УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА И РАЗВЕДЕНИЯ ПОРЦИЙ РАДИОАКТИВНОГО РАСТВОРА (ВАРИАНТЫ)
APPARATUS FOR COLLECTING AND DILUTING PORTIONS OF RADIOACTIVE SOLUTION (VERSIONS)

Изобретение относится к области радиохимии, а именно к обращению с высокоактивными растворами, и может быть использовано при подготовке разведенных порций (образцов) указанных растворов в условиях тяжелых боксов или защитных камер в целях анализа состава этих растворов, а также при выполнении вспомогательных операций, связанных с выдачей образцов, обеспечивая при этом радиационную защиту персонала.
Отбор порции может осуществляться либо из транспортной емкости с пробой радиоактивного раствора, либо непосредственно из технологического аппарата или трубопровода в случае размещения последних в тяжелых боксах или защитных камерах.
Известно устройство для отбора порций концентрированного раствора с использованием ручных инструментов, например градуированной цилиндрической пипетки, представляющей собой длинную тонкую стеклянную трубку с нанесенными на нее делениями (см. Коростелев П.П. «Лабораторная техника химического анализа», ред. А.И.Гусев, М., «Химия», 1981 г.). Однако ручные операции с помощью пипетки в условиях тяжелых боксов или защитных камер, снабженных манипуляторами, приводят к большой погрешности разведения.
конц
конц
жр
конц
жр
об
Широкое распространение получили полуавтоматические устройства для отбора порций концентрированного раствора и их разведения, которые называются дилютерами, например дилютеры типа MICROLAB 500 фирмы «Гамильтон» (см. ссылку по адресу в Интернете http://www.cheminst.ru/docs/c-g-bg-b-e-c/). Основными элементами указанного дилютера являются два отличающихся внутренним диаметром микрошприца Гамильтона, снабженные прецизионными приводами поршня на основе шагового двигателя. С помощью управляемого коммутатора потоков, представляющего собой сдвоенный специальный кран, также снабженный приводом, внутренняя полость шприцов может поочередно соединяться с входной линией или с расходной емкостью, заполненной жидкостью-растворителем. Дилютер работает следующим образом. Предварительно все линии и внутренние полости шприцов заполняют жидкостью-растворителем и обеспечивают исходное состояние шприцов, при котором поршень шприца меньшего диаметра введен, поршень шприца большего диаметра выведен. С помощью коммутатора потока внутренняя полость шприца меньшего диаметра соединяется с входной линией. Свободный конец входной линии тем или иным способом погружают в концентрированный раствор, находящийся в транспортной емкости. Поршень шприца малого диаметра с помощью привода перемещается на требуемое расстояние. При этом во входную линию закачивается порция концентрированного раствора, объем которой равен V. Величина V равна произведению площади внутренней полости шприца малого диаметра на расстояние, пройденное поршнем. После отбора порции транспортную емкость заменяют емкостью, предназначенной для разведенного образца, в которую отобранная порция выдается за счет перемещения поршня шприца малого диаметра в исходное положение. Затем с помощью коммутатора потока входную линию разъединяют с внутренней полостью шприца меньшего диаметра и соединяют с внутренней полостью шприца большего диаметра. Из полости шприца большего диаметра жидкость-растворитель в объеме, равном V, вытесняется поршнем в емкость, предназначенную для разведенного образца. При этом выбранные величины V и V определяют коэффициент объемного разведения К:
Для получения представительного образца разведенный раствор в емкости тщательно перемешивают, как правило, применяя специальные устройства.
Основным недостатком дилютера является принципиальная невозможность совмещения операций пробоотбора и разведения, следовательно, его нельзя применить для пробоотбора с разведением раствора непосредственно из технологического аппарата или трубопровода. Кроме того, дилютер является сложным устройством с прецизионными электромеханическими приводами, что обусловливает малый срок его эксплуатации в условиях тяжелых боксов или защитных камер. Если установить дилютер вне защитной камеры, то длина входной капиллярной линии составит несколько метров, что приведет к увеличению погрешности разведения.
Если требуется достаточно большой коэффициент разведения, например, в тысячу или более раз, то погрешность разведения увеличивается. Применяемое в этих случаях с целью снижения погрешности двухстадийное разведение, которое заключается в проведении операции отбора порции разведенного раствора первой стадии и операции повторного разведения, приведет к существенному усложнению дилютера.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является устройство для отбора проб и дозирования порций радиоактивного раствора по патенту РФ на полезную модель №76131, МПК G01N 1/10, опубл. 10.09.2008 г., которое принято за прототип. Блок-схема указанного устройства представлена на фиг.1. Устройство содержит тонкую трубку 1 с наконечником 2, связанную с буферной емкостью 3, размещенной на весах 4. Верхняя часть буферной емкости 3 связана пневматической линией 5 с регулятором давления 6. Вблизи тонкой трубки 1 установлена вторая тонкая трубка 7, связанная с дозатором 8 жидкости-растворителя. В зоне тяжелого бокса установлен подъемник 9 с размещаемой на нем транспортной емкостью 11 с исследуемой радиоактивной жидкостью, управляющий вход которого связан с модулем контроля и управления 10. Указанный модуль 10 соединен также с весами 4, регулятором давления 6 и дозатором 8 жидкости-растворителя. Кроме того, в устройство входят также приемная емкость 12 для разведенного раствора, выполненная в виде колбы, и емкость 13 для отходов.
Устройство работает следующим образом. Предварительно тонкую трубку 1 с наконечником 2 и тонкую трубку 7 заполняют жидкостью-растворителем. Для отбора малой порции радиоактивного раствора трубку 1 вводят в транспортную емкость 11 с концентрированным раствором до погружения наконечника 2 в этот концентрированный раствор, после чего в буферной емкости 3 создается разрежение, с помощью которого заданный объем жидкости-растворителя откачивается из тонкой трубки 1. При этом порция радиоактивного раствора равного объема поступает из транспортной емкости в наконечник 2 и тонкую трубку 1. Управление процедурой откачивания производится с помощью регулятора давления 6, а контроль количества поступающей в буферную емкость 3 жидкости-растворителя ведется по величине выходного сигнала весов 4. В итоге объем отобранной порции радиоактивного раствора определяют косвенно, посредством измерения веса эквивалентной порции жидкости-растворителя, с учетом ее известной плотности.
В момент окончания процедуры отбора порции транспортную емкость 11 убирают, а ниже наконечника 2 размещают приемную емкость 12 для разведенного раствора, в которую и выдается порция концентрированного раствора за счет избыточного давления в буферной емкости 3. Величина избыточного давления задается регулятором давления 6 такой, что расход отобранной порции концентрированного раствора из наконечника 2 будет равен заданной величине. Одновременно с выдачей концентрированного раствора в приемную емкость 12 начинают дозирование жидкости-растворителя через тонкую трубку 7 с помощью дозатора 8 с расходом, превышающим расход отобранной порции концентрированного раствора из наконечника 2 в число раз, приблизительно равное коэффициенту разведения.
жр
Указанное соотношение расходов обеспечивает равномерное перемешивание порции концентрированного раствора и жидкости-растворителя в емкости 12. Соответствующий коэффициент разведения определяется по формуле (1), при этом объем V порции жидкости-растворителя равен сумме объема жидкости-растворителя, выданной дозатором в трубку 7, и объема жидкости-растворителя, выданной из буферной емкости 3 в трубку 1 в конце операции разведения с целью удаления остатков радиоактивного раствора из трубки 1 и наконечника 2.
Описанное устройство отличается достаточной надежностью, т.к. в зоне тяжелого бокса нет сложных устройств, однако погрешность определения объема порции высокоактивного концентрированного раствора существенно зависит от колебаний давления воздуха в тяжелом боксе. Это связано с необходимостью точного поддержания величины разрежения в буферной емкости 3 относительно тяжелого бокса в моменты начала и окончания процедуры отбора порции высокоактивного раствора в целях исключения образования капли раствора на наконечнике 2. В реальной практике в тяжелом боксе достаточно часто происходят скачки разрежения, связанные с работой системы вентиляции. Например, скачок разрежения в боксе на 1 см водного столба может привести к тому, что объем одной капли раствора (приблизительно 0,03 мл) не будет учтен в общем объеме отбираемой порции (0,2÷1 мл), что существенно повлияет на точность результатов анализа состава радиоактивного раствора.
Устройство не позволяет осуществить отбор порции концентрированного раствора с ее последующим разведением непосредственно из технологического аппарата, т.к. пришлось бы механически погружать трубку 1 в аппарат, а затем ее вынимать. В производственных условиях это практически невозможно, поэтому для отбора пробы из технологического аппарата делают специальные пробоотборники какой-либо конструкции, которые позволяют вначале переместить некоторое количество концентрированного высокоактивного раствора в транспортную емкость, а затем из нее отбирать заданную порцию, после чего проводить операцию ее разведения. Как правило, технологические аппараты размещаются в технологических горячих камерах, а разведение пробы осуществляют в специальной камере, предназначенной для работы с пробами. Соответственно, перемещение транспортной емкости с высокоактивным раствором и наличие специальной камеры требует существенных затрат, связанных с радиационной защитой персонала.
Кроме того, при необходимости реализации двухстадийного разведения потребуется второе устройство, аналогичное первому, т.к. наконечник 2 и тонкую трубку 1, бывшие в контакте с высокоактивным концентрированным раствором, нельзя повторно использовать при проведении второй стадии разведения, что также увеличивает затраты и еще более усложняет процедуру подготовки пробы для анализа состава радиоактивного раствора.
Изобретение решает задачу повышения точности анализа состава высокоактивных растворов путем снижения погрешности разведения отобранной из транспортной емкости порции указанного раствора в условиях тяжелых боксов или защитных камер. Кроме того, изобретение обеспечивает повышение удобства эксплуатации устройства и упрощение процедуры подготовки пробы для анализа благодаря возможности отбора порции радиоактивного раствора с одновременным ее разведением непосредственно из технологического аппарата или трубопровода, а также снижение стоимости анализа состава высокоактивных растворов.
Технический результат, получаемый от использования заявленного изобретения, заключается в повышении точности полученного объема порции высокоактивного раствора за счет снижения погрешности разведения отобранной порции указанного раствора, а также в упрощении процедуры подготовки образца для анализа состава исследуемого раствора за счет возможности получения образца нужной концентрации без необходимости транспортировки пробы высокоактивного раствора от технологического аппарата или трубопровода, размещенных в тяжелых боксах или защитных камерах, к месту проведения анализа. Кроме того, в последнем случае существенно снижается стоимость анализа состава растворов за счет исключения затрат на оборудование для транспортировки проб высокоактивных растворов и обеспечение радиационной защиты персонала.
Указанный технический результат в варианте одностадийного разведения достигается тем, что в известном устройстве, включающем первую тонкую трубку с наконечником и связанную с ней буферную емкость, вторую тонкую трубку и связанный с ней дозатор жидкости-растворителя, а также модуль контроля и управления, согласно изобретению, свободный конец второй тонкой трубки герметично соединен с внутренней полостью первой трубки выше наконечника, устройство дополнительно снабжено двумя управляемыми коммутаторами потоков, расходной емкостью жидкости-растворителя, возвратно-поступательным приводом и соединенным с ним гидроприводом с образованными в нем двумя рабочими полостями, при этом гидропривод выполнен в виде корпуса с установленными в нем поршнем и штоком, соединенным с возвратно-поступательным приводом, причем внутренний диаметр поперечного сечения полости гидропривода пропорционально больше диаметра поперечного сечения штока, а коэффициент пропорциональности равен коэффициенту одностадийного объемного разведения.
В качестве буферной емкости в устройстве использована бесштоковая полость гидропривода, связанная через первый коммутатор потоков с первой тонкой трубкой и с расходной емкостью жидкости-растворителя, а в качестве дозатора жидкости-растворителя использована штоковая полость гидропривода, связанная через второй коммутатор потоков со второй тонкой трубкой и с расходной емкостью жидкости-растворителя.
Кроме того, управляющие выходы модуля контроля и управления соединены с электрическими входами коммутаторов потоков и возвратно-поступательного привода, а информационный выход модуля связан с внешними устройствами.
Кроме того, в устройство дополнительно введен датчик дифференциального давления, гидравлические входы которого соединены с тонкими трубками, а электрический выход подключен к измерительному входу модуля контроля и управления.
Кроме того, устройство снабжено линией выдачи разведенного раствора, связанной с бесштоковой полостью гидропривода через первый коммутатор.
Кроме того, в качестве тонких трубок могут быть использованы капиллярные трубки с внутренним диаметром порядка 0,5÷1,5 мм, выполненные, например, из нержавеющей стали.
Указанный технический результат в варианте двухстадийного разведения достигается тем, что в заявленном устройстве, включающем первую тонкую трубку с наконечником и связанную с ней буферную емкость, вторую тонкую трубку и связанный с ней дозатор жидкости-растворителя, а также модуль контроля и управления, согласно изобретению, свободный конец второй тонкой трубки герметично соединен с внутренней полостью первой трубки выше наконечника, устройство дополнительно снабжено четырьмя управляемыми коммутаторами потоков, расходной емкостью жидкости-растворителя, насосом, промежуточной емкостью с установленной в ней донной линией и сдвоенным гидроприводом с образованными в нем четырьмя рабочими полостями, при этом гидропривод выполнен в виде корпуса с установленными в нем двумя поршнями, соединенными общим штоком, и центральной неподвижной перегородкой с отверстием для штока, причем внутренний диаметр поперечного сечения полости гидропривода пропорционально больше диаметра поперечного сечения штока, а коэффициент пропорциональности равен коэффициенту одностадийного объемного разведения.
При этом левая бесштоковая полость гидропривода связана через первый коммутатор потоков с первой тонкой трубкой с наконечником, с промежуточной емкостью и с расходной емкостью жидкости-растворителя, левая штоковая полость гидропривода связана через второй коммутатор потоков со второй тонкой трубкой и с выходом насоса, правая штоковая полость гидропривода связана через третий коммутатор потоков с донной линией промежуточной емкости и с выходом насоса, правая бесштоковая полость гидропривода связана через четвертый коммутатор потоков с донной линией промежуточной емкости и с расходной емкостью жидкости-растворителя.
В качестве буферной емкости использована левая бесштоковая полость гидропривода, связанная с первой тонкой трубкой через первый коммутатор потоков, а в качестве дозатора жидкости-растворителя использована левая штоковая полость, связанная со второй тонкой трубкой через второй коммутатор потоков.
Кроме того, устройство дополнительно снабжено датчиком избыточного давления, соединенным с выходом насоса, вход которого соединен с расходной емкостью жидкости-растворителя.
Кроме того, управляющие выходы модуля контроля и управления соединены с электрическими входами коммутаторов потоков и насоса, измерительный вход модуля соединен с выходом датчика избыточного давления, а выход модуля связан с внешними устройствами.
Кроме того, выход промежуточной емкости является выходом раствора 1й стадии разведения, устройство дополнительно снабжено линией выдачи разведенного раствора, связанной с правой бесштоковой полостью гидропривода через четвертый коммутатор потоков, выход которой является выходом раствора 2й стадии разведения.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана блок-схема устройства - прототипа; на фиг.2 показана блок-схема устройства для одностадийного отбора и объемного разведения порции, радиоактивного раствора; на фиг.3 показана блок-схема устройства для двухстадийного отбора и объемного разведения порции радиоактивного раствора.
Устройство для отбора и объемного разведения порции радиоактивного раствора в варианте исполнения для одностадийного разведения (см. фиг.2) содержит первую тонкую трубку 1 с наконечником 2, вторую тонкую трубку 7, два управляемых коммутатора потоков 14 и 15, гидропривод 16 с образованными в нем двумя рабочими полостями, включающий корпус 17, поршень 18 и шток 19. При этом свободный конец второй тонкой трубки 7 герметично соединен с внутренней полостью первой трубки 1 выше наконечника 2. Такое соединение производят конструктивно, т.е. один раз, и больше никаких механических перемещений трубок, в отличие от прототипа, для осуществления отбора и разведения порции раствора не требуется.
Кроме того, устройство включает в себя возвратно-поступательный привод 20, линию 21 выдачи разведенного раствора, связанную с бесштоковой полостью 22 гидропривода 16 через первый коммутатор 14, расходную емкость 23, заполненную жидкостью-растворителем, датчик 24 дифференциального давления и модуль 10 контроля и управления. На фиг.2 также показан участок технологического трубопровода 25 с концентрированным раствором.
Бесштоковая полость 22 гидропривода 16 связана через первый коммутатор потоков 14 с первой тонкой трубкой 1 и с расходной емкостью 23 жидкости-растворителя, а штоковая полость 26 гидропривода 16 связана через второй коммутатор потоков 15 со второй тонкой трубкой 7 и с расходной емкостью 23 жидкости-растворителя.
Гидравлические входы датчика 24 дифференциального давления соединены с тонкими трубками 1 и 7, а его электрический выход подключен к измерительному входу модуля 10 контроля и управления.
В качестве тонких трубок 1 и 7 могут быть использованы, в частности, капиллярные трубки с внутренним диаметром порядка 0,5÷1,5 мм, выполненные, например, из нержавеющей стали.
В качестве управляемых коммутаторов потоков 14 и 15 могут быть использованы, например, в различном сочетании аналитические клапаны типа 0127 фирмы «Bürkert» (см. в Интернете по ссылке http://www.ndps.ru/burkert/DEE/buerkert_products.tvpe_0127a.htm).
В качестве возвратно-поступательного привода 20 может быть использован, например, электромеханический (на основе шагового двигателя) или гидравлический, с применением внешнего насоса.
Модуль 10 контроля и управления может быть выполнен в виде микроконвертора, который объединяет в себе аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, обеспечивающий такие функции, как регистрацию сигналов; обработку информации; выдачу логических сигналов для управления коммутаторами потоков 14, 15 и возвратно-поступательным приводом 20; обмен данными через информационный выход 27 модуля 10, представляющий собой, например, стандартный СОМ-порт. Управляющие выходы модуля 10 контроля и управления соединены с электрическими входами коммутаторов потоков 14 и 15 и возвратно-поступательного привода 20, а информационный выход 27 модуля 10 может быть связан с внешними устройствами.
Предварительно, перед началом отбора порции радиоактивного раствора, тонкую трубку 1 с наконечником 2, тонкую трубку 7 и обе полости гидропривода 16 заполняют жидкостью-растворителем. В качестве жидкости-растворителя, в зависимости от вида концентрированного раствора, подлежащего разведению, могут быть использованы соответствующие этим растворам жидкие вещества, например, дистиллированная вода или органические жидкости.
ш
бш
жр
ш
разв
бш
бш
ш
разв
жр
конц
Устройство работает циклически, при этом один цикл состоит из двух поочередно выполняемых тактов, В начале первого такта поршень 18 находится в крайнем левом положении. Коммутатор 14 соединяет бесштоковую полость 22 гидропривода 16 с тонкой трубкой 1, а коммутатор 15 - штоковую полость 26 гидропривода 16 с тонкой трубкой 7. После окончания процесса коммутации потоков по команде модуля 10 контроля и управления возвратно-поступательный привод 20 начинает равномерно перемещать шток 19 и поршень 18 слева направо. В это время из штоковой полости 26 жидкость-растворитель подается в трубку 7 с расходом, равным величине Q, а в бесштоковую полость 22 принимается разведенный раствор из трубки 1 с расходом, равным Q. Первый такт заканчивается в тот момент, когда поршень 18 достигнет крайнего левого положения. Объем жидкости-растворителя, выданной из штоковой полости 26, составит величину V, равную изменению свободного объема штоковой полости 26 V. Объем разведенного раствора, принятого в бесштоковую полость 22, составит величину V, равную изменению свободного объема левой бесштоковой полости 22 V. Т.к. V больше, чем V, то и V больше, чем V. При этом можно утверждать, что объем принятого разведенного раствора больше объема выданной жидкости-растворителя на величину объема концентрированного раствора V, который равномерно переходил из наконечника 2 в трубку 1 по мере движения поршня 18 из крайнего левого в крайнее правое положение:
ш
бш
ш
бш
жр
разв
Отношение изменений свободных объемов полостей 26, 22 V/V равно отношению их поперечных свободных сечений S/S и равно отношению объемов V/V. Соответственно:
где: D - внутренний диаметр корпуса гидропривода;
d - диаметр штока гидропривода.
С учетом формул (1), (2) и (3) можно показать:
Т.е. коэффициент объемного разведения устройства равен отношению поперечного свободного сечения корпуса гидропривода к поперечному сечению штока или равен отношению квадратов их диаметров.
ш
В течение первого цикла модуль 10 контроля и управления регистрирует сигнал датчика 24 дифференциального давления, величина которого определяется разностью давлений в штоковой и бесштоковой полостях 26, 22 гидропривода 16. Указанная разность давлений пропорциональна произведению величины расхода Q на величину суммарного гидродинамического сопротивления тонких линий 1 и 7. Соответственно, по величине сигнала датчика 24 можно приблизительно определить гидродинамическое сопротивление линий 1 и 7 и тем самым диагностировать их состояние. В частности, можно установить наличие осадков в линии 1 по превышению сигналом датчика 24 заданного порога, связанного с существенным увеличением гидродинамического сопротивления. Последнее потребует проведения специальных операций по промывке линий.
В начале второго такта работы устройства коммутатор 14 соединяет бесштоковую полость 22 с линией выдачи разведенного раствора 21. Коммутатор 15 соединяет штоковую полость 26 с расходной емкостью 23, заполненной жидкостью-растворителем. После окончания процесса коммутации потоков по команде модуля 10 контроля и управления возвратно-поступательный привод 20 начинает равномерно перемещать шток 19 и поршень 18 из крайнего правого положения в крайнее левое. Одновременно из бесштоковой полости 22 разведенный раствор поступает в линию выдачи 21, а штоковая полость 26 заполняется жидкостью-растворителем.
Из изложенного следует, что разведенный раствор появляется в линии выдачи 21 со сдвигом на один такт после первоначального поступления в наконечник 2 исходного концентрированного высокоактивного раствора.
нак
конц_факт
В случае необходимости в параметры разведения могут быть внесены поправки, обусловленные тем, что в наконечнике 2 с объемом внутренней полости V остается некоторая часть отобранной порции концентрированного раствора. При этом в трубку 1 вместе с жидкостью-растворителем фактически отбирается меньший объем концентрированного раствора V, а именно:
разв_факт
Отсюда можно определить фактический коэффициент разведения К:
С учетом формул (5) и (6) можно показать, что
нак
Например, наконечник 2 с отверстием диаметром 0,5 мм и длиной 10 мм характеризуется объемом внутренней полости V, равным 0,002 мл. Если необходимо отобрать и развести в 100 раз порцию радиоактивного раствора объемом 0,4 мл, то получится объем разведенного раствора 40 мл. Увеличение коэффициента разведения составит 0,5% и может быть достаточно точно учтено при определении состава пробы радиоактивного раствора, исходя из состава разведенного раствора.
об
Указанная коррекция коэффициентов разведения применяется при однократном отборе порции радиоактивного раствора из транспортной емкости. Если многократно отбираются и разводятся порции радиоактивного раствора непосредственно из технологического аппарата или трубопровода, то в этом случае перед очередным отбором порции в наконечнике находится радиоактивный раствор, попавший туда при проведении предыдущей операции. В итоге через наконечник отбирается порция радиоактивного раствора, объем которой определяется строго заданным коэффициентом разведения К, но будет содержать небольшую долю раствора предыдущей операции отбора и разведения. Т.к. состав радиоактивного раствора в технологическом аппарате или линии существенно не меняется, то последним фактом можно пренебречь или, при необходимости, использовать для коррекции результата данные о составе порции радиоактивного раствора, полученной в результате предыдущей операции.
Длина тонких линий 1 и 7 может достигать нескольких метров, при этом погрешность разведения оказывается меньше, чем у дилютера с входной линией равной длины. Последнее обстоятельство связано с тем, что объем отбираемой порции концентрированного, высокоактивного раствора определяется, разностью объемов растворов, прокачиваемых в противоположном направлении по двум идентичным линиям 1 и 3. При этом взаимно компенсируются факторы, влияющие на погрешность разведения, например микропузырьки воздуха, двигающиеся вместе с раствором в линиях.
разв
По аналогии с приведенным выше обоснованием формулы (7), систематическая составляющая погрешности разведения в предлагаемом устройстве определяется отношением суммы объемов растворов в «паразитных» емкостях (наконечник 2, тонкая трубка 1, тонкая линия 21 выдачи разведенного раствора) к объему V отобранного разведенного раствора. В случае, если состав раствора предыдущего результата разведения известен, то достаточно просто ввести численную поправку в результат определения состава очередного разведения. Следует отметить, что при отборе порций раствора из технологического оборудования состав двух поочередно отбираемых порций одного и того же технологического продукта существенно не отличается.
Аналогично осуществляют отбор и разведение порций многократных проб одного и того же радиоактивного продукта и из транспортной емкости.
Как уже отмечалось выше, при необходимости возможно проведение второй стадии разведения, которая заключается в проведении операции отбора порции разведенного раствора первой стадии и операции повторного разведения.
При этом, в принципе, устройство могло бы быть выполнено с введением, помимо одного, дополнительного двухполостного гидропривода, соответственно подключенного к другим узлам устройства, однако согласование работы обоих гидроприводов представляло бы собой сложную задачу и, скорее всего, ухудшало бы такие технические характеристики устройства, как погрешность разведения порции раствора и надежность его работы. Поэтому для случая двухстадийного разведения в устройстве целесообразно использовать второй гидропривод, зеркально симметричный первому, имеющий с ним общий корпус и шток, соединяющий два поршня, между которыми установлена неподвижная перегородка с отверстием для возможности перемещения штока, соединенный с первым гидроприводом с образованием сдвоенного гидропривода.
Устройство для отбора и объемного разведения порции радиоактивного раствора в варианте исполнения для двухстадийного разведения (см. фиг.3) содержит первую тонкую трубку 1 с наконечником 2, вторую тонкую трубку 3, при этом свободный конец второй тонкой трубки 7 конструктивно установлен во внутренней полости первой трубки 1 выше наконечника 2 с образованием герметичного соединения.
Кроме того, устройство включает четыре управляемых коммутатора потоков 14, 15, 28 и 29, сдвоенный гидропривод 16 с образованными в нем четырьмя рабочими полостями, содержащий корпус 17, левый поршень 18, правый поршень 30, шток 19 и центральную неподвижную перегородку 31, расходную емкость 23, заполненную жидкостью-растворителем, насос 32, датчик 33 избыточного давления, модуль 10 контроля и управления и промежуточную емкость 34 с установленной в ней донной линией 35, а также линию 21 выдачи разведенного раствора. На фиг.3 также показан участок технологического трубопровода 25 с концентрированным раствором.
При этом левая бесштоковая полость 22 гидропривода 16 связана через первый коммутатор потоков 14 с первой тонкой трубкой 1 с наконечником 2, с промежуточной емкостью 31 и с расходной емкостью 23 жидкости-растворителя, левая штоковая полость 26 гидропривода 16 связана через второй коммутатор потоков 15 со второй тонкой трубкой 7 и с выходом насоса 32, правая штоковая полость 36 гидропривода 16 связана через третий коммутатор потоков 28 с донной линией 35 промежуточной емкости 34 и с выходом насоса 32, правая бесштоковая полость 37 гидропривода связана через четвертый коммутатор потоков 29 с донной линией 35, промежуточной емкости 34 и с расходной емкостью 23 жидкости-растворителя.
В качестве тонких трубок 1 и 7 могут быть использованы, в частности, капиллярные трубки с внутренним диаметром порядка 0,5÷1,5 мм, выполненные, например, из нержавеющей стали.
В качестве насоса 32 может быть использован, например, перистальтический либо другого типа, рассчитанный на расход дозируемой жидкости в пределах 0,2÷2 л/час. В качестве управляемых коммутаторов потоков 14, 15, 28 и 29 могут быть использованы, например, в различном сочетании аналитические клапаны типа 0127 фирмы «Bürkert» (см. в Интернете по ссылке http://www.ndps.ru/burkert/DEE/buerkert_products.type_0127a.htm).
В вариантах изготовления датчик 33 избыточного давления должен быть рассчитан, в частности, на диапазон 30÷300 кПа, а объем промежуточной емкости 34 составляет, например, порядка 2÷5 мл.
Модуль 10 контроля и управления может быть выполнен на основе микроконвертора, который объединяет в себе аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, обеспечивающий регистрацию сигнала датчика давления; выдачу выходных логических сигналов для управления коммутаторами потока 14, 15, 28, 29 и насосом 32; обработку информации; обмен данными с внешним устройством через информационный выход 27 модуля 10, представляющего собой, например, стандартный СОМ-порт. В качестве внешнего устройства может служить, например, пульт оператора.
Основным узлом устройства является сдвоенный гидропривод 16. Левая и правая половины гидропривода 16 зеркально идентичны. Устройство работает циклически, при этом один цикл состоит из двух поочередно выполняемых тактов. В начале каждого такта коммутаторы потоков 14, 15, 28 и 29 по сигналам модуля 10 контроля и управления, переключаются в требуемое состояние. Далее в нечетный такт система поршней 18, 30 и штока 19 движется из крайнего левого положения в крайнее правое положение, а в четный такт - наоборот. Предварительно, перед началом отбора порции радиоактивного раствора, первую тонкую трубку 1 с наконечником 2, вторую тонкую трубку 7, все полости 22, 26, 36, 37 гидроцилиндра 16, насос 32, промежуточную емкость 34 и все соединительные линии заполняют жидкостью-растворителем.
ш
ш
бш
жр
разв
конц
Рассмотрим работу устройства более подробно. В начале нечетного такта поршни 18 и 30 находятся в крайнем левом положении. Коммутатор 14 соединяет левую бесштоковую полость 22 с тонкой трубкой 1. Коммутатор 15 соединяет левую штоковую полость 26 с тонкой трубкой 7. Коммутатор 16 соединяет правую штоковую полость 26 с насосом 32. Коммутатор 29 подключает правую бесштоковую полость 37 к линии выдачи 21. После окончания процесса коммутации потоков по команде модуля 10 контроля и управления включается насос 32, который подает жидкость-растворитель в правую штоковую полость 36 с заданным расходом Q, благодаря чему поршни 18 и 30 начинают равномерно перемещаться вправо. В это время из левой штоковой полости 26 жидкость-растворитель подается в трубку 7 также с расходом, равным величине Q, а в левую бесштоковую полость 22 принимается разведенный раствор из трубки 1 с расходом, равным Q. В момент, когда поршни 18 и 30 пройдут расстояние L, равное длине свободного хода, и достигнут крайнего правого положения, избыточное давление на выходе насоса 32 резко возрастает, величина сигнала датчика 33 избыточного давления превысит порог, заданный модулем 10 контроля и управления, после чего насос 32 будет выключен. В модуле 10 фиксируется окончание нечетного такта работы устройства. Объем жидкости-растворителя V, выданной из левой штоковой полости 26, объем разведенного раствора V, принятого в левую бесштоковую полость 22, и объем концентрированного раствора V, который переходил из наконечника 2 в трубку 1, а также коэффициент объемного разведения первой стадии, реализованной на левой половине гидропривода 16, определяются по аналогии с устройством для одностадийного разведения по формулам (2) и (4).
По величине сигнала датчика 33 избыточного давления после старта первого такта, но заведомо до его окончания можно диагностировать наличие осадков в линии 1, как это предложено в устройстве для одностадийного разведения. При этом необходимо повысить значение соответствующего порога для сигнала датчика 33 с учетом наличия сил трения в уплотнениях при перемещении двух поршней 18, 30 и штока 19.
сум
Вторая стадия разведения, реализованная на правой половине гидропривода 16, осуществляется идентично первой, но со сдвигом на один такт. Коэффициент объемного разведения второй стадии также определяется формулой (4). Суммарный коэффициент объемного разведения двух стадий К равен квадрату коэффициента объемного разведения одной стадии:
В начале второго, четного такта работы устройства поршни 18 и 30 находятся в крайнем правом положении. Коммутатор 14 соединяет левую бесштоковую полость 22 с промежуточной емкостью 34. Коммутатор 15 соединяет левую штоковую полость 26 с насосом 32. Коммутатор 28 соединяет правую штоковую полость 36 с донной линией 35 промежуточной емкости 34. Коммутатор 29 соединяет правую бесштоковую полость 37 также с донной линией 35 промежуточной емкости 34. В четном такте промежуточная емкость 34 с донной линией 35 выполняют для второй ступени разведения ту же функцию, что в нечетном такте выполняют для первой ступени участок технологического трубопровода 25 с установленным в нем наконечником 2.
ш
ш
бш
об
После окончания процесса коммутации потоков по команде модуля 10 контроля и управления включается насос 32, который подает жидкость-растворитель в левую штоковую полость 26 с заданным расходом Q, поршни 18 и 30 начинают равномерно перемещаться влево. В это время из правой штоковой полости 36 жидкость-растворитель подается в соединение с донной линией 35 также с расходом, равным величине Q, а в правую бесштоковую полость 37 принимается разведенный раствор второй стадии разведения из соединения с донной линии 35 с расходом, равным Q. Роль концентрированного раствора на входе второй стадии разведения играет разведенный раствор первой стадии, который непрерывно подается из левой бесштоковой полости 22 в промежуточную емкость 34 и в донную линию 35. Избыток разведенного раствора с выхода промежуточной емкости 34 может быть использован для контроля процедуры одностадийного разведения К. В противном случае разведенный раствор первой стадии возвращается, если возможно, в технологический процесс или удаляется в отходы. По аналогии с нечетным тактом четный такт работы устройства прекращается в момент, когда величина сигнала датчика 33 избыточного давления превысит заданный порог.
Из изложенного следует, что двукратно разведенный раствор на выходе второй стадии разведения появляется со сдвигом на один цикл (два такта) после первоначального поступления в наконечник 2 исходного концентрированного высокоактивного раствора.
В случае необходимости в параметры разведения могут быть внесены поправки по аналогии с формулами (5), (6), (7).
Использование заявленного изобретения позволяет существенно снизить погрешность разведения отобранной из транспортной емкости порции радиоактивного раствора в условиях тяжелых боксов или защитных камер, т.к. коэффициент разведения практически не зависит от колебаний давления в тяжелом боксе. Повышение удобства эксплуатации устройства и упрощение процедуры подготовки пробы для анализа обеспечивается главным преимуществом по сравнению с прототипом и аналогами: совмещением операций отбора порции концентрированного раствора и ее разведения, включая возможность двухстадийного разведения. При этом устройство в зависимости от выбранных геометрических размеров (квадрата отношения внутреннего диаметра корпуса гидропривода D к диаметру штока гидропривода d) для конкретного технологического продукта может обеспечить фиксированный коэффициент разведения пробы высокоактивного раствора из транспортной емкости или технологического оборудования с достаточно высокой точностью.
При реализации двухстадийного разведения дополнительные затраты много меньше затрат на дублирование оборудования прототипа, необходимого для повторного проведения операций пробоотбора и разведения, при этом также не требуется какого-либо перемещения емкостей с пробами.
Кроме того, существенным преимуществом является сокращение расходов на проведение анализа состава высокоактивных растворов, связанное с переходом от обращения с пробами высокоактивных растворов к обращению с разведенными растворами, удельная активность которых снижена в коэффициент разведения.