ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ШАРИКОВ, ДВИЖУЩИХСЯ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТРУБЕ
GAS-DYNAMIC METHOD FOR REGISTRATION OF BALLS MOVING IN CYLINDRICAL TUBE

Изобретение относится к к средствам контроля движения гранулированных твердых тел по тракту пневмотранспортирования, в частности шариков из замороженных ароматических углеводородов, и предназначено для контроля движения шариков (подсчета числа шариков), поступивших в пневматический тракт с холодным газом гелия для последующей доставки их в камеру холодного замедлителя быстрых нейтронов интенсивного источника (ядерного реактора или нейтронопроизводящей мишени ускорителя).
Известен способ регистрации движения и/или затора движения частиц (в том числе шариков), транспортируемого потоком газа по цилиндрической (или овальной) трубе по изменению перепада статического давления газа на контролируемом участке трубы. [Kulikov S., Belyakov A., Bulavin M., Mukhin K., Shabalin E., Verhoglyadov A. «Advanced pelletized cold moderators for the IBR-2M research reactor». IAEA Technical Meeting on "Advanced Moderators to Enhance Cold Neutron Beam Production for Materials Research and Applications", 22-25 November, 2011, J-Parc, Tokai, Japan]. На концах контролируемого участка трубы имеются отверстия меньше минимального размера частиц, с которых производится непрерывный отбор газа на дифференциальный манометр. При прохождении частицы по контролируемому промежутку получается динамический сигнал разностного давления, а при заторе частиц возникает постоянное повышенное значение разности давлений.
Недостатком способа является наличие значительного шума сигнала из-за флуктуации расхода газа и турбулентности потока, что фактически не позволяет идентифицировать прохождение одиночных частиц.
Задача изобретения состоит в том, чтобы увеличить в несколько раз сигнал при прохождения одиночного шарика через контролируемый участок пневмотранспортной трубы и тем самым уменьшить влияние шума расхода транспортирующего газа на степень надежности идентификации прохождения шариков.
Поставленная задача решается тем, что идентификация факта прохода шарика производится по значению амплитуды короткого отрицательного импульса дифференциального давления газовой среды, измеряемого между двумя точками отбора газа, расположенными в нижней части пневмотранспортной трубы.
Основные отличительные признаки изобретения (отбор газа в нижней части трубы и измерение короткого отрицательного импульса разности давлений) позволяют значительно увеличить отношение «сигнал-шум», снизить влияние колебаний расхода газа и тем самым увеличить надежность идентификации прохождения одиночных шариков через контролируемый участок пневмотранспортной трубы.
Дополнительные признаки придают способу следующие полезные свойства:
- наличие металлической сетки на стенках трубы контролируемого участка подавляет вертикальную составляющую скорости шариков и заставляет их катиться вблизи нижней образующей трубы, что увеличивает отрицательный импульс дифференциального давления, имеющий место в газодинамической «тени» шарика, т.е. за шариком по направлению движения газа, и тем самым увеличивает отношение «сигнал-шум»;
- введение ограничений на длину контролируемого участка позволяет избежать наложения сигналов от шариков, движущихся близко друг от друга, и тем самым снижает число просчетов числа шариков.
Принцип реализации газодинамического способа регистрации шариков, движущихся в цилиндрической трубе, поясняется рисунками 1 и 2 в Приложении. На рисунке 1 дана картина распределения поля скоростей газа (м/с) относительно неподвижного шарика (расчет, газ движется слева направо). Диаметр трубы - 16 мм, диаметр шарика - 5 мм; средняя скорость газа в трубе - 10 м/с, турбулентное течение. В зоне отрицательных скоростей («синяя зона») давление газа понижено в ограниченной области порядка 1-2-х диаметров шарика. Этот факт и используется в описываемом способе.
При качении (или скольжении) шарика под напором движущегося газа по нижней образующей трубы, чему способствует наличие сетки на внутренней поверхности трубы, за шариком образуется зона разреженного газа, где давление ниже, чем перед шариком или в отсутствии шарика. Зона разрежения простирается на несколько диаметров шарика. Показания дифференциального мембранного манометра, измеряющего разность между давлением газа, отбираемого в этой зоне и за ее пределами далее по направлению движения шарика, будут иметь форму, показанную на рисунке 2, где ось Х - время в миллисекундах, ось Y - сигнал датчика (отн. ед.). Короткие выбросы при 540 и 600 мс - внешние электрические наводки. Отрицательный импульс имеет продолжительность порядка отношения длины зоны разрежения к скорости шарика и амплитуду, примерно пропорциональную разности скоростей шарика и газа. Эта амплитуда примерно в два раза больше, чем амплитуда положительного импульса при отборе газа только вне разреженной зоны. Для скоростей газа гелия, например, более 10 м/с в пневмотранспортной трубе шарикового холодного замедлителя нейтронов исследовательского реактора ИБР-2М отрицательная амплитуда составляет более 2-3-х Па при уровне шума около 1 Па. Дополнительный выигрыш получается из-за несовпадения диапазона частот шумов и сигнала. Регистрирующая схема идентифицирует отрицательный импульс при проходе шарика с погрешностью, зависящей только от частоты прохождения шариков. Для 100% надежности время последовательного прохода шариков не должно быть меньше, чем продолжительность отрицательного импульса.
Описанный способ реализован в комплексе холодных шариковых замедлителей нейтронов исследовательского реактора ИБР-2М в пневмотранспортной системе загрузки твердых мезитиленовых шариков из дозатора в камеры холодных замедлителей. В качестве датчиков давления используются дифференциальные мембранные манометры DXLdp фирмы Ashcroft с погрешностью 0.1 Па и быстродействием 10 мс. Аналоговый сигнал оцифровывается отечественным АЦП LA-20 USB и обрабатывается на PC лицензированной программой, имеющей интерактивный интерфейс с непрерывным сообщением о количестве прошедших шариков.