PL185261B1

PL185261B1 - Sposób pomiaru parametrów fizyko-chemicznych w ruchomej strudze kopaliny oraz urządzenie do realizacji tego sposobu

Info

Publication number: PL185261B1
Application number: PL98325347A
Authority: PL
Inventors: Wacław Górny; Andrzej Grzybczyk; Marian Mainka; Czesław Mirkowski; Marcin Papierkowski; Marian Rotko; Wiesław Zieliński
Original assignee: Przed Wdrozen Przemyslowych Wi
Priority date: 1998-03-12
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 2003-04-30
Also published as: PL325347A1; AU1856599A; DE19910361A1

Abstract

2. Urzadzenie do pomiaru parametrów fizy ko-chemicznych w ruchomej strudze kopaliny, skla- dajace sie z pojemnika roboczego zawierajacego dwa zródla promieniowania gamma, gdzie pierw- szym zródlem promieniowania jest zródlo nisko- energetycznego promieniowania gamma, z detektora promieniowania, spektrometrycznego ukladu zli- czajacego kwanty oraz z elektronicznego ukladu przetwarzajacego zmierzone wielkosci radiome- tryczne na parametry fizyko-chemiczne kopaliny, znamienne tym, ze w pojemniku roboczym (1) drugim zródlem promieniowania jest uklad zródla przetwornikowego promieniowania z zakresu ener- gii srednich, o energii kwantów gamma nie przekra- czajacych 295 keV, zlozony ze zródla (3) cezu 137 i stalowego targetu (10) usytuowanych w stosunku do siebie i otworu kolimujacego (8) w geometrii wstecznego rozpraszania pierwotnego promienio- wania cezu, przy czym to drugie zródlo emituje swoje promieniowanie we wspólnej wiazce (9) z promieniowaniem mikoenergetycznym pierwsze- go zródla (2) wysylajacego kwanty gamma o ener- giach z przedzialu 50 do 70 keV. Fig. 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru parametrów fizyko-chemicznych w ruchomej strudze kopaliny oraz urządzenie do realizacji tego sposobu polegający na prześwietlaniu tej strugi wiązką promieniowania gamma o niskiej i średniej energii kwantów.

Znane są australijskie urządzenia typu COLSCAN do ciągłego pomiaru zawartości popiołu metodą radiometryczną transmisyjną-dwuenergetyczną. Stosowana tu jedna wiązka promieniowania, prześwietlająca warstwę węgla, zawiera promieniowanie niskoenergetyczne źródła ameryk-241, o energii kwantów E, = 60 keV, oraz promieniowanie wysokoenergetyczne

185 261 źródła Cs-137, o energii kwantów E_?=660 keV. Niedogodnością tych znanych urządzeń i stosowanego w nich sposobu pomiaru jest zagrożenie promieniowaniem wysokoenergetycznym, jakie występuje w wiązce. Ponadto, niedogodnością tych urządzeń jest to, że promieniowania o energiach kwantów różniących się aż o 600 keV są rejestrowane za pomocąjednego, wspólnego detektora. Jest to trudne w praktycznej realizacji, a wszelkie zakłócenia stabilności prowadzą do poważnych błędów pomiarowych.

Znane są także niemieckie urządzenia firmy BERTHOLD do ciągłego pomiaru zawartości popiołu w ruchomej strudze węgla, w których stosuje się sposób radiometrycznego pomiaru z zastosowaniem dwóch wiązek promieniowania; jednej o niskiej energii kwantów E_t = 60 keV, a drugiej o wysokiej energii kwantów E₂ = 660 keV. Wiązki te stanowią, dwie oddzielne ścieżki pomiarowe i prześwietlają warstwę węgla w różnych miejscach. Niedogodnością, urządzeń firmy BERTHOED jest, podobnie jak w przypadku urządzeń typu COALSCAN, zagrożenie promieniowaniem wysokoenergetycznym o energii kwantów E = 660 keV. Stosowane tu dwie odrębne ścieżki pomiarowe utrudniają poprawną realizację dwuenergetycznej metody transmisyjnej pomiaru, gdyż wymagają uwzględnienia opóźnienia dynamicznego, co nie zawsze może zapewnić poprawną realizację stosowanej metody, gdyż dana część warstwy zmierzona w pierwszej ścieżce, po dojściu do drugiej ścieżki pomiarowej, może zmieniać swe właściwości fizyczne, na przykład gęstość powierzchniow<ą

Znany z amerykańskiego opisu patentowego nr 4090074 sposób analizy węgła wykorzystuje wiązkę promieniowania „gamma” lub X o co najmniej dwóch energiach, obu z przedziału energii niskich, w skojarzeniu z rożnymi innymi pomiarami uzupełniającymi. Ze względu na rodzaj zastosowanego promieniowania (niskie energie) oraz subtelne efekty fizyczne wykorzystywane w pomiarach, sposób ten praktycznie nie może być wykorzystywany do pomiarów ciągłych, w ruchomych strugach materiału.

Znany jest też sposób pomiaru zawartości popiołu w ruchomej strudze, z zastosowaniem wiązki promieniowania o niskiej i wysokiej energii kwantów opisany w opisie zgłoszenia patentowego nr P.30660 - BUP 14/96. Sposób ten polega na tym, że podczas ruchu strugi węgla mierzy się w elementarnych czasach, dobranych od 10 ms do 1 s, liczby kwantów N, i Ń₂ o niskiej i wysokiej energii przechodzących przez strugę. Następnie normalizuje się te liczby względem liczb kwantów N^ i N₀₂ przy pustej taśmie. Po wykonaniu szeregu takich pomiarów oblicza się sumy logarytmów znormalizowanych liczb kwantów nisko i wysokoenergetycznych oraz tworzy iloraz tych sum logarytmów. Ten sposób pomiaru zawartości popiołu, na podstawie tylko ilorazu sum logarytmów może być stosowany przy stabilnej wysokości strugi kopaliny, a jego ujemną cechą jest to, że technicznie występującym zmianom grubości warstwy będą towarzyszyć duże błędy pomiaru zawartości popiołu, co istotnie ogranicza zakres stosowania tego sposobu.

Z polskiego opisu patentowego nr 171 266 znany jest również sposób ciągłego oznaczania zwartości popiołu w warstwie węgla na przenośniku taśmowym, w którym wykorzystuje się metodę radio metryczną transmisyjną o energii kwantów E=60 keV. Wiązka promieniowania prześwietla warstwę, która jest wcześniej wyrównywana przez specjalną płozę, prowadzoną po równi pochyłej, która nie tylko wyrównuje warstwę, ale i mierzy jej grubość. Zawartość popiołu w węglu określana jest na podstawie logarytmu znormalizowanego wyniku pomiaru osłabionej wiązki promieniowania oraz wyniku pomiaru grubości warstwy. Niedogodnością tego sposobu jest to, że stosując płozę ingeruje się w warstwę węgla. Ponadto ograniczeniem tego sposobu jest to, że przy dużych zmianach gęstości nasypowych węgla me daje on zadawalających dokładności oznaczania zawartości popiołu.

Celem niniejszego wynalazku jest usunięcie wymienionych niedogodności i ograniczeń, wyeliminowanie z wiązki roboczej promieniowania wysokoenergetycznego oraz osiągnięcie dokładniejszych wyników pomiarów parametrów fizyko-chemicznych w ruchomej strudze kopaliny. Cele te udało się osiągnąć dzięki zastosowaniu sposobu pomiaru oraz urządzenia według wynalazku.

Sposób pomiaru parametrów fizyko-chemicznych w ruchomej strudze kopaliny według wynalazku polega na tym, że warstwę kopaliny prześwietla się wiązką promieniowania gamma o ciągłym widmie energetycznym i kwantach o niskich i średnich energiach, w zakresie od

185 261 do 295 keV i detektorem ze spektrometrycznym układem zliczającym wykonuje się szereg pomiarów polegających na zliczaniu, w dobranych czasach, kwantów promieniowania w dwóch zadanych kanałach energetycznych widma, a to, w kanale obejmującym promieniowanie nisko eneregtyczne, najkorzystniej o energii kwantów od 50 do 70 keV, oraz w kanale średnio energetycznym, najkorzystniej o przeciętnej energii kwantów przewyższającej około czterokrotnie energię kwantów promieniowania niskoenergetycznego, jednak nie wyższej niż 295 keV, następnie, na podstawie uzyskanych zbiorów par liczb zliczeń, wyrażonych w postaci znormalizowanej lub nieznormalizowanej, oblicza się najpierw ilorazy logarytmów znormalizowanych liczb zliczeń dla poszczególnych par liczb odpowiadających niskiej i średniej energii, a potem oblicza się średni ważony iloraz logarytmów oraz średnią ważoną liczbę znormalizowanych lub nieznormalizowanych zliczeń w kanale średnio-energetycznym, przy czym wagowe udziały, nieodzowne do obliczenia średnich ważonych, określa się na podstawie zbioru liczb znormalizowanych zliczeń w kanale o średniej energii kwantów i wreszcie otrzymane średnie ważone podstawia się do równania kalibracji i oblicza wartości parametrów fizyko-chemicznych w ruchomej strudze kopaliny.

Konstrukcja urządzenia do pomiaru parametrów fizyko-chemicznych w ruchomej strudze kopaliny według wynalazku, składa się z pojemnika roboczego zawierającego dwa źródła promieniowania gamma, gdzie pierwszym źródłem promieniowania jest źródło niskoenergetycznego promieniowania gamma, z detektora promieniowania, spektrometrycznego układu zliczającego kwanty oraz z elektronicznego układu przetwarzającego zmierzone wielkości radiometryczne na parametry fizyko-chemiczne kopaliny. Istota konstrukcji urządzenia polega na tym, że w pojemniku roboczym drugim źródłem promieniowania jest układ źródła przetwornikowego promieniowania z zakresu energii średnich, o energii kwantów gamma nie przekraczających 295 keV, złożony ze źródła cezu 137 i stalowego targetu usytuowanych w stosunku do siebie i otworu kolimującego w geometrii wstecznego rozpraszania pierwotnego promieniowania cezu, przy czym to drugie źródło emituje swoje promieniowanie we wspólnej wiązce z promieniowaniem niskoenergetycznym pierwszego źródła wysyłającego kwanty gamma o energiach z przedziału 50 do 70 keV. Promieniowania wymienionych źródeł tworzące jedną wspólną skolimowaną wiązkę promieniowania gamma o niskiej i średnich energiach, po prześwietleniu badanej kopaliny docierają do detektora, a następnie po przejściu przez spektrometryczny układ zliczający te kwanty i elektroniczny układ przetwarzający zmierzone wielkości radiometryczne, pozwalają na określenie założonych parametrów fizykochemicznych kopaliny.

Zaletą sposobu pomiaru i urządzenia według wynalazku jest to, że stosuje się wiązkę promieniowania gamma o ciągłym widmie energetycznym obejmującym jednocześnie niskie i średnie energie tego promieniowania w zakresie do 300 keV, co pozwala na poprawne zliczanie kwantów w całym zakresie stosowanego widma przy użyciu tylko jednego detektora. Ponadto, ograniczenie energii zastosowanego promieniowania do energii średnich, zmniejsza zagrożenie w zakresie ochrony radiologicznej, w związku z czym zakres stosowania sposobu i urządzenia może być szerszy. To udało się nieoczekiwanie osiągnąć dzięki zastosowaniu połączenia konwencjonalnego źródła niskoenergetycznego promieniowania gamma i układu źródła przetwornikowego zbudowanego na bazie źródła cezu 137 i stalowego targetu, usytuowanych w stosunku do siebie i otworu kolimującego w geometrii wstecznego rozpraszania pierwotnego promieniowania cezu. Proponowany sposób wyznaczania parametrów fizykochemicznych kopaliny na podstawie średniego ważonego ilorazu K i średniej ważonej liczby zliczeń N₂ pozwala uniezależnić się od wpływu zmian grubości strugi na ostateczny wynik pomiarów i realizować ten pomiar, z możliwie minimalnym błędem, w realnie istniejących warunkach technicznych. Zastosowanie pojemnika roboczego skonstruowanego według wynalazku ma także tę ważną cechę a zarazem zaletę, że mimo prostej konstrukcji dobrze zabezpiecza otoczenie przed promieniowaniem gamma o wysokiej energii 660 keV, a jednocześnie pozwala na realizację pomiarów z dużą dokładnością przy znacznym uproszczeniu samego urządzenia i zapewnieniu przez to jego większej niezawodności i stabilności pracy.

Sposób pomiaru oraz urządzenie według wynalazku są objaśnione na przykładzie pomiaru zawartości popiołu w węglu, w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia

185 261 w przykładowym wykonaniu uproszczony schemat blokowy urządzenia, a fig. 2 przedstawia widmo promieniowania gamma, stanowiące wiązkę prześwietlającą strugę kopaliny.

Urządzenie przedstawione na fig. 1 składa się z pojemnika roboczego 1, zawierającego dwa źródła promieniowania 2, 3, detektor promieniowania 4, spektrometryczny układ zliczający kwanty 5 i elektroniczny układ 6 przetwarzający zmierzone wielkości radiometryczne na parametry fizyko-chemiczne kopaliny. Pojemnik roboczy 1, umieszczony pod przepływającą strugą kopaliny 7, jest zaopatrzony w otwór kolimujący 8, przez który emitowana jest robocza wiązka 9 promieniowania gamma ze źródeł promieniowania 2 i 3. Pierwszym źródłem 2 promieniowania umieszczonym w pojemniku roboczym 1 jest źródło promieniowania niskoenergetycznego ameryk-241 o energii kwantów zbliżonej do 60 keV, a drugim źródłem zgodnie z wynalazkiem jest układ źródła przetwornikowego promieniowania z zakresu energii średnich, o energii kwantów gamma nie przekraczających 295 keV, złożony ze źródła 3 cezu-137 stalowego targetu 10 usytuowanych w stosunku do siebie i otworu kolimującego 8 w geometrii wstecznego rozpraszania pierwotnego promieniowania cezu.

Robocza wiązka 9 promieniowania gamma zawiera kwanty niskoenergetyczne ze źródła ameryk-241 oraz kwanty promieniowania rozproszonego wstecznie, dochodzące ze stalowego targetu 10, w rezultacie rozproszenia promieniowania pierwotnego źródła 3, będącego izotopem cez-137.

Robocza wiązka 9 przenika przez strugę kopaliny 7 i jest mierzona za pomocą detektora promieniowania 4 oraz spektrometrycznego układu zliczającego 5. Pomiar ten polega na tym, że zliczane są kwanty w dwóch kanałach widma energetycznego, jak to uwidoczniono na fig. 2, w kanale E^E promieniowania niskoenergetycznego i kanale E3-R, promieniowania o średniej energii kwantów. Uzyskane liczby zliczeń są wykorzystywane do wyznaczania na przykład zawartości popiołu w ruchomej strudze węgla, zgodnie z podanym poniżej przykładem.

Przykład. W czasie t = 10 s wykonano 10 jednosekundowych pomiarów elementarnych warstwy węgla o zmiennej grubości i zawartości popiołu. Za miarę liczb kwantów o niskiej lub średniej energii w zadanych kanałach pomiarowych, przechodzących przez warstwę węgla lub pustą taśmę przyjęto liczby zliczeń impulsów napięciowych uzyskanych na wyjściu spektrometrycznego układu zliczającego te kwanty. Uzyskane wyniki pomiarów, bezpośrednie i obliczone, zamieszczono w poniższej tabeli.

Iloraz logarytmów znormalizowanych liczb zliczeń dla pojedynczego jednosekundowego pomiaru obliczano ze wzoru:

ln

Nj ln kN₂, otrzymano wynik pomiaru zawartości popiołu

A = 21,12% zawartości popiołu.

Otrzymany wynik jest bardzo zbliżony do rzeczywistego (A = 21,31%). Tabela podaje zestawienie wyników pomiaru przeprowadzonego sposobem według wynalazku.

185 261

Tabela. Zestawienie wyników pomiaru według wynalazku

Wyniki obliczone	Według wynalazku	Udział wagowy W	0,055999	0,092684	0,062611	0,123385	0,159297	0,097041	0,138359	0,120112	0,062611	0,087900
W	1,72698	1,92885	1,84034	2,07840	2,22109	2,02902	2,23938	1,99182	1,84034	1,81543
s	0,634749	1,050573	0,709694	1,398568	1,805640	1099960	1,568301	u- tj- f—H Ό πγ	0,709694	0,996365
	1,096014	2,026420	1,306079	2,906988	4,010655	2,231811	3,511971	2,711812	1,306079	1,808865
Bezpośeednie wyniki pomiarów promieniowania	Prom. średnioenergetyczne	02 iż mp I-P	9070	5984	8421	4251	2826	5683	3578	4405	8421	6307
00 S 'a. £ 13 ł—1	17111	17110	17123	17214	17193	17072	17169	17188	17123	17082
Prom. niskoenergetyczne	co .-7* C1. ε ł—1	09691	6693	13703	2762	8 I—	5440	1507	3360	13703	8 8
co * ε	50748	50779	50587	50549	50658	50683	50506	50590	50587	50647
Grubość warstwy 1 he cm	8	13	03	oo	23	13	oo	oo	8	03
Rze czy w. zaw.pop. A.%	8,23	15,70	O “«r? r^-1	23,79	33,63	23,79	13 03 03	o l>	O f—M	8,23
Czas jednego elem.pom. te s	-	,—1	-	-	-	-	-	-	-	-
Czas trwania pomiarów t,s	00 O r—*

185 261

Fig. 2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób pomiaru parametrów fizyko-chemicznych w ruchomej strudze kopaliny, polegający na prześwietleniu tej strugi wiązką promieniowania gamma o dwóch energiach promieniowania i oddzielnej rejestracji kwantów promieniowania w tych samych odcinkach czasu dla każdej energii, a następnie wyznaczaniu parametrów fizyko-chemicznych kopaliny na podstawie uzyskanych zbiorów par liczb zliczeń, wyrażonych w postaci znormalizowanej, poprzez podstawienie ilorazów logarytmów tych zliczeń do równania kalibracyjnego, znamienny tym, że warstwę kopaliny prześwietla się wiązką promieniowania gamma o ciągłym widmie energetycznym i kwantach o niskiej i średnich energiach, w zakresie od 50 do 295 keV i detektorem ze spektrometrycznym układem zliczającym wykonuje się szereg pomiarów polegających na zliczaniu, w dobranych czasach, kwantów promieniowania w dwóch zadanych kanałach energetycznych widma, a to, w kanale obejmującym promieniowanie niskoenergetyczne, najkorzystniej o energii kwantów od 50 do 70 keV, oraz w kanale średnio energetycznym, najkorzystniej o przeciętnej energii kwantów przewyższającej około czterokrotnie energię kwantów promieniowania niskoenergetycznego, jednak nie wyższej niż 295 keV, następnie, na podstawie uzyskanych zbiorów par liczb zliczeń, wyrażonych w postaci znormalizowanej lub nieznormalizowanej, oblicza się najpierw ilorazy logarytmów znormalizowanych liczb zliczeń dla poszczególnych par liczb odpowiadających niskiej i średniej energii, a potem oblicza się średni ważony iloraz logarytmów oraz średnią ważoną liczbę znormalizowanych lub nieznormalizowanych zliczeń w kanale średnio energetycznym, przy czym wagowe udziały, nieodzowne do obliczenia średnich ważonych, określa się na podstawie zbioru liczb znormalizowanych zliczeń w kanale o średniej energii kwantów i wreszcie otrzymane średnie ważone podstawia się do równania kalibracji i oblicza wartości parametrów fizykochemicznych w ruchomej strudze kopaliny.

2. Urządzenie do pomiaru parametrów fizyko-chemicznych w ruchomej strudze kopaliny, składające się z pojemnika roboczego zawierającego dwa źródła promieniowania gamma, gdzie pierwszym źródłem promieniowania jest źródło niskoenergetycznego promieniowania gamma, z detektora promieniowania, spektrometrycznego układu zliczającego kwanty oraz z elektronicznego układu przetwarzającego zmierzone wielkości radiometryczne na parametry fizyko-chemiczne kopaliny, znamienne tym, że w pojemniku roboczym (1) drugim źródłem promieniowania jest układ źródła przetwornikowego promieniowania z zakresu energii średnich, o energii kwantów gamma nie przekraczających 295 keV, złożony ze źródła (3) cezu 137 i stalowego targetu (10) usytuowanych w stosunku do siebie i otworu kolimującego (8) w geometrii wstecznego rozpraszania pierwotnego promieniowania cezu, przy czym to drugie źródło emituje swoje promieniowanie we wspólnej wiązce (9) z promieniowaniem mikoenergetycznym pierwszego źródła (2) wysyłającego kwanty gamma o energiach z przedziału 50 do 70 keV.