CC BY
42
------------------------------------- © А.Б. Палкин, 2007
УДК 622.807 А.Б. Палкин
АНАЛИЗ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ПЫЛЕОТЛОЖЕНИЯ
~П ИПКОН РАН проведены исследования по разработке на -Я-М основе радиометрического способа (с использованием мягкого бета-излучения) датчика пылеотложения. Проведен теоретический анализ радиоизотопного метода с целью выявить возможности его использования для измерения концентрации пыли особо высоких концентраций (сотни мг/м3), которые характерны для решения задачи контроля отложения пыли в горных выработках. Также рассмотрен способ измерения концентрации пыли непосредственно в запыленном воздухе. Установлена возможность непосредственного измерения пылеотложения на подложке радиометрическим методом.
1. Контроль пылеотложения на основе радиоизотопного метода измерения концентрации пыли
Установлены требования к радиоизотопному методу измерения концентрации пыли для решения задачи контроля пылеотло-жения. Метод должен обеспечивать долговременное измерение концентрации (в т.ч. особо высоких значений), из-мерительная схема прибора должна быть защищена от осаждения пыли в воздуховодных путях и элементах радиометрической схемы. Процесс измерения должен обеспечивать экономный расход фильтрующей ленты или возможно исключение фильтрующей ленты в схеме измерения.
Установлено, что в отличие от задачи измерения концентрации пыли вблизи ПДК (с помощью традиционного или непрерывного радиоизотопного методов) в указанной задаче уменьшение до необходимого уровня погрешности, связанной со статистикой отсчетов бета-частиц, не является труднопреодолимой проблемой. Основная проблема реализации метода заключается в том, что при высоких уровнях концентрации (сотни мг/м3 и более) пыли очень
быстро происходит полное заполнение фильтра в процессе измерения. Например, в приборах ИКАР-ФБ-01, АСПК предельное заполнение фильтра происходит за 1 минуту при концентрации 500 мг/м3. Установлена связь времени заполнения фильтра и расхода фильтрующей ленты от концентрации пыли и приборных параметров.
Также установлено, что при особо высоких концентрациях непрерывный радиоизотопный метод утрачивает свои преимущества (меньшие погрешности измерения и периоды измерения) перед традиционным радиоизотопным методом и вырождается в дискретный метод.
Рассмотрена возможность подбора соответствующих приборных параметров (расход воздуха, площадь формируемого пылевого осадка на фильтре) с целью увеличения периода измерения одного значения концентрации пыли. Установлено, что возможно увеличить этот период в 10-20 раз. Но даже в этом случае период измерения оказывается неприемлемо малым, а расход ленты - высоким.
Для решения задачи контроля отложения пыли в шахте необходимо отказаться или от традиционных схемы и процедуры измерения или, возможно, от измерения именно концентрации пыли.
2. Контроль пылеотложения на основе радиометрического метода измерения концентрации пыли непосредственно в запыленном воздухе
Предложена и рассмотрена возможность использования радиометрической схемы с исключением фильтрующей ленты. Предлагается осуществлять измерение коэффициента поглощения бета-излучения непосредственно в запыленном воздухе. Установлено, что существуют оптимальные длины плеч радиометрического тракта, которые зависят только от типа изотопа (энергии бета-частиц). Предложен способ оценка погрешности измерения, связанной со статистикой отсчетов бета-частиц. Оценка этой погрешности показывает, что она оказывается недопустимо большой даже при больших интенсивностях излучения (десятки кГц) и больших периодах измерения (сутки и более). Например, при интенсивности бета-излучения 3000 кГц (как в приборе «ИКАР-ФБ-01») для измерения 600 мг/м3 требуется 12 часов. Для измерения концентраций в районе ПДК за периоды времени порядка одного часа требуется увеличить интенсивность бета-излучения в десятки и сотни тысяч раз. Таким образом, предложенный метод ввиду слабой чувстви-
тельности к взвешенной в воздухе пыли и, как следствие, высокой погрешности измерения, не обеспечивает решение поставленной задачи контроля пылеотложения.
3. Контроль пылеотложения на основе радиометрического метода измерения поверхностной плотности осадка пыли на подложке
Предлагаемая конструкция радиоизотопного датчика представлена в виде схемы на рисунке. Внутри корпуса 1, защищенного от проникновения в него пыли из воздуха с помощью направляющих прижимных роликов 9 размещены:
• Подложка 3, на которую осаждается пыль 6 из пробоотборного канала 5, и в качестве которой предлагается использовать лавсановую ленту, которая при достаточно малой толщине (до 1 мг/см2 и меньше) обладает достаточно высокой упругостью, износостойкостью, температурной устойчивостью;
• Радиометрический блок, состоящий из источника бета-излучения 2 и детектора бета-частиц 4;
• лентопротяжное устройство, состоящее из двух натяжных барабанов 8 и, собственно, электропривода 7 к одному из натяжных барабанов 8 выполненного на основе шагового двигателя, позволяющего перемещать ленту в прямом и обратном направлениях;
• Устройство очистки ленты 10, которое предлагается выполнить на основе пьезокерамического резонатора и устройство снятия статического заряда (ультрафиолетовый источник или схема с переменным электрическим полем).
Такая схема в отличие, например, от схемы в радиоизотопном пылемере «ИКАР», позволяет отказаться от расходного материала (фильтрующей ленты). Лента 3 по циклу многократно проходит стадии: очистки от пыли, измерение толщины участка очищенной ленты в радиометрическом блоке, набора пыли в пробоотборном устройстве, измерения поверхностной плотности пятна пыли в радиометрическом блоке.
Перед каждым измерением следует определять толщину очищенного участка лента. Это необходимо, в частности для контроля степени ее очистки. Также необходимо контролировать возможный износ ленты или ее возможные повреждения.
Схема радиометрического датчика пылеотложения: 1 - корпус датчика, 2 -источник бета-излучения, 3 - лавсановая лента, 4 - детектор бета-частиц, 5 - пробоотборный канал, 6 - формирующееся пятно пыли, 7 - лентопротяжное устройство, 8 - натяжной барабан, 9 - направляющие прижимные ролики, 10 - устройство очистки ленты, 11 - канал сброса пыли
Пыль в процессе естественного осаждения в пробоотборном канале 5 формирует пятно на ленте. Через заданные периоды времени (периоды пробоотбора), освобождаются прижимные ролики 9 и происходит перемещение ленты с пылевым пятном в радиометрический блок, в котором происходит измерение средней поверхностной плотности пылевого пятна по поглощению в нем бета-излучения. В случае недостаточной представительности пробы (пятна пыли) лента с пятном возвращается обратно под пробоотборный канал. В противном случае результат измерения фиксируется, при необходимости суммируется с предыдущими результатами измерения величины пылеотложения, а затем данный участок ленты перемещается в направлении устройства очистки ленты.
Все описанные процедуры поддаются автоматизации с помощью современных микроконтроллеров и достаточно простых радиоэлектронных и электромеханических узлов.
Основные параметры прибора такие как, активность источника (интенсивность излучения, прошедшего через «чистую» ленту), периоды измерения интенсивности бета-излучения, следует выбрать точно такие же, как в приборах «ИКАР». Начальная интенсивность бета-излучения - 3 кГц, период измерения - 100 с. При данных параметрах прибор обеспечивает достаточную точность измерения (погрешность не более 25% при доверительном интервале «2с») при указанных в предыдущем параграфе критических значениях (опасных) поверхностных плотностей пятна пыли. Минимальная измеряемая поверхностная плотность пыли на фильтре составляет примерно 0.03 мг/см2.
Вероятно, следует увеличить размер (диаметр, сечение) пробоотборного канала и, соответственно диаметр формирующегося пылевого пятна на подложке. Тем самым увеличивается представительность навески пробы и предотвращается случайное переполнения подложки при локальном взметывании пыли. Данный параметр должен выбираться в процессе последующих экспериментальных работ.
Процедуры пробоотбора с принудительной прокачкой воздуха, как при измерении концентрации пыли здесь не происходит, поэтому нет необходимости оптимизировать параметры ас-пирационного устройства, кроме периода отбора пробы. Период пробоотбора, вообще говоря, должен зависеть от условий измерения, а точнее - от скорости пылеотложения в конкретной горной выработке. Но поскольку предполагается полностью автоматизировать процесс измерения, то возможно использование адаптивной процедуры измерения, когда этот период будет автоматически определяться. Простейший вариант адаптивной процедуры заключается в том, что изначальный период пробо-отбора выбирается, например, 30 минут. В случае недостаточного для достоверного измерения и, соответственно, меньшего по сравнению с критическими величинами, значения поверхностной плотности пятна пыли на ленте, данный участок ленты возвращается в пробоотборное устройство еще раз на этот же период (30 минут).
Описанный процесс измерения может быть подвергнут дальнейшей оптимизации. Например, измерение очередного участка «чистой ленты» может происходить одновременно с пробоотбором на другом участке ленты. Также, измерение поверхностной плотности пылевого пятна может быть осуществлено одновременно с отбором пыли на следующий участок, благодаря чему, в частности, можно уменьшить активность источника в несколько раз, т.к. период измерения интенсивности увеличивается и становится равным периоду пробоотбора. Параллельно может производиться сброс пыли с очередного участка ленты в устройстве очистки ленты. Тем самым реализуется идея непрерывности процесса контроля пыле-отложения, но с той разницей, что вывод результатов измерения осуществляется дискретно - с заданной периодичностью.
Выводы
1. Традиционный и непрерывный радиоизотопные методы измерения концентрации пыли с использованием традиционной схемы измерения (прохождение мягкого бета-излучения через пылевой осадок на фильтре) не позволяют организовать долговременный контроль концентрации пыли (особо высоких концентраций).
2. Измерение поглощения мягкого бета-излучения непосредственно в запыленном воздухе даже при очень продолжительных периодах измерения сопровождается неприемлемо большой погрешностью, обусловленной статистическим характером регистрации бета-излучения, что не позволяет использовать его для измерения концентрации пыли и контроля пылеотложения.
3. Предложена схема радиоизотопного датчика измерения пылеотложения на подложку с использованием поглощения мягкого бета-излучения в пылевом осадке на подложке.
4. Основные параметры радиометрической схемы могут быть приняты такими же, как и в пылемере «Икар-ФБ-01». При этом обеспечивается удовлетворительная погрешность измерения (не более 0.25 с доверительным интервалом «2с»). Минимальная измеряемая поверхностная плотность пыли на фильтре составляет примерно 0.03 мг/см2.
— Коротко об авторах -------------------------------------------
Палкин Андрей Борисович - кандидат технических наук, ст. научный сотрудник, ИПКОН РАН.
