Способ градуировки нейтронных влагомеров и влагоплотномеров

КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ го изменения потоков тепловых 11(1, 2, 1, 2) и надтепловых нейтронов 22(1, 2, 1, 2) от расстояния 2 при неизменных толщинах пластин замедлителя 1 и 2 для трех значений 1 первого экрана, соответственно для 22,22 и 22 и, используя найденные зависи,мости, определяют 1 и,2 для заданных плотностей потоков нейтронов 1, и 2, по формулам, 265 3 где 1, 2, 3, 4, 5, 6 - коэффициенты, определенные с использованием найденных зависимостей 11(1, 22 , 1, 2),11(1, 22 , 1, 2),11(1, 22 , 1, 2),22(1, 22 , 1, 2),22(1, 22 ,, 2),22 х (1, 22 , 1, 2).,2(54) СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ НЕЙТРОННЫХ ВЛАГОМЕРОВ И ВЛАГОПЛОТНОМЕРОВ(57) Изобретение относится к области технической физики и радиоизотопного приборостроения, в частности к метрологическому обеспечению, используемому для градуировки, поверки и калибровки нейтронных влагомеров и влагоплотномеров сыпучих материалов. Задачей изобретения является сокращение времени на регулировку и подбор значений плотностей потоков тепловых (подкадмиевых) и надтепловых(подкадмиевых) нейтронов, эквивалентных нейтронным потокам в реальном материале, при градуировке двухканальных нейтронных влагомеров и влагоплотномеров. Технический результат достигается тем, что находят функциональные зависимости одновременно 14372 Изобретение относится к области технической физики и радиоизотопного приборостроения, в частности к метрологическому обеспечению, используемому для градуировки, поверки и калибровки нейтронных влагомеров и влагоплотномеров сыпучих материалов. Известен способ градуировки нейтронных влагомеров (Емельянов В.А. Гамма-лучи и нейтроны в полевых почвенно-мелиоративных исследованиях / Теория и практика применения гамма-лучевых и нейтронных методов. М. Государственное издательство литературы в области атомной науки и техники, 1962, с. 206), в котором для этого используется сыпучий материал. Сыпучий материал размещается в баках или кубических емкостях. Градуировка влагомера включает в себя нахождение градуировочной характеристики - зависимости значений выходных сигналов с датчика (первичного преобразователя) влагомера от значений влажности и насыпной плотности сыпучего материала. Для построения градуировочной характеристики необходимы несколько таких значений (градуировочных точек). Первую градуировочную точку получают для материала в сухом состоянии. Следующие градуировочные точки получают путем увлажнения материала до заданных значений, вводя воду в материал, находящийся в емкости или предварительно извлеченный из нее. В последнем случае возможно перемешивание материала, что способствует более равномерному увлажнению. Для контроля влажности после каждого увлажнения материала из него берут объемные пробы,которые высушивают в термостате, при этом пробы взвешивают до и после высушивания. Насыпная плотность контролируется с помощью измерения массы материала и объема емкостей, в которых размещается материал. Как правило, для построения градуировочной характеристики влагомера должно быть не менее трех градуировочных точек. Недостатком известного способа является то, что он не позволяет достаточно долго хранить и быстро воспроизводить с заданной точностью значения влажности сыпучего материала. С течением времени свойства сыпучего материала изменяются в зависимости от влажности и температуры окружающей среды. Если влажность окружающей среды больше или меньше влажности сыпучего материала, то происходит соответственно увлажнение сыпучего материала или испарение влаги из сыпучего материала в окружающую среду. Так как влажность и насыпная плотность сыпучих материалов подвержены влиянию окружающей среды и могут со временем изменяться, то при градуировке нейтронных влагомеров и влагоплотномеров обычно используют не сам сыпучий материал, а его некоторую механическую модель в виде контрольно-калибровочного устройства (меры). Ядерно-физические характеристики и конструктивные размеры контрольно-калибровочного устройства выбираются таким образом, чтобы воспроизводить 2 потоки нейтронов, имеющие энергетические спектры, соответствующие спектрам нейтронов в анализируемом веществе. При этом материалы, используемые в устройстве, должны сохранять стабильность своих ядерно-физических характеристик во времени. Такое контрольно-калибровочное устройство должно предварительно пройти метрологическую аттестацию, то есть должно быть установлено взаимно-однозначное соответствие значений влажности и насыпной плотности конкретного сыпучего материала определенным значениям плотностей потоков нейтронов. Для разных типов сыпучих материалов значения плотностей потоков нейтронов при одной и той же влажности и насыпной плотности будут отличаться. Поэтому для каждого сыпучего материала (кокс, аглошихта, железорудный концентрат и т.п.) нужно с помощью устройства подбирать и воспроизводить соответствующие диапазоны изменения плотностей потоков нейтронов, например, изменяя геометрию или конструктивные размеры материалов, входящих в состав этого устройства. Контрольно-калибровочное устройство должно обладать необходимыми средствами регулировки и настройки для оперативного и точного воспроизведения плотности потоков нейтронов. Известен способ градуировки и калибровки нейтронных датчиков (предпатент РК,9169 кл. 01 23/12, 2000), заключающийся в том, что с помощью двух сменных экранов воспроизводят плотности потоков тепловых и надтепловых нейтронов. Сменные экраны содержат замедлители и поглотители нейтронов. Для регулировки плотности потоков нейтронов изменяют толщиныэкранов и расстояния , на которых они размещаются от датчика. Изменяя расстояниемежду экранами из замедлителя и осью канала для ввода датчика, а также их толщины , добиваются необходимых плотностей потоков тепловых и надтепловых нейтронов. Вводя в сменные экраны тонкие пластины поглотителя (листового кадмия), изменяют соотношение плотностей потоков надтепловых нейтронов за счет частичного их поглощения. Недостатком известного способа являются большие временные затраты на регулировку и подбор значений плотностей потоков тепловых (подкадмиевых) и надтепловых (надкадмиевых) нейтронов, которые должны быть эквивалентны нейтронным потокам в реальном материале, при градуировке двухканальных влагомеров и влагоплотномеров. Для известного способа однажды определенные параметрыиуже не подлежат изменению и являются жестко фиксированными, а для изменения характеристик нейтронного поля требуется проводить экспериментальные исследования. При этом должен повторно осуществляться подбор толщины замедлителяи расстоянияразмещения экранов. Наиболее близким к заявляемому способу является способ для градуировки и калибровки нейтронных влагоплотномеров (предпатент РК 13076,01 23/00, 2003), заключающийся в том, что плотность потоков тепловых и надтепловых нейтронов 14372 регулируют с помощью двух экранов, причем для регулировки плотностей потоков тепловых и надтепловых нейтронов используется экран, состоящий из пластин толщиной 1, выполненных из замедлителя быстрых нейтронов, а для регулировки плотностей потоков надтепловых нейтронов используется второй экран, состоящий из пластин толщиной 2,выполненных из замедлителя быстрых нейтронов и закрытого листовым кадмием, при этом первый экран размещается на расстоянии 1, а второй экран размещается на расстоянии 2 от датчика. Суммарные значения плотностей потоков от двух экранов регулируются подбором толщины пластин замедлителя 1, 2 фиксированной толщины и расстоянием 1 и 2, на котором устанавливаются экраны. Это позволяет оценить возможные диапазоны получения различных значений плотностей потоков нейтронов и возможные направления регулирования 1 и 2. Недостатком известного способа градуировки нейтронных влагомеров и влагоплотномеров является наличие затрат времени на экспериментальный поиск и регулировку значений плотностей потоков с помощью экранов. Данный способ не позволяет заранее определить численные значения 1 и 2, и поэтому регулировка потоков нейтронов производится в достаточно широком диапазоне. При этом отсутствуют расчетные(аналитические) формулы, которые позволяли бы без дополнительного экспериментального подбора и регулировки точно определить параметры 1 и 2. Для повышения точности определения диапазона регулирования в известном способе требуется определить как можно больше экспериментальных зависимостей 11(1, 2, 1, 2), 22(1,2, 1, 2). В известном способе приведены десять таких зависимостей. Техническим результатом изобретения является сокращение времени на регулировку и воспроизведение значений плотностей потоков тепловых (подкадмиевых) и надтепловых (надкадмиевых) нейтронов, эквивалентных нейтронным потокам в реальном материале с использованием контрольнокалибровочного устройства (меры) как при метрологической аттестации его, так и при градуировке с его помощью двухканальных нейтронных влагомеров и влагоплотномеров. Технический результат достигается тем, что в способе для градуировки нейтронных влагомеров и влагоплотномеров, заключающемся в том, что для воспроизведения плотностей потоков нейтронов,соответствующих плотностям потоков нейтронов в материале с определенными значениями влажности и насыпной плотности, используют два экрана, причем для регулировки плотностей потоков тепловых и надтепловых нейтронов используют экран, состоящий из пластин толщиной 1, выполненных из замедлителя быстрых нейтронов, а для регулировки плотностей потоков надтепловых нейтронов используют второй экран, состоящий из пластин толщиной 2, выполненных из замедлителя быстрых нейтронов, и закрытый листовым кадмием, при этом первый экран размещают от датчика на расстоянии 1, а второй экран размещают от датчика на расстоянии 2, способ отличается тем, что находят функциональные зависимости одновременного изменения плотностей потоков тепловых 11(1, 2,1, 2) и надтепловых нейтронов 22(1, 2, 1, 2) от расстояния 1 при неизменных толщинах пластин замедлителя 1 и 2, для трех положений 2 второго экрана, соответственно для 22,22 и 22 ах, используя найденные зависимости, определяют 1 и 2 для воспроизведения заданных плотностей потоков нейтронов 1 и 2 по формулам(1 )3 ( 24 ) 16 1, 265 3 где 1, 2, 3, 4, 5, 6 - коэффициенты, определенные с использованием найденных зависимостей 11(1, 22 , 1, 2),11(1, 22 , 1, 2),11(1, 22 , 1, 2),22(1, 22 , 1, 2),22(1, 22 ,, 2),22 х (1, 22 , 1, 2). На фиг. 1 показано расположение экранов 1, 2 по отношению к датчику 3 влагомера или влагоплотномера. Экран 1 выполнен из замедлителя, быстрых нейтронов. Экран 2 выполнен из замедлителя закрытого со стороны датчика листом 4 кадмия. На фиг. 2 изображены графики зависимостей плотностей потоков тепловых 1 и надтепловых нейтронов 2 от расстояния 1 соответственно для трех положений 2, 2 и 2 второго экрана. На фиг. 3 изображены графики зависимостей плотностей потоков тепловых 1 и надтепловых нейтронов 2 от расстояния 1 соответственно для трех положений 21 см, 23 см, 25 см второго экрана. Изменяя расстояние 1 для первого экрана,управляют плотностями потоков тепловых и надтепловых нейтронов, а изменяя расстояние 2 группы пластин для второго экрана, в большей степени управляют потоками надкадмиевых нейтронов. Это связано с тем, что кадмий, покрывающий замедлитель, поглощает тепловые (подкадмиеые) нейтроны и пропускает надтепловые (надкадмиевые) нейтроны, которые и регистрируются детекторами датчика. Путм изменения толщины 1 и 2 пластин замедлителя задают соответствующие максимальный и минимальный уровни плотностей потоков тепловых и надтепловых нейтронов. При практической реализации заявляемого способа были получены экспериментальные зависимости 11(1, 2, 1, 2) и 22(1, 2, 1, 2), изображенные на фиг. 2. В качестве замедлителя был применен полимерный материал капралон (полиамид 6 блочный), в качестве источника быстрых нейтронов был использован плутоний-бериллиевый источник 2 14372 типа ИБН-6, в качестве детекторов - газоразрядные счетчики типа СНМ-18-1, заполненные гелием 3 2 Не . При этом плотности потоков нейтронов, формируемые экранами, однозначно связаны с числом нейтронов, регистрируемых детекторами в единицу времени. С выходов детекторов снимались и регистрировались электрические импульсы 1 и 2, соответствующие числу зарегистрированных соответственно тепловых и надтепловых нейтронов в секунду(имп/с). При анализе полученных зависимостей, изображенных на фиг. 2, выбирается такой диапазон 1,2, при котором зависимости 11(1, 2, 1,2) можно считать линейными. Для указанной геометрии и толщины замедлителя этот диапазон находится от 1 до 5 см. На фиг. 3 изображены зависимости 1, 2 для диапазона от 11 м до 15 м и от 2 м до 25 м. В общем виде зависимости 11(1, 2, 1,2), 22(1, 2, 1, 2), изображенные в виде графиков ни фиг. 3, можно представить в аналитическом виде(1) 112132 245162 Решая систему уравнений (1) относительно 1 и 2, находим(1 )3 ( 24 )(3)265 3 Коэффициенты 1,2,3 можно определить по трем значениям 1 при определенных значениях 1 и 2, например, в качестве которых выберем(1)3 530 имп/с, (1)350 мм, (2)150 мм. Составим систему уравнений для трех значений 1 113012 103 30(8) 2-12,9 3-4,3. Коэффициенты 4, 5, 6 можно найти по трем значениям 1 при тех же значениях 1 и 2, что были использованы для определения коэффициентов 1,2, 3.(2)3150 имп/с, (1)150 мм, (2)150 мм (11) Составим систему уравнений для трех значений 2 41045 106 30(14) 2 600-41-52 Формулы (2), (3) тогда можно представить в виде 4 ,3(2600)5( 11387,1)(16) 247,3 Используя приведенные зависимости, можно найти значения 1 и 2 для воспроизведения необходимых плотностей потоков нейтронов. В настоящее время измерение влажности сыпучих материалов нейтронным методом может быть реализовано двумя типами приборов. К первому типу относятся приборы, в которых осуществляется корректировка измеренной влажности по насыпной плотности без нормирования значения насыпной плотности. Другими словами, приборы первого типа измеряют только влажность сыпучего материала, а значения насыпной плотности не выводятся на индикатор, хотя и учитываются при корректировке измеренных значений влажности. К такому типу приборов относится влагомер типа ВНС-7206 (1983 г., ОПКБ Черметавтоматика,г. Караганда). Ко второму типу приборов относятся влагомеры и влагоплотномеры, в которых осуществляется нормирование измеренного значения насыпной плотности с указанием диапазона измерения и погрешности измерения, - влагоплотномер ВПНС-7208 (1987 г., ОПКБ Черметавтоматика, г. Караганда), влагомеры ВНС-7652 и ВНС-7652 М (1996 г. и 2000 г. ОАО Казчерметавтоматика, г. Караганда). Для того, чтобы измерять влажность и насыпную плотность контролируемого материала с помощью влагомеров и влагоплотномеров, их необходимо вначале отградуировать. Градуировка - экспериментальное определение градуировочной характеристики средства измерений. Градуировочная характеристика - зависимость между значениями на выходе и входе средства измерений, полученная в результате градуировки. Градуировочная зависимость может быть представлена в графическом, табличном и аналитическом виде. Градуировочная зависимость для влагомеров и влагоплотномеров задается в аналитическом виде, то есть в виде формулы. Так, например,согласно с ГОСТ 8.530-85 Влажность доменного кокса. Методика выполнения измерений нейтронными влагомерамитакая зависимость для потоков тепловых (подкадмиевых) и надтепловых (надкадмиевых) нейтронов выражается системой уравнений 11 1 а 2 2 21122(17) где 1, 2 - выходные сигналы датчика влагомера или влагоплотномера 0, 1, 2, 0, 1, 2 - градуировочные коэффициенты- массовая концентрацияя влаги кокса 22 - насыпная плотность сухого кокса 1 - масса воды в коксе 2 - масса сухого кокса- объем измеряемого кокса. Решая систему уравнений (17) для произвольных 1, 2 и заранее найденных градуировочных коэффициентов, можно определить массовую концентрацию влаги 1 и насыпную плотность 2, а также найти влажность , (массовую долю влаги) кокса по формуле 1 1 100100 12 12 Процесс градуировки влагомеров и влагоплотномеров заключается в нахождении градуировочных коэффициентов а 0, 1, а 2, 0, 1, 2 с использованием контрольно-калибровочного устройства для воспроизведения трех пар значений 11, 21, 12, 22 и 13, 23, причем желательно, чтобы эти значения находились во всем диапазоне измерения влажности и насыпной плотности, то есть включали максимальные, минимальные и средние значения влажности и насыпной плотности. Затем для каждой пары значений влажности и насыпной плотности 11, 21, 12, 22 и 13, 23 определяют выходные сигналы влагомера или влагоплотномера соответственно 11, 21, 12, 22 и 13, 23. Используя найденные значения выходных сигналов,составляют две системы уравнений с тремя неизвестными 11 а 01 11 а 2 21(20) 2301 132 23 Решая системы уравнений (19) и (20), находят градуировочные коэффициенты 0, 1, 2, 0, 1, 2. В этом, собственно, и состоит процедура градуировки влагомеров и влагоплотномеров. Рассмотрим конкретное применение способа на примере градуировки влагомера доменного кокса ВНС-7206 и влагоплотномера доменного кокса типа ВНС-7652. Как было указано выше, экраны контрольнокалибровочного устройства, используемые для градуировки, должны быть предварительно метрологически аттестованы, то есть для них должны быть найдены соответствующие значения 1, 2, при которых воспроизводятся плотности потоков нейтронов, соответствующих определенным значениям влажности и насыпной плотности контролируемого сыпучего материала. При метрологической аттестации экранов сначала определяют значения скоростей счета с помощью влагоплотномера-компаратора на образцовом средстве измерения более высокого разряда по отношению к контрольно-калибровочному устройству. В качестве такого образцового средства измерения может быть использован, например, государственный стандартный образец влагосодержания и насыпной плотности доменного кокса типа ГСО 3695-87 и ГСО 3696-87. Процедура аттестации экранов контрольнокалибровочного устройства заключается в следующем - с помощью компаратора измеряют на государственном стандартном образце значения трех пар скоростей счета соответственно для трех значений влажности и насыпной плотности. Затем, используя полученные значения скоростей счета, по формулам (2) и (3) вычисляют три пары значений 1, 2 для экранов. Значения 1, 2 аттестуются, как значения, при которых будут воспроизводиться конкретные значения влажности и насыпной плотности. Другими словами, указанные экраны будут моделировать условия измерения, соответствующие заданным значениям влажности и насыпной плотности для конкретного типа влагомера и влагоплотномера. Аттестованные таким образом экраны контрольно-калибровочного устройства позволяют осуществлять градуировку и поверку рабочих влагомеров и влагоплотномеров. При этом перестройка экранов для определенного типа влагомера или влагоплотномера осуществляется без дополнительных затрат времени на настройку и экспериментальный поиск значений 1, 2 для каждого типа влагомера или влагоплотномера. Для трех градуировочных точек на государственных стандартных образцах были получены с помощью компараторов ВНС-7206-К и ВНС-7652-К три пары значений 1 и 2. Эти значения были воспроизведены контрольно-калибровочным устройством с помощью экранов на расстояниях 1, 2 от датчика. Расстояния были вычислены по формулам (15) и (16) без экспериментального поиска. Результаты измерений 1, 2 и вычислений 1, 2 для двух компараторов ВНС-7206-К и ВНС-7652-К приведены соответственно в табл. 1 и табл. 2. Таблица 1 Для рабочего влагомера типа ВНС-7206 на экранах контрольно-калибровочного устройства для вычисленных выше значений 1, 2 были измерены три пары значений 1 и 2, приведенные в табл. 3. Таблица 3 Для рабочего влагомера ВНС-7206 с учетом табл. 3 получены градуировочные коэффициенты 0-284,053 имп/с а 0251,895 имп/с 18864,66 импсм 3/сг 12646,616 импсм 3/сг Градуировочная Точка 1 2 3 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ градуировки нейтронных влагомеров и влагоплотномеров, заключающийся в том, что для воспроизведения плотностей потоков нейтронов,соответствующих плотностям потоков нейтронов в материале с определенными значениями влажности и насыпной плотности, используют два экрана, причем для регулировки плотностей потоков тепловых и надтепловых нейтронов используют экран, состоящий из пластин толщиной 1, выполненных из 6 а 2629,88 импсм 3/сг 2888,872 импсм 3/сг Для рабочего влагомера типа ВНС-7652 на аттестованных экранах были получены три пары значений 1 и 2, приведенные в табл. 4. Таблица 4 Для рабочего влагомера ВНС-7652 с учетом табл. 4 получены градуировочные коэффициенты 0-549,32 имп/с а 064,158 имп/с 111203,01 импсм 3/сг 14308,27 импсм 3/сг а 2957,67 импсм 3/сг 21461,09 импсм 3/сг Таким образом, находя экспериментально три зависимости вида 11(1, 2, 1, 2) и 22(1, 2,1, 2) при начальной аттестации устройства и применив формулы (2) и (3), можно заранее определить значения 1, 2 для воспроизведения необходимых плотностей потоков нейтронов без дополнительных временных затрат на экспериментальные исследования для поиска значений 1, 2. Техническим преимуществом предлагаемого способа является то, что использование его сокращает временные затраты, связанные с регулированием и воспроизведением необходимых плотностей потоков нейтронов с помощью контрольнокалибровочного устройства как при аттестации его,так и при градуировке с его помощью нейтронных влагомеров и влагоплотномеров. замедлителя быстрых нейтронов, а для регулировки плотностей потоков надтепловых нейтронов используют второй экран, состоящий из пластин толщиной 2, выполненных из замедлителя быстрых нейтронов и закрытый листовым кадмием, при этом первый экран размещают от датчика влагоплотномера на расстоянии 1, а второй экран размещают от датчика на расстоянии 2, отличающийся тем,что находят функциональные зависимости одновременного изменения плотностей потоков тепловых 11(1, 2, 1, 2) и надтепловых нейтронов 22(1, 2, 1, 2) от расстояния 1 при неизменных толщинах пластин замедлителя 1 и 2, для трех положений 2 второго экрана,соответственно для 22, 22 и 22 и,используя найденные зависимости, определяют 1 и 2 для воспроизведения заданных плотностей потоков нейтронов 1 и 2 по формулам(1 )3( 24 ) 16 1,2653 где 1, 2, 3, 4, 5, 6 - коэффициенты, определенные с использованием найденных зависимостей 11(1, 22 , 1, 2),11(1, 22 , 1, 2),11(1, 22 , 1, 2),22(1, 22 , 1, 2),22(1, 22 ,, 2),22 х (1, 22 , 1, 2). 2