компаниями во всех странах, принимают метод общего веса материалов и при помощи этого метода определяют коэффициент К. В качестве примера можно привести китайский патент ZL95106808.3 (номер сообщения CN1039160C).

Когда определяют коэффициент К при помощи этого метода, ядерные весы только регистрируют вес материалов и не регистрируют изменения нагрузки материалов. Поэтому между коэффициентом К и величиной материальной нагрузки не существует никакого соотношения и это не совпадает с действительным положением.

Отсюда видно, что существующие ядерные весы не могут в реальном времени уточнять коэффициент К в зависимости от изменения нагрузки, из-за чего получается большая погрешность измерения и снижается точность.

Сущность содержание изобретения

Цель этого изобретения состоит в том, чтобы решить вышеизложенные проблемы и предложить метод с высокой точностью измерения, исключающий и уменьшающий влияние от изменения материальной нагрузки, формы скопления материалов, разного расположения и рассеивающего фактора, а также способный внести динамические поправки. Поэтому разработанные ядерные весы обладают высокой точностью.

Для изложенной цели это изобретение принимает следующий технический вариант. Метод с высокой точностью для измерения веса материалов реализуется следующим образом:

1) установить несколько источников γ -излучения и соответствующих γ -лучевых детекторов, а транспортер расположить между ними;

2) измерить напряжения U_o и U_i, выходящие из γ -лучевого детектора при наличии и отсутствии материалов, и ввести их в устройство обработки данных, которое связано с γ -лучевым детектором;

3) при помощи измерителя скорости определить скорость V_i транспортной ленты, находящейся на транспортере, и ввести ее в устройство обработки данных (PLC), которое связано с измерителем скорости;

4) устройство обработки данных вычисляет суммарный вес W транспортируемых материалов за определенный промежуток времени по формуле

Коэффициент К в зависимости от изменения материальной нагрузки и рассеивания γ -лучей поправляется в реальном времени.

По изменению нагрузки материалов можно определить калиброванный коэффициент материалов К при помощи метода калибрования предметных материалов. Это делается следующим образом:

1) при помощи стандартных весов определяют вес материалов и получают W_аB, транспортер транспортирует стабильную нагрузку до ядерных весов для измерения;

2) устройство обработки данных собирает выходящее напряжение U_i от γ -лучевого детектора, скорость транспортерной ленты V_i от измерителя скорости, реальное время транспортировки t_i и вычисляет следующие величины,

где В обозначает стандартную величину, а буквы AVG обозначают среднее число. Создаем систему координату, где f_b - ордината, LnU_i/U_o - абцисса, по значениям F_Bа и (L_nU_i/U_o)_aAVG. Таким образом можно определить точку "а" и получаем K_a, то есть градиент оа;

3) для разного веса материалов W_bB, W_cB, W_dB при помощи изложенного одинакового метода можно определить точки b, с, d,... и получаем К_b, К_c К_d, а также функциональное отношение f_b=f(LnU_i/U_o) (см. фиг.3). Мы используем линейное отношение многих частей линии и можем заменить формулу F_B=f(LnU_i/U_o) формулой F=b_j+k_jLn(U_i/U_o), где j - число частей линии. Тогда осуществляется следующий шаг:

- соединяем точки о и а; а и b; b и с; с и d... и получаем части линии оа, ab, bc, cd...

- используем координатные величины точек o, а, b, с, d,... и получаем b_j, и k_j каждой части линии.

Либо заменяем функцию f_b=f(LnU_i/U₀) многочленом. Используем метод наименьшего квадрата и можем получить следующий многочлен: F=а₀+a₁(LnU_i/U₀)+а₂(LnUi/Uo)²...+a_k(LnU_i/U₀)^k, где к=0,1,2,3,... к.

При использовании изобретенного метода разработанные ядерные весы включают в себя:

1-N источник γ -излучения, где N=2-10;

γ -лучевой детектор и соответствующий ему источник γ -излучения, могут преобразовывать интенсивность принимаемых γ -лучей в параметр напряжения; между γ -лучевом детектором и источником γ -излучения можно установить транспортер; измеритель скорости, который предназначен для измерения скорости транспортера; микрокомпьютер или устройство обработки данных (PLC), которые связаны с детектором и измерителем скорости.

По вышеизложенным данным можно вычислить точный вес материалов. Применительно к различным материалам можно выбрать различные источники γ -излучения, ¹³⁷C_s, ⁶⁰C_o, ²⁴¹A_m их число зависит от ширины транспортера, лучше брать 2-7.

Источник γ -излучения и γ -лучевой детектор зафиксированы на удобном месте, которое находится в замкнутой опорной раме весов.

Когда мы используем линейное отношение многих частей линии, то есть функцию f_b=f(LnU_i/U₀), ядерные весы работают по графику программного процесса, определяемому положениями ломаных линий по фиг.4.

Преимущества изобретенного метода следующие:

Этот метод снижает и ликвидирует влияние от изменения материальной нагрузки, формы скопления материалов, разных положений и рассеивающего фактора, поэтому намного повысилась точность измерения. Ядерные весы, разработанные по изобретенному методу, имеют высокую точность измерения, пригодны для широкого предела потоков материалов и широких областей, обладают хорошей стабильностью, низкой себестоимостью, высокой безопасностью.

Короткое описание чертежей

Фиг.1 - схема существующих ядерных весов.

Фиг.2 - схема поглощения γ -лучей в зависимости от разного расположения материалов.

Фиг.3 - кривая отношения между f_b и функцией Ln(U_i/U₀).

Фиг.4 - график программного процесса, определяемого положением ломаных линий.

Фиг.5 - кривая отношения между f_b и функцией Ln(U_i/U₀), полученная в реальном примере.

Фиг.6 - график программного процесса, определяемого положением ломаных линий для реального примера.

Фиг.7а - схема реального примера изобретенных ядерных весов (линейный источник излучения).

Фиг.7b - схема реального примера изобретенных ядерных весов (много источников γ -излучения).

Фиг.8 - схема замкнутой опорной рамы весов.

Фиг.9 - вид сбоку Фиг.8.

Фиг.10 - вид фиг.8 - изометрическая проекция.

Оптимальный вариант реализации

Даем дальнейшее объяснение об изобретении по чертежам:

Ядерные весы калибруют по методу нагрузок и получают калиброванный коэффициент К материалов.

Допустим, что из устройства обработки данных при калибровании предметных материалов получаем U₀=5B, U_i=4,5B, v_i=1 м/с время транспортировки t_i=180 с.

При помощи стандартных весов определяем вес материалов W_аB=1800 кг, по формулам:

вычисляем F_Ba и Ln(U_i/U₀); коэффициент К, длину ленты L=V_it_i.

Пусть F_B - ордината, Ln(U_i/U₀)_aAVG - абсцисса, создаем координатную систему. По F_Bа и Ln(U_i/U₀)_aAVG определяем точку "а", затем по порядку изменяем нагрузки и по такому же методу определяем точки b, с, d, их данные приведены в таблице 1.

Таблица 1

Число калибрования	1	2	3	4
Точка координаты	А	В	С	D
Длина ленты L=Vi·ti	180 м	150 м	130 м	110 м
Ui	4,5В	4В	3,5В	3B
среднее значение Ln(Ui/U0)Aavg	-0,10536	-0,22314	-0,35667	-0,51082
Вес материалов wb, взвешенный при помощи стандартных весов	1800 кг	3150 кг	4303 кг	5172 кг
Нагрузка материалов fb=wb/l	10 кг/м*	21 кг/м	33,1 кг/м	47 кг/м
Калиброванный коэффициент материалов К	94,96	94,11	92,8	92,00

1) Метод ломаной линии

Соединяем части линии оа, ab, bc, cd, знаем, что две точки определяют одну линию и по этому способу получаем отрезки и градиенты каждой части линии, которые приведены в таблице 2.

Таблица 2
Части линии	оа	ab	bc	cd
Отрезки b1=(y1x2-y2x1)/(x2-x1)	0	0,1691	0,7790	0,9533
Градиенты k1=(y2-y1)/(x2-x1)	94,96	93,37	90,63	90,14

Вычислительная формула ядерных весов с высокой точностью следующая:

F=b_j+k_jLn(U_i/U₀), где b_j и k_j обозначают отрезок и градиент каждой части линии.

Ядерные весы работают по графику программного процесса, определяемого положением ломаных линии по фиг.6.

2) Метод многочлена

Многочлен F=а₀+a₁(LnU_i/U₀)+a₂(LnU_i/U₀)²+... +a_k(LnU_i/U₀)^k (k=0,1,2,... k)

Допустим, что координатные точки о, а, b, с, а, принимаем квадратное уравнение, три члена и метод наименьшего квадрата и получаем а₀, a₁, a₂, где

а₀=0,019324

a₁=95,3145

a₂=-6,62383

Отсюда получаем:

F=а₀+a₁(LnU_i/U₀)+a₂(LnU_i/U₀)²=0,019324+95,3145· (LnU_i/U₀)+(-6,62383)· (LnU_i/U₀)²

Ядерные весы работают по этой формуле.

Сравниваем результаты вычисления по формуле F=a₀+a₁(LnU_i/U₀)+a₂(LnU_i/U₀)² с результатами вычисления по формуле F=Kln(U_i/U₀) для существующих ядерных весов, получаем следующее:

a) при помощи многочлена вычисляем нагрузки F в соответствующих точках а, b, с, d, суммарный вес материалов W_h и погрешность. Полученные данные приведены в правой части таблицы 3;

b) при использовании формулы для вновь разработанных ядерных весов определяем нагрузки Fв а, b, с, d, суммарный вес материалов Wh и погрешностью δ . Полученные данные в левой части таблицы 3.

Таблица 3
Точки измерения	Среднее значение Ln(Ui/U0) avg	Существующие ядерные весы	Изобретенные ядерные весы
		F кг/м	Wh (кг)	wb (кг)	δ %	F кг/м	Wh (кг)	wb (кг)	δ %
а	0,10536	9,999	1799,8	1800	-0,007	9,9824	1796,8	1800	-0,23
b	0,22314	21,185	3177,8	3150	+0,88	20,954	3143,1	3150	-0,21
с	0,35667	33,862	4402,1	4303	+2,3	33,166	4311,5	4303	+0,16
d	0,51082	48,021	5335,6	5172	+3,1	46,977	5167,5	5172	-0,08

Очевидно, что точность изобретенных весов гораздо выше точности существующих ядерных весов.

На фиг.7 продемонстрирован реальный вариант ядерных весов. Их три точечных источника γ -излучения расположены в одной линии.

Применительно к различным измеряемым материалам можно выбрать один из трех типов источников γ -излучения ¹³⁷C_s (Цезий-137), ⁶⁰Со (Кобальт-60) и ²⁴¹A_m (Америций-241).

На фиг.8. показана схема закрытой опорной рамы весов, где 8 - основная опора, 9 - плита, 10 - задняя плита,11 - конечный ящик, 12 - основная плита.

Закрытая опорная рама весов хорошо защищается от γ -лучей и обеспечивает безопасную и надежную работу ядерных весов с высокой точностью.

Для изобретенных ядерных весов можно применить устройство обработки данных или контрольное устройство типа PLC.

Сравнение изобретенных ядерных весов с существующими ядерными весами приводится в таблице 4.

Таблица 4
Название весов	Существующие ядерные весы	Изобретенные ядерные весы
1. Тело весов	Один источник γ -излучения, веерные γ -лучи, из-за чего точность весов зависит от влияния формы скопления, изменения нагрузки, различного положения материалов	Много источников излучения, γ -лучи приблизительно параллельные, поэтому можно снижать и ликвидировать влияние от изменения нагрузки, формы скопления и разных положений материалов.
2. Вычислительная формула	F=Kln(Ui/U0)	F=bj+kjLn(Ui/U0)
3. Коэффициент	К=константе	К=f(F), переменный параметр
4. Предел потока материалов	В определенном пределе потока материалов в данный момент, при калибровании коэффициента К.	В (0-100%) максимальном пределе потока материалов
5. Точность	1-3%	0,5%
6. Безопасность	Опорная рама весов является открытой, источник γ -излучения находится снаружи, низкая безопасность	Опорная рама является закрытой, источник γ -излучения находится внутри корпуса, высокая безопасность

1. Метод высокоточного измерения веса материалов, включающий в себя следующие стадии:

(1) устанавливают несколько источников γ-излучения и соответствующие γ-лучевые детекторы, размещают транспортер между ними;

(2) измеряют выходное напряжение U₀ и U_i γ-лучевого детектора при наличии и отсутствии материалов и вводят U₀ и U_i в устройство обработки данных, которое связано с γ-лучевым детектором;

(3) при помощи измерителя скорости измеряют скорость V_i транспортной ленты, находящейся на транспортере, и вводят V_i в устройство обработки данных (PLC), которое связано с измерителем скорости;

(4) посредством устройства обработки данных вычисляют суммарный вес W транспортируемых материалов за определенный промежуток времени по формуле

при этом в зависимости от изменения нагрузки и рассеивания γ-лучей можно изменять калиброванный коэффициент К, а по изменению нагрузки материалов можно определить калиброванный коэффициент материалов К при помощи метода калибрования предметных материалов.

2. Метод по п.1, отличающийся тем, что калиброванный коэффициент определяют предметными материалами при изменяющейся нагрузке материалов в соответствии со следующими стадиями:

(1) при помощи стандартных весов взвешивают вес материалов и получают W_aB, при этом транспортер транспортирует постоянную нагрузку до ядерных весов для измерения;

(2) устройство обработки данных собирает выходное напряжение U_i от γ-лучевого детектора, скорость транспортной ленты V_i от измерителя скорости и время транспортировки t_i в реальном времени, затем вычисляют следующие величины:

где В обозначает стандартную величину, а буквы AVG обозначают среднее число, создают систему координат по значениям F_Bа и (LnU_i/U₀)_aAVG, где F_B - ордината, LnU_i/U₀ - абсцисса, определяют точку "а" и получают К_а, то есть, градиент оа;

(3) для разного веса материалов W_bB, W_cB, W_dB при помощи изложенного метода определяют точки b, с, d,... и получают К_b, К_с, К_d и функциональное отношение F_B=f(LnU_i/U₀).

3. Метод по п.2, отличающийся тем, что используют линейное отношение многих частей линии и представляют выражение F_B=f(LnU_i/U₀) в виде формулы F=b_j+k_jLn(U_i/U₀), где j - число частей линии, причем это осуществляют путем соединения точек о и а, а и b, b и с, с и d;... получения частей линии оа, ab, bc, cd..., и определения bj и kj каждой части линии с использованием координатных величин точек о, а, b, с, d,...

4. Метод по п.2, отличающийся тем, что функцию F_B=f(LnU_i/U₀), используя метод наименьшего квадрата, выражают в виде следующего многочлена:

F=a₀+a₁(LnU_i/U₀)+a₂(LnU_i/U₀)²+...+a_k(LnU_i/U₀)^k,

где К=0,1,2,3,...к.

5. Ядерные весы для высокоточного измерения веса материалов включают в себя 1-N источников γ-излучения, где N=2-10, при этом γ-лучевой детектор и соответствующий источник γ-излучения выполнены с возможностью преобразования интенсивности принимаемых γ-лучей в параметр напряжения, между γ-лучевым детектором и источником γ-излучения размещен транспортер, причем весы включают в себя измеритель скорости транспортера, микрокомпьютер или устройство обработки данных (PLC), которые связаны с детектором и измерителем скорости, причем весы выполнены с обеспечением вычисления по изложенным данным точного веса материалов, а указанный источник γ-излучения и γ-лучевой детектор установлены в месте, которое находится в закрытой опорной раме весов.

6. Ядерные весы по п.5, отличающиеся тем, что источник γ-излучения выбирают по измеряемому материалу из ¹³⁷Сs(Цезий-137), или ⁶⁰Со (Кобальт-60) или ²⁴¹Am (Америций-241).