Результат интеллектуальной деятельности: Радиоизотопный способ измерения пылеотложения в горных выработках и устройство для реализации

Изобретение относится к технике контроля запыленности поверхности на предприятиях угольной, горно-металлургической и других отраслей промышленности и сельскохозяйственного производства, где присутствует взрывчатая пыль: угольная, сульфидная, мучная, пластмассовая и др.

Известны способы измерения пылеотложения угольной пыли в горных выработках, основанные на обратном рассеянии бета-частиц от подложки, на которой осаждена пыль из потока воздуха, и устройство в виде кольцеобразного источника бета-частиц, размещенного на периферии ионизационной камеры, прикладываемой к подложке [Рассолов Н.И., Скляренко И.П. Разработка способа контроля отложения угольной пыли в горных выработках. В кН. «Вопросы безопасности в угольных шахтах», т. XIII. МакНИИ. М.: Госгортехиздат. 1962. С. 219-240].

Недостатком способа и устройства является то, что процесс непрерывно производимых измерений и слежения за накоплением пыли невозможен без участия человека.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ и устройство для измерения оседающей пыли во времени в выработках, содержащее корпус, детектор, пылесобирающую подложку, усилитель-формирователь и преобразователь сигнала, источник излучения, используется также обратное бета-рассеяние от подложки с пылью [Рассолов Н.И., Скляренко И.П. Разработка способа контроля отложения угольной пыли в горных выработках. В кН. «Вопросы безопасности в угольных шахтах», т. XIII. МакНИИ. М.: Госгортехиздат. 1962. С. 219-240 (прототип)].

Способ и устройство обладают следующими недостатками:

- доля бета-излучения от источника, попадающая на детектор, и КПД использования активности радионуклида в источнике излучения много меньше единицы. Эта доля излучения определяется телесными углами, под которыми смотрятся пылевой осадок от источника и детектор от рассеивающей бета-частицы подложки. Поэтому требуется большая активность радионуклида в источнике бета-частиц по сравнению с аналогами, особенно если измерять интенсивность бета-излучения, а не подсчитывать число частиц.

- в данном способе и устройстве (датчике) источник открытый, излучение направлно в сторону от боковой поверхности выработки, где могут находиться люди, и опасно для окружающих;

- источник не защищен от пыли, так как находится в пылевом потоке, что оказывает влияние на погрешность измерения массы осадка.

Из-за требуемой большей активности источника высока его стоимость.

Технической задачей изобретения является повышение безопасности и эффективности измерения текущей и критической массы пылевого осадка и устройство его реализующее.

Техническая задача решается за счет использования поглощения мягкого бета-излучения пылевым осадком, расположенным на тонкой подложке-коллекторе, процесс измерения разбивается на две фазы: осаждение пылевых частиц и измерение поверхностной плотности осадка. Поверхностная плотность пылевого осадка на коллекторе-подложке рассчитывается по формуле:

,

где N₀ - число частиц, прошедших через подложку-коллектор за время Δt;

N_i - число частиц, прошедших через пылевой осадок с подложкой за время Δt;

μ - массовый коэффициент ослабления излучения;

c=Δt/t;

k - коэффициент обусловлен конструкцией радиометрического узла и определяется из сравнения измеренной поверхностной плотности осадка с величиной, полученной взвешиванием.

Операция измерения σ^u_i повторяется до тех пор, пока не наберется заданная критическая поверхностная плотность пылевого осадка σ^u_n.

Устройство выполнено в виде радиометрического узла, состоящего из плоского круглого источника излучения бета-частиц и соосно расположенного равновеликого детектора, находящихся на расстоянии друг от друга, достаточном для размещения между ними подвижной каретки с вырезанными двумя круглыми отверстиями, расположенными друг за другом в одной плоскости, на которые помещают эталон-имитатор пылевого осадка и рабочий коллектор-подложку с возможностью попеременного перемещения в радиометрический узел, червячный механизм перемещения каретки связан одним концом с микродвигателем, а другим - с корпусом устройства, стойка с резьбой, скрепленная с кареткой, перемещает ее в радиометрический узел и обратно, и концевых выключателей двигателя, расположенных на корпусе устройства, фиксирующих положение каретки в радиометрическом узле и месте отбора пыли. В корпусе размещены электронные блоки расчета и индикации измерения, управления механизмом перемещения каретки и питания.

Устройство может размещаться в любом положении. Оно абсолютно безопасно, и в нем эффективно используется радионуклид.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана блочная схема устройства для измерения пылеотложения в горных выработках; на фиг. 2 - показан расчет σ^и - истинной величины пылеотложения, определяемой из подобия треугольников, где t - время осаждения пыли, Δt - время измерения σ осевшей пыли, величины t и Δt = Const.

Устройство для измерения пылеотложения в горных выработках содержит блок обработки информации - 1, блок управления - 2, блок питания - 3, микроэлектродвигатель - 4, блок индикации - 5, червячный механизм - 6; детектор бета-излучения -7, гайку, скрепленную с кареткой - 8, эталон-имитатор пылевого осадка - 9, источник бета-излучения С¹⁴ - 10, коллектор-подложку с пылью - 11, каретку - 12 с выполненными в ней в одной плоскости двумя отверстиями с ложементами для размещения в них эталон-имитатора пылевого осадка - 9 и рабочий коллектор-подложки с пылью - 11, концевые выключатели - 13, опорный подшипник скольжения - 14.

Способ реализуется следующим образом.

Используют процесс поглощения мягкого бета-излучения пылевым осадком, расположенным на тонкой подложке-коллекторе, процесс измерения разбивают на две фазы:

- осаждение пылевых частиц;

- измерение поверхностной плотности осадка.

Поверхностную плотность пылевого осадка на коллекторе-подложке -11 рассчитывают по формуле:

(1)

где N₀ - число частиц, прошедших через подложку-коллектор за время Δt;

N_i - число частиц, прошедших через пылевой осадок с подложкой за время Δt;

μ - массовый коэффициент ослабления излучения;

c=Δt/t;

k - коэффициент обусловлен конструкцией радиометрического узла и определяется из сравнения измеренной поверхностной плотности осадка с величиной, полученной взвешиванием.

Измерение поверхностной плотности σ^и производят, помещая коллектор-подложку -11 в радиометрический узел, подсчитывают число частиц N₀, прошедших через коллектор-подложку за время Δt. Подвижная каретка -12 перемещает коллектор-подложку в запыленную атмосферу (у стенки горной выработки), где происходит осаждение пыли в течение заданного времени t. По прошествии этого времени коллектор-подложку -11 с пылевым осадком возвращают в радиометрический узел, в котором подсчитывают число частиц N_i, прошедших через коллектор-подложку -11 с пылевым осадком за время Δt. Поверхностная плотность осадка σ_i вычисляют по формуле:

(2)

где μ - массовый коэффициент ослабления излучения;

N_i, - число частиц, прошедших через пылевой осадок с подложкой за время Δt;

N₀ - число частиц, прошедших через подложку за время Δt.

Так как за время Δt измерения поверхностной плотности осадка пыль не осаждалась на коллектор-подложку - 11, то истинная величина осадка σ^u_i в конце измерения его плотности (в конце t+Δt) равна:

(3)

где Δσ_i - масса пыли, отнесенная к поверхности осаждения, которая должна была бы осесть за время Δt.

Δσ_i определяется из подобия треугольников (см. фиг.2).

Δσ_i/σ_i=Δt/t=c,

где Δσ_i=σ_ic.

c - величина постоянная, так как Δt и t задаются исходя из интенсивности излучения источника бета-излучения С¹⁴ -10 и интенсивности пылеотложения.

Полученную поверхностную плотность пылевого осадка определяют из выражений:

(4)

или

(1+c) (5)

При этом в выражение (4) вводят коэффициент k, обусловленный конструкцией радиометрического узла:

(1)

k определяют из сравнения σ^u_n с величиной поверхностной плотности, определенной взвешиванием.

Операцию измерения повторяют n раз, пока не наберут заданную (критическую) поверхностную плотность осадка σ^u_n.

Исходные данные обрабатывают в блоке индикации - 5 и выводят на дисплей в цифровом виде в мг/см² или передают диспетчеру. В случае приближения σ^u_i к критической величине уровень опасности обозначается на дисплее цветами светодиодов: зеленым, желтым и красным.

При заданном отношении с=Δt/t << 1 (много меньше единицы, например, 0,01) накопление пыли определяют по формуле

(6)

При этом накоплением осадка за время Δt пренебрегают, а отрезок времени t накопления осадка задают величиной, большей времени измерения поверхностной плотности Δt, которая составляет вместе с временем перемещения коллектора-подложки -11, например, не более 3 c.

В общем случае использования формулы (5) при реальном времени Δt=3 c и с=Δt/t=0,01 время накопления пыли на подложке равно 5 мин, то есть данные о величине пылевого осадка поступают каждые 5 мин.

Меняя величину «с», уменьшают или увеличивают время отбора проб пыли на коллектор-подложку -11, то есть меняют периодичность предоставления информации.

Реализация способа иллюстрируется примером.

Пример.

Величину осадка на участке выработки l м за время t С оценивают по формуле:

где S - сечение выработки, м²;

ν - скорость пылевого потока (не более 4 м/с);

t - время накопления пыли на подложке, с;

n - концентрация пыли (мг/м³) в воздухе, поступающем в сечение выработки s;

S - поверхность (м²) выработки длиной l м;

Р - периметр выработки, м.

При s=2×2,5=5 м², ν=4 м/с, t=300 с, n=300 мг/м³, Рl=9⋅10 м², средняя поверхностная плотность пылевого осадка на участке выработки l = 10 м будет

или

σ=0,4 мг/см².

При концентрации пыли, равной нижнему пределу взрывчатости, например n_в=30 г/м³, поверхностная плотность осадка составит σ_в=σ⋅30/0,3=40 мг/см². Для измерения такой поверхностной плотности можно использовать технеций-97, который относится к третьему классу опасности.

При c=0,05, σ_в=8 мг/см², то есть критическая поверхностная плотность пылевого осадка может быть измерена по величине поглощения бета-излучения, испускаемого радионуклидом углерод-14, у которого максимальная величина пробега частиц составляет 22 мг/см² и который отнесен к четвертому классу опасности.

Устройство для измерения пылеотложения в горных выработках работает следующим образом.

Устройство выполнено в виде радиометрического узла, состоящего из плоского круглого источника излучения бета-частиц - 10 и соосно расположенного равновеликого детектора бета излучения - 7, находящихся на расстоянии друг от друга, достаточном для размещения между ними подвижной каретки - 12 с вырезанными двумя круглыми отверстиями, расположенными друг за другом в одной плоскости, и с ложементами, в которых помещают эталон-имитатор - 9 пылевого осадка и рабочий коллектор-подложку - 11 с возможностью попеременного перемещения в горную выработку и обратно в радиометрический узел при помощи червячного механизма - 6. При этом сам червячный механизм - 6 перемещения каретки связан одним концом с микродвигателем - 4, а другим концом с корпусом устройства, стойка с резьбой - 8 жестко скреплена с кареткой - 12 и перемещает ее в процессе измерений в горную выработку и обратно в радиометрический узел при помощи концевых выключателей - 13 микродвигателя - 4.

Концевые выключатели - 13 расположены на корпусе устройства и фиксируют положение каретки в радиометрическом узле и месте отбора пыли. С помощью размещенных в корпусе электронных блоков обработки информации -1, блоком управления механизмом перемещения каретки -2 и блоком питания -3 производят расчет и индикацию измерений.

Измерения пылеотложения в горных выработках производят путем использования прямого поглощения бета-частиц пылью, осажденной на тонкую подложку-коллектор -11, который размещают на ложементе над отверстием, выполненным в подвижной каретке -12. Каретку -12 периодически перемещают из радиометрического узла в положение для отбора пылевого осадка из атмосферы выработки и обратно в радиометрический узел. Радиометрический узел представлен в виде плоского круглого источника бета-излучения С¹⁴ -10 и соосно с ним расположенного равновеликого детектора бета-излучения -7. В подвижной каретке -12 выполнены два круглых отверстия, расположенные в одной плоскости в направлении перемещения каретки -12. В отверстиях выполнены ложементы. На ложемент одного из них накладывают эталон-имитатор пылевого осадка - 9, а на другой ложемент помещают рабочий тонкий коллектор-подложку -11, например, фильтр АФА-ВП-10. При этом эталон имитатор пылевого осадка -9 и рабочий тонкий коллектор-подложка - 11 в отверстиях каретки - 12 располагают заподлицо, т.е. ниже или вровень с верхней плоскостью каретки - 12, а эталон-имитатор пылевого осадка -9 устанавливают над отверстием, постоянно находящимся внутри корпуса устройства для измерения пылеотложения в горных выработках. Каретка - 12 перемещается при помощи привода микроэлектродвигателя - 4, прикрепленного к одному из торцов червячного механизма – 6, проходящего через отверстия стойки - 8, в которой выполнена резьба, а другой конец червячного механизма - 6 помещен в опорный подшипник скольжения - 14, жестко прикрепленный к стенке корпуса устройства. Предельные положения передвижения каретки -12 фиксируются концевыми выключателями - 13 микроэлектродвигателя - 4.

Полученные данные обрабатываются в блоке индикации - 5 и выводятся на дисплей в цифровом виде в мг/см² или передаются диспетчеру. В случае приближения σ^u_i к критической величине уровень опасности обозначается на дисплее цветами светодиодов: зеленым, желтым и красным.

Устройство является радиационно-безопасным и может размещаться в любом положении внутри горной выработки.