СПОСОБ КАЛИБРОВКИ И ПРОВЕРКИ РАДИОИЗОТОПНЫХ ПЛОТНОМЕРОВ СУСПЕНЗИЙ ПО ОБРАЗЦАМ-ИМИТАТОРАМ
METHOD OF CALIBRATING AND CHECKING RADIOISOTOPE DENSITY METERS FOR SUSPENSIONS BY SAMPLES-IMITATIONS

22
Изобретение относится к области автоматического контроля состава веществ и может быть использовано в калийной промышленности для калибровки плотномеров суспензий использующих источник излучения Na, по образцам имитаторам суспензий и проверки правильности показаний плотномеров в процессе эксплуатации.
Известен способ градуировки (калибровки) и поверки плотномеров (Приборостроение и средства автоматики. Том 2, книга 2. М.: Машиностроение, 1964. С. 277). Градуировка (калибровка) производится в статических условиях с применением набора жидкостей, плотность которых измеряется лабораторными приборами. К недостаткам способа можно отнести отсутствие квалификации свойств жидкостей по точности имитации контролируемой технологической среды - не учитывается характер взаимодействия излучения с контролируемой средой и с имитирующей жидкостью, что не позволяет достигнуть высокой точности калибровки.
3
Известны метод и средства поверки радиоизотопных плотномеров с применением имитаторов контролируемой среды (ГОСТ 8.368-79 «Плотномеры радиоизотопные жидких сред и пульп. Методы и средства поверки. Приложение 1. Методы приготовления жидких имитаторов контролируемой среды. Приложение 2. Общие указания по построению переходной зависимости»). Сущность метода состоит в том, что измерительный участок трубопровода заполняют жидким имитатором контролируемой среды, определяют показания плотномера, определяют плотность имитатора образцовым денсиметром, определяют погрешность расхождений показаний плотномера и плотности имитатора. В качестве имитатора используются спиртовые растворы бромоформа (трибромметан - CHBr). К недостаткам можно отнести необходимость точного измерения плотности образцовыми средствами, бромоформ представляет опасность для человека - обладает наркотическим действием, раздражает кожу и дыхательные пути, вызывает болезни печени.
3
3
3
3
3
Известны способы градуировки (калибровки) и поверки вибрационных плотномеров (Жуков Ю.П. Вибрационные плотномеры. М.: Энергоатомиздат, 1991, раздел 5.3. Градуировка и поверка вибрационных плотномеров). Для градуировки и поверки используются жидкости: петролейный эфир, бензин, бензол (650-860 г/дм), водно-спиртовые растворы (870-950 г/дм), серно-винные растворы (960-1010 г/дм), серно-водные растворы (960-1830 г/дм), растворы Туле (1840-2000 г/дм). Недостаток заключается в том, что сероводные растворы и растворы Туле, используемые в качестве имитаторов суспензий с высокой плотностью, обладают высокоагрессивными свойствами и крайне опасны для здоровья человека.
22
Известен способ градуировки и поверки радиоизотопных плотномеров (Зарецкий Л.И. Методика градуировки и поверки радиоизотопных плотномеров. - Приборы и системы управления. 1976, №10, с. 23-24). Плотномер включает патрубок для контролируемой среды, источник и детектор излучения, кассету, установленную между источником и патрубком, выходной преобразователь частоты. Способ состоит в следующем: в патрубок заливают воду, в кассету помещают аттестуемую пластину, производят измерение частоты импульсов; пластину удаляют, а патрубок заполняют контролируемой жидкостью, концентрацию постепенно увеличивают и доводят до равенства частот по жидкости и пластине; отбирают пробу жидкости, измеряют плотность; значение плотности жидкости присваивают плотности пластины. В дальнейшем пластина (твердый имитатор) используется для градуировки и поверки плотномеров. Данный способ пригоден для плотномеров с узким пучком гамма-квантов (с коллимацией излучения) от мощных источников с изотопом цезия-137 или кобальта-60. Источник Na маломощный, используется широкий пучок излучения. Для него зависимость рассеяния гамма-квантов (ослабление в контролируемой среде) от плотности для суспензии и твердого имитатора в виде пластин неодинакова, что снижает точность калибровки и поверки.
Известен способ градуировки радиоизотопных плотномеров (RU 2442889 С1). Способ предназначен для градуировки радиоизотопных плотномеров буровых и тампонажных растворов и состоит в том, что на трубопровод устанавливают излучатель и детектор, производят изготовление эквивалентов плотности растворов, калибровку эквивалентов с помощью образцовых проб растворов, использование эквивалентов на отсоединенном трубчатом элементе с фиксацией положения, эквиваленты плотности изготавливают из твердых материалов, по форме и размерам соответствующих внутреннему поперечному сечению трубчатого элемента в зоне чувствительности детектора. Недостаток способа состоит в том, что включена промежуточная операция между образцовым раствором (жидким имитатором контролируемого раствора) и плотномером в виде создания и использования твердого эквивалента плотности (твердого имитатора). Применение твердого имитатора, как и в предыдущем примере, не позволяет достигнуть высокой точности калибровки. Операция может быть использована только для проверки работоспособности плотномера при эпизодическом контроле.
Известен способ градуировки (калибровки) радиоизотопных плотномеров (SU 1400253 А1) - прототип, включающий формирование ряда образцов, плотность которых находится в заданном диапазоне, облучение образцов источником плотномера и регистрацию отраженного излучения детектором, определение области изменения относительных значений коэффициентов комптоновского и фотоэлектрического взаимодействия, выбор компонентов, состав которых обеспечивает соотношение этих компонентов. В соответствии с расчетами выбрана композиция, состоящая из парафина, окиси железа, окиси кремния и перлитового песка. Применительно к задаче контроля плотности калийных суспензий можно отметить недостатки: в изобретении производится регистрация отраженного излучения, необходима регистрация ослабления излучения при прохождении через суспензию, сложный механизм расчета по соотношению комптоновского рассеяния и фотопоглощения, расчеты даны применительно к отраженному излучению, выбранная композиция не отражает истинный состав калийных суспензий.
3
Задачей изобретения является: повышение точности калибровки радиоизотопных плотномеров калийных суспензий с помощью образцов-имитаторов в диапазоне измерений от 1200 до 1600 кг/м с сохранением свойств имитаторов при нижнем пределе температуры, допускаемой при хранении и транспортировке, например 5°С, обеспечение безопасных свойств для здоровья человека, взрывобезопасность и пожаробезопасность в процессе приготовления имитаторов.
Решение задачи достигается следующим образом.
22
П
С
О
Пi
Сi
Оi
Оi
Пi
Оi
Оi
Сi
Сi
Оi
Сi
Пi
Пi
Сi
Оi
Оi
Пi
3
Калибровку и проверку радиоизотопных плотномеров суспензий калийных обогатительных фабрик с источниками излучения Na, включающую формирование ряда образцов, плотность которых находится в заданном диапазоне от 1200 до 1600 кг/м, облучение образцов источником плотномера и регистрацию излучения детектором выполняют с использованием образцов-имитаторов в виде совместного раствора хлористого кальция и хлористого цезия. Предварительно устанавливается взаимосвязь (подобие) между контролируемой суспензией и образцом-имитатором - коэффициент K отношения плотности суспензии D к плотности образца-имитатора D. Для каждого вида суспензии и для каждой контрольной точки (i - точки) диапазона отдельно устанавливается коэффициент K отношения плотностей суспензии - D к плотности образца-имитатора - D. Плотность образца D рассчитывается при приготовлении и, при необходимости уточнения, измеряется с помощью ареометра высокой точности. Коэффициент K устанавливается по частотному сигналу детектора плотномера следующим образом. Образец-имитатор с плотностью D помещают в измерительный канал плотномера, измеряют частоту - F. Образец-имитатор удаляют. В измерительный канал помещают суспензию, измеряют частоту - F. Подбирают плотность суспензии до выполнения условия: F=F. Отбирают пробу суспензии и измеряют плотность суспензии - D весовым или объемно-весовым (пикнометрическим) способом. Производят расчет коэффициента K по формуле: K=D/D. Значения D и K заносятся в аттестат калибровки плотномера по образцам-имитаторам.
Повышение точности калибровки по сравнению с известными составами образцов-имитаторов достигается тем, что элементный состав образцов-имитаторов по раствору кальция: Ca, O, H, O является близким к основному элементному составу калийной суспензии: K, Cl, Na, Ca, H, O, а цезий по химическим свойствам находится в одной (1-й) группе с калием и натрием.
2
2
2
2
Оi
Состав образцов-имитаторов рассчитывается таким образом, чтобы сохранялись их свойства (отсутствие кристаллизации соли из раствора) при нижнем пределе температуры, необходимой для хранения и перемещения, например 5°С. Расчет производится для раздельного приготовления раствора CaCl и раствора CsCl. Для расчета растворы CaCl и CsCl берут с максимальной плотностью, не приводящей к кристаллизации при нижнем пределе температуры. Производят расчет объема раствора CaCl по формуле (1) и массы навески CaCl по формуле (2) для заданного объема при температуре последующей калибровки, расчет объема раствора CsCl по формуле (3) и массы навески CsCl по формуле (4), расчет навески воды по формуле (5). Приготавливают раствор с расчетными параметрами. Расчетную плотность присваивают значению плотности образца-имитатора - D.
Расчетные формулы:
Ca
Формула расчета объема раствора хлористого кальция - V:
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>C</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>D</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mi>p</mi></msub><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>C</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>D</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                                               </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
Cs
где D - плотность раствора хлористого цезия при предельной температуре;
р
D - плотность раствора образца-имитатора;
р
V - общий объем раствора;
Ca
D - плотность раствора хлористого кальция при предельной температуре.
Ca
Формула расчета массы навески хлористого кальция - M:
<mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>D</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                                                  </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
Ca
где C - массовая доля хлористого кальция в растворе хлористого кальция.
Cs
Формула расчета объема хлористого цезия - V:
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>C</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mi>p</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi></mrow></msub><mo>.</mo><mtext>                                                                              </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
Cs
Формула расчета массы навески хлористого цезия - M:
<mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>C</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>D</mi><mrow><mi>C</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>C</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>C</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                                                       </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>4</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
Cs
где C - массовая доля хлористого цезия в растворе хлористого цезия.
в
Формула расчета массы навески воды - M:
<mrow><msub><mi>M</mi><mi>в</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mi>p</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>D</mi><mi>p</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>M</mi><mrow><mi>C</mi><mi>a</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>M</mi><mrow><mi>C</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>.</mo><mtext>                                                              </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>5</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
Повышение точности калибровки достигается также тем, что образцы-имитаторы готовят таким образом, чтобы молекулярная масса образца-имитатора наиболее близко соответствовала молекулярной массе контролируемой суспензии. Такое соответствие отвечает характеру поглощения излучения при прохождении через суспензию и через образец-имитатор и способствует повышению точности калибровки. Расчет молекулярной массы суспензии и образца-имитатора производится по формулам (6), (7) соответственно.
мс
Формула расчета молекулярной массы суспензии - M:
<mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>м</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>Σ</mi><msub><mi>С</mi><mi>m</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>к</mi><mi>m</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>M</mi><mrow><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>m</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mi>Σ</mi><msub><mi>C</mi><mi>ж</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>к</mi><mi>ж</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>M</mi><mrow><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>ж</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                        </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>6</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
m
где C - массовая доля твердой фазы в суспензии, доли единицы;
кmi
C - массовая доля i-го компонента в твердой фазе суспензии, доли единицы;
мкmi
M - молекулярная масса i-го компонента в твердой фазе суспензии, г-моль (г-м).
мо
Формула расчета молекулярной массы образца-имитатора - M:
<mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>м</mi><mi>о</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>Σ</mi><msub><mi>C</mi><mrow><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>M</mi><mrow><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                                                               </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>7</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
коi
где C - массовая доля i-го компонента в образце-имитаторе, доли единицы;
мкоi
M - молекулярная масса i-го компонента образца-имитатора, г-м.
Раствор хлористого кальция и хлористого цезия является взрыво- и пожаробезопасным и безопасным для здоровья человека, поскольку сами элементы Ca и Cs не обладают взрыво- и пожароопасными свойствами, а также не оказывают негативного влияния на здоровье человека.
Оi
Оi
Применение образцов-имитаторов для проверки правильности показаний состоит в следующем. В случае сомнения в правильности показаний плотномера излучатель и детектор снимают с трубы и идентичным образом устанавливают на имитатор. Если значение D образца-имитатора подтверждается, измерительная часть плотномера отвечает требованиям к плотномеру, возможная причина в зарастании трубы или износе. Необходимо выполнить регламентные работы по устранению зарастания. В случае износа необходимо выполнить повторную калибровку. Если значение D образца-имитатора не подтверждается, например, из-за старения источника (период полураспада 2,6 года), необходимо, в частности, произвести замену источника и выполнить калибровку плотномера.
Пример расчета состава образца-имитатора
3
3
3
3
Ca
Ca
Cs
Cs
Исходные данные: температура имитатора, при которой производится калибровка, 20°C; расчетный объем имитатора Vp=1000 см; плотность раствора имитатора Dp=1,4 г/см (среднее значение диапазона измерений); нижний предел температуры, при которой сохраняются свойства имитатора, 5°C; плотность раствора хлористого кальция, соответствующая указанной температуре с запасом надежности, D=1,38 г/см; массовая доля хлористого кальция в растворе хлористого кальция C=0,37; плотность раствора хлористого цезия, соответствующая указанной температуре с запасом надежности, D=1,8 г/см; массовая доля хлористого цезия в растворе хлористого цезия C=0,606.
Порядок расчетов
Расчет объема раствора хлористого кальция по формуле (1):
Ca
3
V=(1,8-1,4)·1000/(1,8-1,38)=952,4 см
Расчет массы навески хлористого кальция по формуле (2):
Ca
M=1,38·0,37·952,4=486,3 г
Расчет объема хлористого цезия по формуле (3):
Cs
3
V=1000-952,4=47,6 см
Расчет массы навески хлористого цезия по формуле (4):
Cs
M=1,8·0,606·47,6=51,9 г
Расчет массы навески воды по формуле (5):
в
M=1000·1,4-486,3-51,9=861,8 г
3
Оi
Пi
Приготовив раствор с расчетными навесками, получаем образец-имитатор с расчетной плотностью 1,4 г/см. При необходимости уточнения расчетной плотности производится измерение плотности раствора с помощью ареометра или объемно-весовым способом. Расчетная или измеренная плотность D присваивается i-му образцу-имитатору суспензии наряду с коэффициентом K. Имитатор идентифицируется номером, в соответствии с которым производится калибровка плотномера или проверка правильности показаний в процессе эксплуатации.
3
3
2
Пример расчета молекулярной массы суспензии и образца-имитатора. В качестве примера взята суспензия KCl разгрузки кристаллизатора галургической калийной обогатительной фабрики. Исходные данные по суспензии: плотность суспензии - 1,4 г/см; массовая доля твердой фазы в суспензии - 0,31, массовая доля жидкой фазы - 0,69; массовая доля компонентов в жидкой фазе: KCl - 0,20; NaCl - 0,17, HO - 0,63; молекулярная масса компонентов, г-м: KCl - 74,6; NaCl - 58,5; воды - 18. Исходные данные по образцу-имитатору: плотность - 1,4 г/см; массовая доля хлористого кальция - 0,347; массовая доля хлористого цезия - 0,037; массовая доля воды - 0,616; молекулярная масса компонентов, г-м: хлористого кальция - 111; хлористого цезия - 168,5; воды - 18.
Расчет молекулярной массы суспензии по формуле (6):
мс
M=0,31·74,6+0,69(0,2·74,6+0,17·58,5+0,63·18)=48,1 г-м.
Расчет молекулярной массы образца-имитатора по формуле (7):
мо
M=0,347·111+0,037·168,5+0,616·18=55,8 г-м.
Расчеты показывают, что образец-имитатор с молекулярной массой - 48,1 г-м имеет более близкое значения к молекулярной массе суспензии - 55,8 г-м (отклонение: (55,8-48.1)·100:48.1=16,0%) по сравнению с тем, если в качестве образца-имитатора взять однокомпонентный раствор хлористого цезия с молекулярной массой - 75,8 г-м (отклонение: (75,8-48,1)·100:48.1=58,5%), что подтверждает возможность повышения точности калибровки.