УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ НАСЫПНОЙ ПЛОТНОСТИ И ТЕКУЧЕСТИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
MONITORING DEVICE OF BULK DENSITY AND FLOW PROPERTIES OF LOOSE MATERIALS

Изобретение относится к области получения, обработки и использования сыпучих материалов, в том числе сыпучих высокорадиоактивных материалов для производства твэлов ядерных реакторов, включая твэлы на основе МОКС-топливных композиций.
Известны устройства для определения насыпной плотности порошков металлических (ГОСТ 19440-94 «Порошки металлические, определение насыпной плотности»). Эти устройства состоят из приемной воронки с калиброванным отверстием, которая на заданном расстоянии, например 25 мм, располагается над мерной цилиндрической емкостью. Исследуемую пробу порошка засыпают в приемную воронку, из которой она просыпается в мерную емкость, причем порошок должен полностью заполнить емкость и даже начать высыпаться из нее. Затем одноразовым движением с помощью линейки выравнивают поверхность образца, линейка должна быть повернута ребром к торцу емкости. Затем емкость с порошком ставят на весы и взвешивают.
Вместо линейки может быть использовано металлическое кольцо (царга), плотно прижатая к верхней кромке мерной емкости (И.Н. Шубин, М.М. Свиридов, В.П. Тарасов «Технологические машины и оборудование. Сыпучие материалы и их свойства». Тамбов, изд-во ТТТУ, 2005 г.).
Известны также устройства для определения текучести сыпучего материала (ГОСТ 20899-98 (ИСО 4490-78) «Порошки металлические. Определение текучести с помощью калиброванной воронки (прибора Холла)»). К стойке на горизонтальном виброустойчивом основании жестко крепится воронка с калиброванным отверстием (прибор Холла). Под ней устанавливается приемная емкость. Еще должен быть секундомер или датчик определения времени истечения порошка. Необходимо отметить, что как в случае определения насыпной плотности, так и в случае определения текучести воронки могут быть полностью аналогичны друг другу.
Основной недостаток аналогов заключается в том, что известные устройства предусматривают непосредственные контакты оператора с исследуемым порошком. В случае высокорадиоактивных материалов выполнить все необходимые требования техники ядерной безопасности практически не представляется возможным при применении отмеченных выше устройств.
В качестве прототипа выбрано «Устройство для контроля сыпучести и насыпной плотности порошковых материалов» (А.с. СССР №1068773, кл. G01N 9/02. опубл. 23/01.84 г., бюл. №3, авторы: Г.И. Гладков, А.К. Сущев и А.Я. Чернокоз), которое, по существу, автоматизировано и может быть использовано для контроля высокорадиоактивных материалов. Это устройство имеет воронку с калиброванным выходным отверстием, мерную емкость, датчик уровня заполнения мерной емкости, регистратор заданного веса, генератор счетных импульсов, два счетчика импульсов, соответствующие ключевые схемы, обеспечивающие получение численных значений, пропорциональных текучести и насыпной плотности.
Основным недостатком прототипа является невысокая точность определения насыпной плотности в связи с тем, что насыпная плотность определяется как отношение массы материала к объему, который она занимает, но объем исследуемого материала определяется по насыпанному верхнему уровню этого материала, засыпанного в мерную емкость. А известно, что порошковый материал насыпается в виде конуса, естественный угол засыпания этого конуса в сильной мере зависит от многих факторов, в том числе и таких, которые трудно учесть (например, микровибрация в помещении, влажность воздуха и т.п.).
Технический результат от использования изобретения заключается в расширении функциональных возможностей, а именно обеспечение контроля насыпной плотности и текучести высокорадиоактивных порошков и с достаточной точностью.
Этот результат достигается за счет того, что в устройстве для контроля насыпной плотности и текучести сыпучих материалов, включающем мерную воронку с шибером, размещенную в корпусе, весовую платформу, соединенную с компьютером, приемную емкость, размещенную под воронкой на весовой платформе, сметку, соединенную с электроприводом и вплотную прижатую к верхнему срезу мерной воронки, вибратор, соединенный с корпусом.
Сметка выполнена в виде кольца.
Известно, что порошок насыпается в виде конуса. Наличие сметки позволяет выравнить порошок по верху мерной воронки. Излишек порошка ссыпается в приемную емкость, таким образом, более точно определяется объем порошка в мерной воронке.
Наличие вибратора позволяет удалить остатки порошка со стенок воронки, а также для контроля порошков плохо текущих через воронку.
Наличие герметичного корпуса позволяет исключить пыление при перемещении порошков.
На фиг.1 схематически представлено предлагаемое устройство, где:
1 - приемная воронка;
2 - мерная воронка;
3 - сметка;
4 - электропривод;
5 - шибер;
6 - электропривод;
7 - воронка;
8 - приемная емкость;
9 - весовая платформа;
10 - корпус;
11 - вибратор;
12 - стойка.
Устройство работает следующим образом.
Исследуемый порошок засыпают в приемную воронку 7, из которой порошок высыпается в мерную воронку 2. Вплотную к верхнему срезу мерной воронки прижата сметка 3 в форме кольца, которое может сдвигаться с помощью электропривода 4. Количество исследуемого порошка берется с некоторым избытком, чтобы полностью заполнить мерную воронку с «верхом». Первоначально мерная воронка закрыта шибером 5, который управляется электроприводом 6. После заполнения мерной воронки, приводится в действие сметка и излишек порошка ссыпается через воронку 7 в приемную емкость 8, стоящую на электронных весах 9. После выравнивания верхнего слоя порошка в мерной воронке, подается сигнал на возврат сметки в исходное положение. Затем подается сигнал на открытие шибера. Порошок через воронку 7 попадает в приемную емкость 8. После высыпания порошка из мерной воронки для гарантированного удаления возможных остатков порошка на стенках воронок включается вибрация. Вибрация включается также в случае, когда контролируемый порошок в свободном состоянии не высыпается из воронки 1 или 2.
2
На фиг. 2 условно показан график данных, получаемых с электронных весов. По сути, график фиг. 2 отражает последовательность действий (алгоритм работы) заявляемого устройства. Участкам на графике: 0-1 - обнуление данных о массе; 1-2 - установка на весы приемной емкости; 2-3 - замер массы этой емкости; 3-4 - высыпание излишков контролируемого порошка в результате действия сметки; 4-5 - замер начального значения массы порошка mi для расчета насыпной плотности; 5-6 - высыпание контролируемого порошка из мерной воронки; 6-7 - замер массы высыпавшегося порошка m; 7-8 изменение массы за счет остатков порошка, высыпавшегося при вибрации.
2
1
Насыпная плотность рассчитывается как отношение разности m-m, отнесенной к объему мерной воронки.
1
2
2
1
<mrow><msubsup><mtext>m</mtext><mtext>1</mtext><mtext>*</mtext></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mtext>m</mtext><mtext>2</mtext><mtext>*</mtext></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mtext>m</mtext><mtext>2</mtext><mtext>*</mtext></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mtext>m</mtext><mtext>1</mtext><mtext>*</mtext></msubsup></mrow>
Текучесть определяется как отношение массы порошка, высыпавшегося из мерной воронки с калиброванным отверстием (прибор Холла) ко времени его высыпания, т.е. текучесть равна средней скорости высыпания порошка (угловому коэффициенту кривой на участке 5-6 фиг. 2). Из-за наличия переходных процессов измерение наклона кривой производят на отрезке кривой, отступив вперед от начала высыпания (момент t и, соответственно,
) и отступив назад от конца высыпания (момент t и, соответственно,
). Таким образом, текучесть рассчитывается как отношение разности
к разности t-t.
С целью практической реализации предлагаемого изобретения был разработан и изготовлен опытный образец прибора контроля насыпной плотности и текучести сыпучих материалов.
Прибор прошел испытания на порошках-имитаторах, использовались порошки с фракциями от 63 до 800 мкм. Результаты испытаний подтвердили достижение технического результата - измерения выполняются без непосредственного контакта оператора с порошком (с дистанционным управлением), при этом обеспечивается высокая точность измерений: погрешность измерения насыпной плотности не более 2%, текучести не более 4% при доверительной вероятности 0,95.
В заключение можно утверждать, что указанные отличительные признаки в предложенном устройстве необходимы и достаточны для обеспечения заявленного технического результата.