PL168083B1

PL168083B1 - Sposób i urządzenie do pomiaru parametrów fizyko-chemicznych kopalin

Info

Publication number: PL168083B1
Application number: PL29511992A
Authority: PL
Inventors: Waclaw Gorny; Andrzej Grzybczyk; Marian Mainka; Czeslaw Mirkowski; Marian Rotko; Wieslaw Zielinski
Original assignee: Przed Wdrozen Przemyslowych Wi
Priority date: 1992-06-30
Filing date: 1992-06-30
Publication date: 1995-12-30
Also published as: PL295119A1

Abstract

1 Sposób pomiaru parametrów fizyko-chemicznych kopalin, zwłaszcza zawartości popiołu i wilgoci w węglu kamiennym lub brunatnym, po) legający na wstępnym zmieleniu próbki kopaliny, którą następnie prześwietla się jednocześnie promieniowaniem jonizującym i promieniowaniem mikrofalowym, a wyniki prześwietleń z dwóch układów detekcyjnych przekazuje do komputerowego układu elektronicznego obliczającego w oparciu o odpowiedni program żądane parametry badanej próbki, znamienny tym, że promieniowaniejonizujące stosowane przy prześwietleniu próbki, emituje się w postaci dwóch oddzielnych wiązek niskocnergetycznego promieniowania gamma lub X,jednao energii kwantów z przedziału energii 20-30 keV, najkorzystniej 25 keV, a drugą o energii kwantów z przedziału energii 50-60 keV, najkorzystniej 55 keV 1 po przejściu przez badaną próbkę poddaną ruchowi obrotowemu wykonuje się pomiar osłabienia tych wiązek, a następnie znając wielkość osłabieniapromieniowania mikrofalowego 1 jonizującego określa się wartość parametrów jakościowych i masę próbki 2 Urządzenie do pomiaru parametrów fizyko-chemicznych kopalin, zwłaszcza węgla kamiennego lub brunatnego, składające się z dwóch źródeł promieniowania, to jest jonizującego i mikrofalowego oraz z przynależnych do nich dwóch układów detektorów jako odbiorników promieniowania, pomiędzy którymi jest umieszczona próbka badanej kopaliny oraz z ustalającego końcowe wyniki pomiaru, komputerowego układu elektronicznego połąpzonego z obydwoma detekcyjnymi układami, znamienne tym, ze zawiera płaskie cylindryczne naczynie (6) dla badanej próbki (7) umieszczone na obrotowym elemencie (5) oraz źródło promieniowaniajonizującego (2) z dwoma wiązkami (8) i (9) niskoenergetyczne go promieniowania, przy czym energia kwantówjednej wiązki (8) znajduje się w przedziale energii 20-30 keV, a energia drugiej wiązki (9) w przedziale energii 50-60 keV

Description

Wynalazek dotyczy sposobu laboratoryjnego pomiaru parametrów fizyko-chemicznych kopalin, zwłaszcza zawartości popiołu i wilgoci w węglu kamiennym lub brunatnym oraz urządzenie do realizacji tego sposobu.

W dziedzinie badań laboratoryjnych brak jest bezpiecznych sposobów i urządzeń pozwalających jednocześnie na dokładny pomiar w tej samej próbce kopaliny kilku parametrów charakteryzujących jej jakość, na przykład zawartości popiołu i wilgoci. Znane sposoby i urządzenia laboratoryjne pozwalają na pomiar zawartości wilgoci w węglu z zastosowaniem techniki mikrofalowej albo oddzielnie zawartości popiołu w węglu z zastosowaniem techniki izotopowej. Próbki kopaliny dla celów pomiaru w takich urządzeniach wymagają znacznego zakresu prac przygotowawczych, polegających na ważeniu, suszeniu i mieleniu, często do ziarna analitycznego o granulacji 0,2 mm.

W znanym urządzeniu Bertholda do monitorowania zawartości wilgoci i popiołu w węglu stosuje się dwa źródła promieniowania gamma, a mianowicie ameryk Am-241 o energii kwantów El = 60 keV i cez-137 o energii kwantów E2 = 660 keV. Takie same źródła promieniowania gamma stosuje się również w popiołomierzu australijskim typu COALSCAN, gdzie stosuje się dwustrumieniową metodę transmisyjną pomiaru zawartości popiołu. W obydwóch urządzeniach przyjmuje się, że grubość mierzonej warstwy węgla nie powinna być mniejsza od 5 cm. .

Wymienione urządzenia i sposoby są stosowane do ciągłych pomiarów parametrów jakości węgla na przenośnikach taśmowych załadowczych lub technologicznych, w miejscach

168 083 gdzie kontakt człowieka z głowicą urządzenia zawierającego wysokoenergetyczne źródła promieniowania jest ograniczony i rzadki. Niedogodnością tych rozwiązań jest to, że nie nadają się do zastosowania w przenośnych urządzeniach laboratoryjnych, obsługiwanych przy bezpośrednim kontakcie przez ludzi. Ze względu na dużą przenikalność wysokoenergetycznego promieniowania gamma, zapewnienie wystarczających osłon przed tym promieniowaniem jest zagadnieniem bardzo trudnym do wykonania w urządzeniach laboratoryjnych przenośnych i o małych gabarytach.

Z europejskiego opisu patentowego nr EP 0032061 znane jest urządzenie do ciągłego pomiaru zawartości wody w ropie zawierającej wolny gaz. Urządzenie to w ogólnym sensie składa się z pomiarowej komory zabudowanej w rurociągu transportującym ropę z podziemnego odwiertu pomiędzy źródłem i detektorem promieniowania mikrofalowego oraz pomiędzy źródłem i detektorem jonizującego promieniowania gamma. Urządzenie to realizuje pomiar zawartości wody w ropie przepływającej w rurociągu, prześwietlając ją jednocześnie promieniowaniem mikrofalowym i promieniowaniem jonizującym, a następnie znając wielkość osłabienia promieniowania mikrofalowego i jonizującego wyznacza za pomocą odpowiedniego układu elektronicznego zawartość wody w tej ropie. Tego rodzaju urządzenie nie nadaje się do praktycznego wykorzystania do laboratoryjnych pomiarów zawartości popiołu i wody w węglu.

Celem wynalazku jest taki sposób i urządzenie pomiarowe, które umożliwiałyby bezpieczne dla obsługi i dokładne laboratoryjne wykonywanie oznaczenia zawartości popiołu i wilgoci w próbce węgla kamiennego i brunatnego i to niezależnie od masy tej próbki. Celem wynalazku jest również obniżenie do minimum gabarytów i kosztów wykonania urządzenia.

Cele te udało się osiągnąć dzięki zastosowaniu, zgodnie z niniejszym wynalazkiem, sposobu i urządzenia do realizacji tego sposobu.

Według wynalazku, sposób pomiaru parametrów fizyko-chemicznych kopalin polega w swej istocie na tym, że jednocześnie z prześwietlaniem próbki kopaliny promieniowaniem mikrofalowym prześwietla się ją promieniowaniem jonizującym, emitowanym w postaci dwóch oddzielnych wiązek niskoenergetycznego promieniowania gamma lub X, jedną o energii kwantów z przedziału energii 20-30 keV, najkorzystniej 25 keV, a drugą o energii kwantów z przedziału energii 50-60 keV, najkorzystniej 55 keV. Po przejściu promieniowania przez badaną próbkę poddaną ruchowi obrotowemu, wykonuje się pomiar osłabienia tych wiązek, a następnie na podstawie wyniku pomiaru osłabienia w oparciu o równania kalibracji, określa się wartość parametrów jakościowych i masę próbki, którą wykorzystuje się do korygowania wyników z równolegle prowadzonego mikrofalowego pomiaru zawartości 'wilgoci. Zastosowanie dwóch wiązek promieniowania jonizującego o powyższych niskoenergetycznych parametrach, z jednej strony umożliwia wyeliminowanie błędów pomiarowych wynikających z niekorzystnego wpływu zmian gęstości powierzchniowej węglowej próbki lub wpływ zmienności masy próbki na wyniki radiometrycznych oznaczeń zawartości popiołu, a z drugiej strony skutecznie usuwa niebezpieczeństwo porażeń radiologicznych 'ludzi zatrudnionych przy pomiarach. Dodatkową cechą i zarazem zaletą sposobu według wynalazku jest wykonywanie pomiaru przy wprowadzeniu próbki w ruch obrotowy, co daje bardzo dokładny i reprezentatywny dla całej próbki wynik pomiaru zawartości popiołu i wilgoci. Ponadto próbka kopaliny nie wymaga suszenia i ważenia, co znacznie skraca czas jej przygotowania i uzyskania końcowego wyniku.

Urządzenie do realizacji powyższego sposobu, będące również przedmiotem wynalazku, zawiera płaskie cylindryczne naczynie dla badanej próbki, umieszczone na obrotowym elemencie. Oprócz źródła promieniowania mikrofalowego, nad naczyniem z badaną próbką węgla jest umieszczone źródło promieniowania jonizującego, z dwoma wiązkami niskoenergetycznego promieniowania o różnych przedziałach energii określonych wyżej, skierowanymi prostopadle do dna tego naczynia. Tak wykonane urządzenie zapewnia prawidłową realizację opisanego sposobu laboratoryjnego pomiaru zawartości popiołu i wilgoci w węglu, a nadto posiada małe gabaryty oraz ma również tę zaletę, że zapewnia dokładne oznaczenie jedno4

168 083 cześnie dwóch parametrów węgla, przy pełnym bezpieczeństwie radiologicznym dla ludzi zatrudnionych przy pomiarach.

Wynalazek jest bliżej wyjaśniony niżej w oparciu o rysunek przedstawiający schematycznie przykładową konstrukcję urządzenia, przeznaczonego do wykonywania pomiarów parametrów fizyko-chemicznych kopalin.

Urządzenie zawiera dwa źródła promieniowania, źródło promieniowania mikrofalowego 1 i źródło promieniowania jonizującego 2 oraz przynależne do nich detektory 3 i 4. Pomiędzy źródłami promieniowania 1 i 2 a detektorami jest osadzone na obrotowym elemencie 5 cylindryczne naczynie 6, w którym umieszcza się badaną próbkę 7. Zgodnie z wynalazkiem źródło promieniowania jonizującego 2 ma dwie niskoenergetyczne wiązki promieniowania 8 i 9 skierowane prostopadle do dna naczynia 6, przy czym energia kwantów jednej wiązki 8 znajduje się w przedziale energii 20-30 keV, a energia drugiej wiązki 9 w przedziale energii 50-60 keV. Wyjścia obydwóch detektorów 3 i 4 są załączone do komputerowego układu elektronicznego 10, w którym przetwarza się uzyskane sygnały na wynikowe wartości fizyko-chemiczne kopaliny. Dla przykładowego omówienia sposobu pomiaru, na rysunku wprowadzono dodatkowe oznaczenia Zo i Z, które określają wielkości charakteryzujące wiązkę mikrofalową 11, mierzoną w układzie detekcyjnym 3 oraz oznaczenia No1, N1, No2 i N2, określające wielkości charakteryzujące dwie niskoenergetyczne wiązki 8 i 9 promieniowania jonizującego gamma lub X mierzone w układzie detekcyjnym 4.

Pomiar zawartości popiołu i wilgoci w próbce węgla wykonuje się przez prześwietlenie próbki jedną wiązką 11 promieniowania mikrofalowego oraz, zgodnie z wynalazkiem, dwoma wiązkami 8 i 9 niskoenergetycznego promieniowania gamma lub X, o różnych energiach kwantów, a to odpowiednio w przedziałach energii 20-30 keV i 50-60 keV. Na podstawie wyników pomiarów No1, N1, No2 i N2, charakteryzujących obydwie wiązki 8 i 9 promieniowania gamma lub X przed osłabieniem i po osłabieniu w próbce węgla 7, komputer 10 oblicza iloraz K logarytmów stosunków wielkości faNol κ = ⁿ ni = Λ(μρΐ-//οΐ)+;/οΐ ₁ No2 A(/zp2 -μο2) + μο2 gdzie 1n - logarytm naturalny μp1- masowy współczynnik osłabienia promieniowania w popiele poł — masowy współczynnik osłabienia promieniowania w substancji organicznej węgla pp2 - masowy współczynnik osłabienia promieniowania w popiele dla drugiej wiązki μο2 - masowy współczynnik osłabienia promieniowania w substancji organicznej węgla dla drugiej wiązki

Wyżej określony iloraz K, zgodnie z wynalazkiem, zależy od zawartości A popiołu w węglu, a nie od gęstości nasypowej i grubości d warstwy próbki 7, czyli nie zależy od gęstości powierzchniowej a - p -d.

Zawartość popiołu w mierzonym węglu obliczona jest na podstawie wartości ilorazu K w oparciu o równanie kalibracji, określając związek pomiędzy zawartością popiołu A i ilorazem K

A = f(K).

Do obliczenia zawartości popiołu można też stosować iloraz K wyrażony w postaci:

łn

Nol

K = NI

In in

No2

N2 lub

K^:

In

Nol nT

Nol + No2 N1 + N2

168 083

Nol

Nl-C

No 2 N2 . No 2

In-N2 ( γ

In albo tez κ = —

Na podstawie wyników pomiaru No2 i N2 drugiej wiązki promieniowania gamma lub X, koryguje się też wpływ zmian masy próbki węgla na wyniki mikrofalowych oznaczeń zawartości wilgoci w węglu.

W rezultacie pomiaru wielkości, charakteryzujących dwie wiązki 8 i 9 promieniowania jonizującego przed osłabieniem i po osłabieniu w próbce węgla 7 otrzymano przykładowo następujące wartości wyrażone w impulsach na sekundę:

No1 =2715 imp/s No2 = 2250 imp/s

N1 = 1135 imp/s N2 = 1475 imp/s

Wartość ilorazu

Nol

K = ^N1

In

No2

N2 obliczona na podstawie wyżej wymienionych wartości wstawiana do równania kalibracji A= 15,76 -K-26,87 pozwala ustalić, że zawartość popiołu w mierzonej próbce węgla wynosi: A = 5,67%. Natomiast zawartość wilgoci ustala się jednocześnie na podstawie wielkości Zo oraz Z, charakteryzujących wiązkę promieniowania mikrofalowego przed i po osłabieniu oraz na podstawie wielkości No2 i N2 charakteryzujących wiązkę promieniowania jonizującego. To skojarzenie ze sobą wymienionych wielkości promieniowania mikrofalowego i jonizującego dokonuje komputer 10 i ustala od razu zawartość wilgoci w próbce węgla.

Claims

1. Sposób pomiaru parametrów fizyko-chemicznych kopalin, zwłaszcza zawartości popiołu i wilgoci w węglu kamiennym lub brunatnym, polegający na wstępnym zmieleniu próbki kopaliny, którą następnie prześwietla się jednocześnie promieniowaniem jonizującym i promieniowaniem mikrofalowym, a wyniki prześwietleń z dwóch układów detekcyjnych przekazuje do komputerowego układu elektronicznego obliczającego w oparciu o odpowiedni program żądane parametry badanej próbki, znamienny tym, że promieniowanie jonizujące stosowane przy prześwietleniu próbki, emituje się w postaci dwóch oddzielnych wiązek niskoenergetycznego promieniowania gamma lub X, jedną o energii kwantów z przedziału energii 20-30 keV, najkorzystniej 25 keV, a drugą o energii kwantów z przedziału energii 50-60 keV, najkorzystniej 55 keV i po przejściu przez badaną próbkę poddaną ruchowi obrotowemu wykonuje się pomiar osłabienia tych wiązek, a następnie znając wielkość osłabienia promieniowania mikrofalowego i jonizującego określa się wartość parametrów jakościowych i masę próbki.

2. Urządzenie do pomiaru parametrów fizyko-chemicznych kopalin, zwłaszcza węgla kamiennego lub brunatnego, składające się z dwóch źródeł promieniowania, to jest jonizującego i mikrofalowego oraz z przynależnych do nich dwóch układów detektorów jako odbiorników promieniowania, pomiędzy którymi jest umieszczona próbka badanej kopaliny oraz z ustalającego końcowe wyniki pomiaru, komputerowego układu elektronicznego połączonego z obydwoma detekcyjnymi układami, znamienne tym, że zawiera płaskie cylindryczne naczynie (6) dla badanej próbki (7) umieszczone na obrotowym elemencie (5) oraz źródło promieniowania jonizującego (2) z dwoma wiązkami (8) i (9) niskoenergetycznego promieniowania, przy czym energia kwantów jednej wiązki (8) znajduje się w przedziale energii 20-30 keV, a energia drugiej wiązki (9) w przedziale energii 50-60 keV.