книги из ГПНТБ / Радиоизотопные приборы в промышленности строительных материалов
..pdfРассмотрим аппаратурную погрешность интенсиметра. В аналоговых устройствах воздействие любого из дестабилизирующих факторов приводит к определенно му изменению нормализованного заряда, приносимого на интегратор. Стабильность заряда практически огра ничена величиной 1 % ; такую же погрешность могут вносить измерительный прибор и саморазряд конденса тора интегрирующего контура. Поэтому точность анало говых регистраторов, как правило, не превосходит не скольких процентов.
При измерении с повышенной точностью величин, лежащих в широком диапазоне динамических значений, приходится расширять динамический диапазон устрой
ства, |
это приводит |
(в случае |
интенсиметра) |
к |
нелиней |
ности |
шкалы, что |
также снижает точность |
измерения, |
||
т. е. вносит дополнительную погрешность. |
|
|
|||
Сопоставление |
изложенных |
выше основных |
особен |
ностей интенсиметрического и счетно-импульсного мето дов регистрации интенсивности позволяет сделать сле дующее заключение о целесообразности их применения
врасходомере сыпучих материалов.
1.Относительная среднеквадратичная погрешность счетно-импульсного метода меньше интенсиметрического.
2.Для получения минимальной аппаратурной по грешности предпочтительней также счетно-импульсный метод.
3.Погрешности за счет просчетов у обоих методов
равноценны, т. е. требуются примерно одни и |
те |
же |
меры для обеспечения этой погрешности одного |
и |
того |
же порядка в обоих случаях. |
|
|
Таким образом, для обеспечения повышенной |
точно |
сти в расходомере предпочтительнее использовать счет но-импульсный метод регистрации интенсивности излу чения.
§ 3. УСТРОЙСТВО РАСХОДОМЕРА
Использование счетно-импульсного метода предпола гает следующую схему работы расходомера. Поток сы пучего материала (например, песок) после формирова ния при помощи четырехугольной течки просвечивается в поперечном сечении пучком у-излучения, интенсив ность которого постоянно регистрирует детектор, распо ложенный с противоположной стороны течки, несколько ниже выходного отверстия. Для просвечивания исполь-
зустся равномерное поле, созданное системой специаль
ных коллиматоров с помощью |
двух |
источников. Сигнал |
||
с детектора поступает на пересчетную схему. |
||||
При таком построении схемы измерения пересчетное |
||||
устройство |
регистрирует |
общее |
количество импульсов, |
|
пришедших |
на детектор |
за время |
измерения. Средняя |
частота поступления импульсов, при этом обратно про порциональна количеству материала в потоке. Общее число импульсов, зарегистрированное прибором за все время измерения, не будет правильно характеризовать массу материала, прошедшего за это же время через контролируемое сечение течки.
Для обеспечения прямой зависимости числа зареги стрированных импульсов от количества материала, про шедшего через расходомер, в данном случае используют разностный метод регистрации интенсивности потока излучения.
Конечный результат получается в виде разности сче тов числа импульсов, приходящих от двух идентичных
детекторов |
(рис. 8.5): |
|
|
|
|
AN = NU — N. |
|
Один |
из детекторов регистрирует излучение, |
прошед |
|
шее |
через |
поглощающий поток материала (N), |
другой |
детектор регистрирует неослабленное излучение от того
же источника (Л/0 ), |
причем расстояние от этого детек |
||||||||||||||
тора |
до |
источника |
излучения |
подбирают |
с таким расче |
||||||||||
том, |
чтобы |
в отсутствие материала числа |
зарегистриро |
||||||||||||
ванных |
импульсов |
от первого |
и второго детекторов были |
||||||||||||
равны |
(N0 |
= N). Таким образом, |
в отсутствие |
потока |
па |
||||||||||
дающего |
материала |
AN = 0. |
При |
появлении |
потока |
ма |
|||||||||
териала |
(расход) |
величина |
N |
уменьшается. |
Следова |
||||||||||
тельно, |
чем |
больше |
расход материала, тем больше зна |
||||||||||||
чение |
разности AN. |
Таким |
образом, |
величина |
разности |
||||||||||
числа |
импульсов |
от |
двух |
детекторов |
AN = N0—N |
будет |
прямо пропорциональна количеству материала в потоке (расходу). Очевидно, вместо второго детектора можно использовать генератор импульсов, если это не увеличи вает погрешность измерения и оправдано экономически.
Массовый расход выражается |
формулой |
Q = vSp, |
(8.16) |
где Q — массовый расход, г/сек; у —скорость движения материала, см/сек; S — площадь поперечного сечения материала, см2; р— плотность материала в потоке, г/см3.
|
Учитывая, что |
Q — P/T, выражение |
(8.16) можно |
пе |
реписать в виде: |
|
(8.17) |
||
|
|
P=vSpT, |
||
где |
Р — суммарная масса материала, |
прошедшего |
че |
|
рез |
расходомер, г; |
Т — время истечения материала, |
сек. |
По ЯЯ
Рис. 8.5. Схема устройства расходомера:
|
/, 2 — источники излучения; 3, 4 — детекторы излуче |
|
|||||||
|
ния; |
5 — компенсирующий |
клин: |
6 — шнековый |
пита |
|
|||
|
тель; |
7 — пересчетный прибор; 8 — суммирующее |
уст |
|
|||||
|
ройство; 9 — программный |
блок; |
10 — исполнительный |
|
|||||
|
|
механизм |
(электропривод шнека). |
|
|
||||
|
Так как S~Ld, |
тогда |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Р = vLdpT, |
|
|
|
||
где |
L — ширина |
поперечного |
сечения |
потока, см; |
d — |
||||
толщина поперечного |
сечения потока, |
см. |
Здесь |
pd~ |
|||||
=х |
— поверхностная |
плотность |
потока |
материала в |
|||||
г/см2, подставив |
х в |
уравнение, |
получим: |
|
|
||||
|
|
|
|
P = vLxT. |
|
|
|
(8.18) |
Время измерения можно определить следующим об разом:
AN = N0 — N = пйТ — пТ;
AN = п0 (1 — е - ^ ) Т,
откуда
AN |
(8.19) |
|
„0 ( l _ e - ^ )
где п0 |
— скорость |
счета неослабленного |
излучения, |
имп/сек; |
п — скорость счета излучения, |
ослабленного |
|
потоком |
материала, |
имп/сек. |
|
Из этого выражения видно, что время набора задан ного числа импульсов зависит от величины плотности потока х, т. е. изменения плотности потока материала приводят к изменению времени набора заданного числа
импульсов |
AN, которому |
соответствует |
определенное |
количество |
материала, прошедшего через |
расходомер. |
|
Подставив выражение |
(8.19) в формулу |
(8.18), полу |
чим аналитическое выражение для определения массы
рассматриваемым способом: |
|
|
|
Р~ |
/ L A t o " |
. |
(8.20) |
Для проверки возможности регистрации расхода ма териала рассматриваемым способом необходимо иссле
довать выражение (8.20). |
|
|
|
|
Перепишем выражение |
(8.20), заключив все посто |
|||
янные величины в коэффициент А: |
|
|
||
Р^А |
|
е - t>* |
|
(8.21) |
1 |
_ |
|
|
|
При исследовании этого |
выражения |
предполагаем, |
||
что число зарегистрированных |
импульсов |
AN |
остается |
|
постоянным при постоянном |
расходе материала |
при ко |
лебаниях величины х. Очевидно, рассматриваемый метод регистрации расхода окажется пригодным в том случае, если изменения величины х в процессе измерения приве дут только к соответствующим изменениям времени из мерения и не повлияют на конечный результат: одному и
тому же расходу всегда должно |
соответствовать одно |
и то же значение числа импульсов |
AN. |
Из формулы (8.21) видно, что количество материа ла Р будет оставаться постоянным, если различным зна чениям х будет соответствовать одно и то же значение
выражения |
. |
Необходимо |
исследовать, в каких |
||||
пределах |
изменения |
х выражение x / ( l — е - |
Ї**) остается |
||||
постоянным. Воспользуемся |
формулой |
приближенногс |
|||||
вычисления е - Vх = |
1—[їх, пргрешность |
которой не пре |
|||||
вышает 0 , 1 % , если |
значения |
\ix^0,045, |
и не превышает |
||||
1 % , если их ^0,134 |
[16|. Подставляя |
эту формулу в ис |
|||||
следуемое выражение, получаем: |
|
|
|
||||
|
X |
|
X |
|
X |
1 |
|
|
1 — е - |
|
1 — ( l — [їх) |
[IX |
u. |
||
Отсюда |
следует, что если |
[їх принимает |
значения, не |
превышающие 0,045, исследуемое выражение не зависит от х, т. е. остается постоянным_ (с погрешностью 0,1%).
Таким образом, величина [їх ^0,045 является крити ческой при расчете параметров расходомера какого-либо конкретного материала. Назовем ее условием достовер
ной работы расходомера. |
|
Для наглядности |
рассчитаем параметры расходоме |
ра, предназначенного |
для измерения заданного расхода |
песка (режим дозатора). Песок имеет следующие харак теристики: плотность 2,65 г/см3, средняя насыпная мас
са |
1,6 г/см3, |
химический состав БіОг. Небольшие приме |
си |
других |
химических элементов, входящих в состав |
песка, во внимание не принимали, так как они пренебре-
#жимо мало влияют на величину коэффициента |
ослабле |
||||
ния излучения |
песком. |
|
|
|
|
В табл. 8.1 приводятся рассчитанные значения линей |
|||||
ных и массовых коэффициентов |
ослабления |
песком |
|||
|
|
|
Т а б л и ц а |
8 . 1 |
|
Источник |
Средняя |
Максимальная |
Линейный |
Массовый |
|
энергия |
энергия |
коэффициент |
коэффициент |
||
излучения |
V-квантов, |
Р -частиц, |
ослабления |
ослабления |
|
|
Мэв |
Мэв |
Ц, см~1 |
~, |
см'/г |
С0 во |
1,25 |
|
0,146 |
0,055 |
|
CS137 |
0,661 |
— |
0,202 |
0,076 |
|
Ваїзз |
0,35 |
|
0,265 |
0 , 1 |
|
Sre o-f- Y e 0 |
— |
2 , 2 |
11,9 |
4,5 |
•у-йЗлучения Co^°, Cs1 3 7 , Ва1 3 3 , а также (І-излучения Sr 9 0 + Y 9 0 [17, 18].
Обращаясь к найденному ранее условию достоверной работы расходомера (\іх^0,045), найдем верхний пре дел значения поверхностной плотности потока материа ла х, при котором обеспечивается нормальная работа прибора с использованием различных источников излу чения:
для |
Со8 0 |
|
|
|
х < |
0,045/jI |
= 0,8; |
для Cs1 3 7 |
|
|
|
|
х < |
0,045/jI |
= 0,6; |
для |
Ва 1 3 3 |
|
|
для |
х < |
0,045/(7= 0,45; |
|
Sr8 0 |
|
|
|
|
х < |
0,045/їі |
= 0,01. |
Из этих данных, например, следует, что Sr 9 0 можно применять в расходомере только с очень малой произво дительностью.
Пример. Производительность |
расходомера |
Q = 1 8 |
т/ч = 5000 |
г/сек |
|||||
(взято |
произвольно). Размеры выходной |
части |
формирующей |
течки |
|||||
5 = Z.d=120 см2 |
( L = 30 см, |
d=A |
см). |
Измеряют |
на |
расстоянии |
|||
/ і = 4 4 |
см. от места начала свободного |
падения, что |
|
соответствует |
|||||
времени свободного падения |
/ = 0 |
, 3 сек. |
В соответствии |
с формулой |
|||||
(8.16) |
плотность свободно падающего потока песка в сечении измере |
||||||||
ния в |
момент |
времени / = 0 , 3 |
сек |
будет |
иметь |
значение |
|
|
О5000
отсюда поверхностная плотность |
- |
; . " : |
x = pd = 0,142-4 = 0,57 8/CJH».
Полученный результат говорит о том, что для рас сматриваемого расходомера можно использовать в каче стве источника излучения С о 6 0 и Cs'3 7 . ..
Для проверки справедливости полученных выводов были проведены расчеты значений выражения
е - ^ ) при изменении х. Величины "с брали, начи ная от максимально возможной для измеряемого сече ния при максимальной производительности течки и до значения на порядок меньше: Источник излучения Со 6 0 (рТ=0,055).
10 Зак. 133 |
145 |
При значительных |
колебаниях |
плотности потока |
ма |
|||
териала |
(более чем |
в |
10 раз) колебания |
значений |
вы |
|
ражения |
х/(1 — е~й*), |
|
а значит, и массы не превосхо |
|||
дят 1,4%. |
В реальных |
условиях |
можно |
ожидать, |
что |
при работе расходомера колебания поверхностной плот
ности |
материала |
х |
будут значительно |
меньше, |
что по |
|||
зволит |
принять |
выражение |
х/(1—е-11*) |
за |
постоянную |
|||
величину (с очень |
малой |
погрешностью). |
В |
формуле |
||||
(8.20) обозначим все постоянные члены через |
q, |
полу |
||||||
чим окончательное уравнение расхода |
|
|
|
|
||||
|
|
|
Р = |
qAN. |
|
|
|
(8.22) |
Здесь |
а=—;—vLx |
|
постоянный |
коэффициент, |
раз- |
|||
|
n 0 ( l - e - ^ ) |
|
|
|
|
|
мерность которого г/имп.
Формула (8.22) показывает, что любое суммарное количество импульсов, зарегистрированное счетным уст ройством, однозначно определяет соответствующее коли чество материала, прошедшее через контролируемое сечение за время измерения. Коэффициент q для каж дого конкретного случая должен рассчитываться по при веденной формуле и уточняться окончательно при тари ровке прибора.
Проведенные в этой главе рассуждения и расчеты обосновывают реальную возможность осуществления ра диоизотопного расходомера повышенной точности.
Очевидно, данная разновидность расходомера, не являясь универсальной для всех видов сыпучих матери алов, все же сможет найти достаточно широкое приме нение во многих промышленных отраслях, в том числе и в промышленности строительных материалов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Гаузнер С. И., Михайловский С. С, Орлов В. В. Регистрирую щие устройства в автоматических процессах взвешивания. М., Машиностроение, 1966.
2.Карпин Е. Б. Расчет и конструирование весоизмерительных ме ханизмов и дозаторов. М., Машгиз, 1963.
3.Орлов С. П. «Испытательные машины, приборы автоматизации
взвешивания и дозирования», 1964, № 2 (13).
4.Видинеев Ю. Д. Автоматическое непрерывное дозирование ма териалов. М., «Энергия», 1965.
5.Луткин Н. И. Расходомеры для зерен и сыпучих материалов. М., «Колос», 1969.
6.Перцовский Ё. С. Применение радиоизотопных контрольно-изме рительных приборов в пищевой промышленности. М., 1962.
7.Клоптон К. Э. Широкие перспективы использования методов, ос нованных на поглощении и отражении излучений. Доклад на Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии. Доклад № 164 США (35—62). Изд-во А Н СССР М., 1956.
8.Пугачев А. В. Радиоизотопный контроль и автоматизация про
цессов подготовки шихты. М., Атомиздат, 1965.
9.Сегалин В. Г. Применение радиоактивных изотопов для автома тизации в угольной промышленности. М., Госгортехиздат, 1960.
10.Берман М. Л. Канд. дис. Ин-т ядерной физики АН УзССР. Ташкент, 1969.
11.Лойцянский Л. Г., Лурье А. И. Теоретическая механика. Ч I I .
Динамика. М — Л . , Изд-во ГТТИ, 1933.
12.Репринцева С. М., Федорович Н. В. К вопросу движения дис персного материала в вертикальных замкнутых каналах. В сб.: «Тепло- и массообмен в сушильных и термических процессах». Минск, «Наука и техника», 1966.
13.Горн. Л. С, Хазанов Б. И. Регистраторы интенсивности излуче ний. М., Атомиздат, 1965.
14.Матвеев В. В., Хазанов Б. И. Приборы для измерения ионизи рующих излучений. Изд. 2-е. М., Атомиздат, 1972.
15.Санин А. А. Электронные приборы ядерной физики. М., Физмат-
гиз, 1961.
16. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике. М., Гостехтеориздат, 1967.
17.Кимель Л. Р., Машкович В. П. Справочник по защите от иони зирующих излучений. Изд. 2. М., Атомиздат, 1972.
18.Полевые ядерные геофизические методы. Под ред. В. И. Барано ва. М., «Наука», 1966.
Г Л А В А 9
А Н А Л ИЗ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА СЫРЬЕВОГО ШЛАМА
В условиях поточного производства всегда желатель но, а иногда необходимо иметь экспрессную информацию о количественном содержании основных составляющих элементов обрабатываемого продукта, наличие такой ин
формации |
позволяет оптимизировать |
технологический |
|||
процесс. |
|
|
|
|
|
Поэтому развитие экспрессных аналитических мето |
|||||
дов элементного |
анализа имеет |
важное |
значение для |
||
многих отраслей |
промышленности. |
|
|
||
Одна из наиболее характерных промышленных отра |
|||||
слей, где строгое соблюдение технологической |
дисципли |
||||
ны имеет |
важное |
значение, — это |
цементная |
промыш |
|
ленность. Именно здесь, где перерабатываются |
большие |
количества сырья, особое значение приобретает экспрес сивность аналитических методов.
§1. ЯДЕРНОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Впоследнее десятилетие в промышленном производ стве находят все большее применение ядернофизические методы анализа, так как они часто превосходят по экс прессное™ и чувствительности все другие методы и, кроме того, в большинстве случаев не требуют специаль ной подготовки проб.
К ядернофизическим методам анализа можно отне сти следующие.
1. Нейтронноактивационный анализ — один из наибо лее чувствительных и специфических методов, позво ляющий определять широкий круг элементов, содержа щихся в образцах в микрограммовых и в макрограммовых количествах. Этот метод получил широкое распро странение для анализа чистых, сверхчистых материалов
и в геологии. Метод использует явление искусственной радиоактивности в результате реакций (п, у), (п, р), (п, 2п), {п, а ) , (п, п') и других, возникающих при облу чении исследуемого материала потоком нейтронов. Се лективное измерение наведенной активности дает ин формацию о количестве определяемого элемента.
2. Анализ элементного состава по у-излучению, со провождающему захват нейтронов. Баланс энергий при реакциях радиационного захвата нейтрона с начальной энергией Еп можно записать следующим образом:
Еп + Мп + Мя |
= Мя+1 |
+ (Q + |
Еп), |
где М„ — масса нейтрона; |
Мя |
— масса |
ядра; Q — энер |
гия связи нейтрона в ядре Мя+1. |
Выражение в скобках — |
полная энергия возбуждения образующегося ядра. Ве личина энергии Q для большинства ядер лежит в пре
делах |
от 2 до 12 Мэв и за |
время |
Ю - 1 4 сек уносится ка |
скадом |
у-квантов, переводя |
ядро |
в основное состояние. |
у-Излучение радиационного захвата нейтрона характе ризует только данное ядро. Используя эту особенность, можно вести элементный анализ по у-излучению радиа ционного захвата, причем немедленное получение инфор мации позволяет в некоторых случаях вести анализ в потоке без отбора проб. Однако область применения данной методики очень ограниченна, ее применяют в основном для элементов с большим сечением радиацион ного захвата нейтронов или для элементов с ярко выра женным специфическим Y " c n e K T P 0 M радиационного за хвата.
3.Количественное определение некоторых элементов по поглощению нейтронов — так называемый нейтронноабсорбционный метод. Этот метод применяют для опре деления элементов с большим сечением поглощения нейтронов.
4.Для элементного анализа пЪ наведенной активно сти кроме нейтронов можно использовать и у-кванты
больших |
энергий ( > 1 0 Мэв). В |
данном случае |
анализ |
ведут по |
наведенной активности, |
получаемой в |
резуль |
тате так называемых фотоядерных |
реакций типа (у, п), |
(Y. Р)> ("Y> « ) • Область применения |
методов, основанных |
на использовании фотоядерных реакций, весьма ограни ченна, так как в большинстве случаев сечения фотоядер ных реакций очень малы. Однако следует отметить, что появление мощных и компактных источников у-излуче-