авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и наук

и РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ВОЛГОГРАДСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Пастухов Юрий Викторович

ИНФОРМАЦИОННО – ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПРОМЫШЛЕННОЙ

КОРРОЗИИ С ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НА ОСНОВЕ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы» (в машиностроении) Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель – докт. техн. наук, профессор Муха Ю. П.

Волгоград - Оглавление Введение…………………………………………………………………………... Глава 1. Современное состояние методов и средств измерения коррозии.. Основные механические методы контроля коррозии……………….. 1.1.

Электрохимические методы определения коррозии…………………. 1.2.

Электрические методы регистрации коррозии……………………….. 1.3.

Электромагнитные методы……………………………………………… 1.4.

Ультразвуковые методы контроля коррозии…………………………. 1.5.

Ядерно-физические методы……………………………………………... 1.6.

Убывание интенсивности ионизирующего излучения образца в 1.6.1.

процессе коррозии………………………………………………………... Возрастание удельной активности радиоактивных продуктов 1.6.2.

коррозии в среде………………………………………….………………. Накопление радиоактивного изотопа коррозионного агента из 1.6.3.

среды на поверхности образца……………………………………....... Ослабление и рассеяние образцом (изделием) проникающего 1.6.4.

гамма - излучения……………………………….……………………….. Эффект Мёссбауэра………….……………………………………….…... 1.6.5.

Прочие методы определения коррозии….…………………………….. 1.7.

Выводы и заключения по главе 1……………………………….…… Глава 2. Разработка схемы преобразования значений измеряемого параметра значений массы образца-свидетеля (датчика коррозии-первичного измерительного преобразователя) через радионуклидную метку в значения выходной величины…………………………………………… Технология определения коррозии в промышленных условиях с 2.1.

применением образцов-свидетелей, содержащих радионуклидную метку……………………………………………………………………….. Последовательность преобразований значений измеряемого 2.2.

параметра в значения выходной величины……………………………...

Выводы и заключение по главе 2……………………………………. Глава 3. Исследование механизма и разработка алгоритма преобразования значений измеряемого параметра в значения выходной величины, проведение метрологических исследований измерительной системы …………………………………………………………………… Преобразования массы…………………………………………………… 3.1.

Ядерные преобразования………………………………………………… 3.2.

Разработка технического решения по введению в материал образца 3.3.

свидетеля долгоживущего радионуклида Со ………………………….

Радиационные преобразования……………………………………….… 3.4.

Преобразование значений измеряемого параметра (в электронной 3.5.

части информационно-измерительной системы) через последо вательность сцинтилляций N c в значения интенсивности выходной величины I (t ) ……………………………………………………………..

Выводы и заключение по главе 3……………………………………. Глава 4. Разработка структурно-блочной схемы информационно-измеритель ной системы определения параметров процесса промышленной коррозии с измерительным преобразователем на основе ядерно физических методов……………………………………………………….. Выводы и заключение по главе 4…………………………………… Глава 5. Проведение экспериментов по определению коррозии в промышленных условиях с применением ядерно-физических методов……………………………………………………………………..

Получение и исследование образцов-свидетелей для контроля 5.1.

промышленной коррозии………………………………………………… Методы проведения промышленных исследований……………………. 5.2.

Реализация контроля промышленной коррозии с применением 5.3.

ядерно-физических методов ……………………………………………... Определение скорости коррозии в технологических установках 5.3. первичной переработки нефти АВТ…………………………………… Анализ проведённых экспериментов по определению коррозии и 5.3. полученных результатов на установках первичной переработки нефти АВТ……………………………………………………………………….... Выводы и заключения по главе 5…………………………..………... Основные выводы и заключения по работе…………………………... Список литературы………………………………………………………. ВВЕДЕНИЕ Коррозия металлов [1-3] – разрушение металлов вследствие химического [1 4], электрохимического [1-4] или биохимического [5] взаимодействия их с окру жающей средой. Коррозия протекает самопроизвольно согласно законам кинетики возможных термодинамических реакций и приводит к понижению свободной энергии металла, в результате чего образуются более устойчивые в термодинамическом отношении соединения [5].

Коррозия [2] - растворение горных пород на поверхности Земли под влиянием химического воздействия воды (например, явление карста);

разъедание, частичное растворение и оплавление магмой ранее выделившихся минералов или захваченных обломков пород.

Коррозия бетона и железобетона [3] - разрушение бетона и железобетона под действием агрессивной внешней среды.

Коррозия приводит к снижению механической прочности оборудования, вызывает прямые потери металла, в результате нарушается герметичность технологических аппаратов [1]. Ущерб, причиняемый коррозией, настолько велик, что превышает во многих странах ассигнования на развитие крупнейших отраслей промышленности. Полагают, что около 10 % массы ежегодного производства чёрных металлов расходуется на возмещение потерь металлов от коррозии [5].

Мерой коррозионной стойкости служит скорость коррозии металла в данной среде и в данных условиях. Процесс коррозии многофакторный, панацеи от всех видов коррозии нет ни у одного металла и сплава. Нет ни одного металла, который обладал бы абсолютной коррозионной стойкостью. Можно говорить лишь о стойкости при данных условиях окружающей среды. Даже, благородные металлы, в том числе платина, не обладают достаточной коррозионной стойкостью [8].

Снижение коррозионных потерь затруднено без учёта множества факторов коррозионного процесса. В области коррозии металлов тесно переплетаются вопросы теории и практики. Разнообразие условий, в которых протекают коррозионные процессы, позволяет сделать вывод [7] о нецелесообразности создания единых, универсальных для всех случаев методов испытаний. Необходимо разрабатывать систему методов исследования и испытаний, позволяющую получать многостороннюю и объективную информацию о коррозии, достаточную для применения имеющихся знаний в области предотвращения коррозии, разработки и реализации адекватных решений по снижению коррозионных потерь.

Слово коррозия произошло от позднелатинского «corrosio» («corrosio» разъедание, от латинского corrode - грызу [3]), что в геологии обозначает такие химические изменения горных пород под влиянием воздуха и воды, которые приводят к образованию трещин, котловин, пещер, к выветриванию - эрозии.

Человек познакомился с таким явлением как коррозия с незапамятных времён, вероятно тогда, когда научился выплавлять из руды железо. Чтобы уберечь металл от порчи люди давно стали покрывать его красками и лаками.

Вопросы противокоррозионной защиты в той или иной степени важны почти для всех отраслей народного хозяйства. Особенное значение имеет борьба с коррозией металлов в химическом аппаратостроении, судостроении, добыче и переработке нефти, коммунальном хозяйстве, авиации, горном деле [4-6].

Применение в промышленности высоких температур и давлений, больших скоростей, весьма агрессивных реагентов часто создаёт для материалов крайне тяжёлые условия эксплуатации. Если со 2-ой половины XIX в. особое значение приобрело учение о механической прочности материалов и конструкций, то в XX в. не меньшее значение получили проблемы коррозионной стойкости машин, аппаратов и сооружений [1].

Учение о коррозии и защите металлов является отраслью прикладной физической химии. Его основы заложены М. В. Ломоносовым [1], который в середине XVIII в. изучал действие кислот на металлы, ясно различая обычное растворение солей в воде от явлений коррозии металлов, открыл пассивное состояние металлов и первый исследовал сущность явлений при окислении металлов. Большое значение для развития теории коррозии металлов имели работы английского учёного М. Фарадея, установившего в 1833-1834 г. г.

основные законы электролиза и предложившего для объяснения пассивности металлов гипотезу тонкой, невидимой защитной плёнки на их поверхности. В 1830 г. швейцарский физико-химик О. де ла Рив на основании опытов по растворению в кислоте чистого и загрязнённого металлическими примесями цинка предложил гипотезу о микрогальванических элементах, согласно которой коррозия металлов идёт за счёт возникновения на поверхности металла в кислоте микроскопических гальванических пар, причём сам металл играет роль анода, а частички примесей - роль катодов гальванических пар. В 70-х гг. XIX в. русский физик Н. П. Слугинов на основе собственных экспериментальных работ и теоретических исследований высказал оригинальные взгляды о природе микрогальванических элементов на поверхности разъедаемого материала. В начале XX в. русский химик В. А. Кистяковский развил теорию защитной окисной плёнки как важного фактора, тормозящего коррозионный процесс.

Начиная с 20-х гг. 20 в. советский химик Н. А. Изгарышев выполнил ряд экспериментальных исследований по коррозии металлов и защитным покрытиям и обобщил сведения по коррозии и пассивности металлов.

Глубокому пониманию процессов коррозии металлов способствовали также работы советского химика Л. В. Писаржевского по электронной теории диссоциации и возникновению тока. Большие экспериментальные исследования по коррозии и защите металлов были проведены Ю. Эвансом в Англии. В непосредственной связи с огромным развитием металлургии, химической промышленности, машиностроения, судостроения в годы первых пятилеток учение о коррозии металлов получило в СССР мощный толчок - были созданы специальные лаборатории в институтах и на заводах, а также кафедры в высших учебных заведениях. Коррозия стала признанной академической дисциплиной. В развитии науки о коррозии и защите металлов большая заслуга принадлежит советскому химику Г. В. Акимову (1901-1953), которым созданы основные направления в современном учении о коррозии металлов, решены многие практически важные задачи защиты металлов и создана школа советских исследователей-коррозионистов.

В технике применяются следующие основные способы борьбы с коррозией металлов: изменение состава технического металла;

защитные покрытия;

изменение состава среды;

электрохимические методы;

конструктивные меры.

Актуальность Коррозия металлов - сложный физико-химический процесс, развивающийся на границе раздела двух фаз: металл - коррозионная среда. Нередко коррозионный процесс связан с несколькими механизмами, вызывающими коррозию: электрохи мическая, химическая и фреттинг - коррозия [5]. Сложность процесса коррозии дополнительно усугубляется большим разнообразием условий коррозионной среды и факторами, вызванными конструктивными и эксплуатационными особенностями промышленного оборудования.

Учитывая выше сказанное, очевидным становится то, что определение параметров процесса промышленной коррозии необходимо проводить прямым методом (например, гравиметрическим), не зависящим от влияющих факторов и механизма протекания коррозии.

Способы и устройства, позволяющие бесконтактную передачу информации от объекта измерения к приёмнику (детектору), без внедрения его в технологическую среду, показали достаточную надёжность при проведении измерений в промышленных условиях. Ядерно-физические методы позволят совместить прямые измерения коррозии и бесконтактную передачу информацию об измеряемой величине.

В результате коррозионного воздействия среды на конструкционные материалы отдельного аппарата или технологической установки, в условиях отсутствия оперативной и достоверной информации о происходящем коррозионном процессе, его количественной стороне и отсутствии адекватной защиты от коррозии, происходит неконтролируемый рост коррозионных потерь выше допустимых значений. Процесс коррозии начинается с незначительных коррозионных поражений, с течением времени увеличиваются коррозионные потери и их скорость, на смену которым приходят значимые коррозионные разрушения, далее процесс приобретает лавинный характер и приводит к авариям и к человеческим жертвам.

Положительные результаты по уменьшению коррозии технологического оборудования могут быть обеспечены расширением применения методов коррозионного контроля.

Защита от коррозионных разрушений - одна из крупных актуальных проблем, значение которой трудно переоценить как в технико-экономическом, экологическом, так и в социальном плане.

Представленная работа является результатом многолетних исследований по недостаточно проработанной и важной с научной и прикладной точек зрения проблеме. Эту проблему можно охарактеризовать, как оценка коррозионных потерь, условий и возможностей их снижения. Коррозионные потери особенно значимы в процессе эксплуатации гидротехнических сооружений, объектов химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Определение параметров процесса промышленной коррозии усугубляется многообразием условий и механизма её протекания. Оперативное решение задач по сохранению ресурса оборудования, защите от разрушения промышленных объектов и уменьшения экологической нагрузки на среду обитания человека требует представительную и достоверную информации о коррозионном процессе в реальном масштабе времени. Развитие и расширение научных знаний по проблеме измерения коррозии в промышленности имеет важное значение: для создания теоретической базы, построения различных измерительных преобразователей и создания вариантов информационно-измерительных систем на их основе.

Исходя из изложенного диссертационное исследование является актуальным.

Степень разработанности темы Разработаны механические методы измерения коррозии, не зависящие от влияющих факторов и механизма её протекания. Эти методы позволяют проводить прямые измерения коррозионных потерь, но они не оперативны (не обнаруживают наличие процесса коррозии). Другие известные методы обладают быстродействием (электрохимические методы), но не отображают реальный коррозионный процесс.

Их зависимость от других факторов не позволяет получать в промышленных условиях достоверную информацию о коррозии. Датчики коррозии не представительны, корреляция между коррозией материала оборудования и коррозией датчика (измерителя коррозии) не всегда корректна.

Известные решения с применением радионуклидов (обеспечена представительность образцами-свидетелями из материала оборудования) из-за несовершенства изготовления датчиков (высокая погрешность преобразования значений измеряемого параметра, снижение чувствительности во времени, недостаточный ресурс и др.) также не нашли широкого применения в промышленности. Низкая точность измерений и недостаточная чувствительность обусловлены неравномерностью распределения, введённого радионуклида, (несовершенство способа введения) в образце-свидетеле, или его малым периодом полураспада.

Известными авторами работ по определению коррозии (Константинов И. О., Малухин В. В., Дембровский М. А., Торопчинов А. Н., Тихонов Г. М., Schaschl E, Litter R. L.) не ставилась задача исследовать механизм преобразования измеряемого параметра в выходную величину, не выявлялись влияющие параметры. Кроме повышения точности и чувствительности, в целях развития синтезированного метода и распространение его на другие виды коррозии, необходимы способы и устройства, расширяющие его возможности.

Цель и задачи исследования Целью исследования является разработка технологии, способов и устройств определения параметров процесса промышленной коррозии с заданными метрологическими характеристиками, и ресурсом первичного измерительного преобразователя, определяемым коррозионной «историей» и соизмеримым с ожидаемым пробегом химико-технологической системы.

Поставленная цель достигается путём решения следующих задач:

Анализ методов и средств определения коррозии и выбор наиболее 1.

приемлемых решений1.

Разработка схемы преобразования значений измеряемого параметра – 2.

значений массы образца-свидетеля (датчика коррозии – первичного измерительного преобразователя) через радионуклидную метку в значения выходной величины;

Исследование механизма и разработка алгоритма преобразования значений 3.

измеряемого параметра в значения выходной величины, проведение метрологических исследований измерительной системы;

Разработка технического решения по введению в материал образца-свидетеля 4.

Со ;

долгоживущего радионуклида Разработка технических решений для уменьшения погрешностей результатов 5.

преобразования значений измеряемого параметра: от изменений элементов измерительной системы, флуктуаций параметров коррозионной среды и геометрического фактора;

Разработка структурно-блочной схемы информационно-измерительной 6.

системы определения параметров процесса промышленной коррозии с измерительным преобразователем на основе ядерно-физических методов;

Изготовление образцов-свидетелей (первичных измерительных 7.

Со преобразователей) с радионуклидом и проведение экспериментальной проверки определения коррозии в промышленных условиях.

Научная новизна работы Синтезирована схема и алгоритм преобразования значений измеряемого 1.

_ Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору Сидельниковой О. П. за творческое руководство (в радиационной части работы) и всестороннюю поддержку в процессе сбора материалов, написании диссертации и подготовки её к защите.

параметра–значений массы образца-свидетеля (датчика коррозии – первичного измерительного преобразователя) через радионуклидную метку в значения выходной величины;

2. Исследован механизм преобразования значений измеряемой величины (в радиационной части измерительной системы) и выявлены влияющие параметры:

период полураспада радионуклида, толщина образца-свидетеля и стенки оборудования, плотность коррозионной среды и толщина её слоя, геометрический фактор (расстояние от образца-свидетеля до детектора) отрицательно влияющие на метрологические характеристики (точность, чувствительность и ресурс) первичного измерительного преобразователя и измерительной системы;

Разработано оригинальное техническое решение-получение радионуклида 3.

Со 60 в материале образца-свидетеля из изотопа Fe, входящего в естественную 27 смесь изотопов железа, составляющих основу материала образцов-свидетелей;

Разработано техническое решение, снижающее влияние, на результаты 4.

преобразования значений измеряемого параметра, от уменьшения толщины образца-свидетеля, стенки оборудования и от флуктуации плотности коррозионной среды, и толщины её слоя;

Разработано техническое решение, снижающее влияние на результаты 5.

преобразования значений измеряемого параметра, от флуктуации геометрического фактора (расстояние от образца-свидетеля до детектора);

В результатах экспериментов определения коррозии в промышленных 6.

условиях по образцам-свидетелям с радионуклидной меткой:

выявлены «залповые» скорости коррозии в технологических установках первичной переработки нефти;

сформулировано новое понятие «Спектр значений скоростей коррозии» и предложен подход к его анализу и обработке.

Теоретическая и практическая значимость работы Выявлена «тонкая структура» (радиационной части измерительной систе мы) механизма преобразования значений измеряемого параметра–значений массы образца-свидетеля через радионуклидную метку в значения выходной величины интенсивность электрических импульсов. Полученные знания позволили разработать подробную схему преобразования значений измеряемого параметра, сформировать алгоритм и структуру информационно-измерительной системы, выявить и исследовать влияющие параметры.

Разработан способ получения образцов-свидетелей (измерительных Со, преобразователей) с радионуклидом генетически связанным с равномерно распределённым (естественным образом в материале образца-свидетеля) Fe, входящем в естественную смесь изотопов железа, составляющих основу материала образцов-свидетелей.

Предложено решение (выбор диапазона амплитудного спектра) для уменьшения погрешности (от флуктуации параметров коррозионной среды) результатов преобразования значений измеряемого параметра в значения выходной величины.

Найдено решение по выбору оптимальной геометрии измерения для минимизации суммарной погрешности от флуктуации геометрического фактора (расстояние от образца-свидетеля до детектора) и статистического разброса числа зарегистрированных импульсов.

Со Изготовлены образцы-свидетели с радионуклидом (полученным из изотопа проведена экспериментальная проверка определения коррозии на Fe ), установке первичной переработки нефти АВТ-4, снижена скорость коррозии более чем в 40 раз. Непрерывный контроль позволил в течение 900 суток поддерживать значение скорости коррозии в технологической установке на уровне 0,06 мм в год.

В процессе проведения экспериментов в промышленности выявлены и измерены «залповые» значения скоростей коррозии, сформулировано понятие «Спектр значений скоростей коррозии» и предложен подход к его анализу и обработке.

Методология и методы исследования Для разработки и развития схемы преобразования значений измеряемого 1.

параметра в значения выходной величины - значений массы образца-свидетеля (датчика коррозии) через радионуклидную метку в значения интенсивности элек трических импульсов применялись методы структурного и системного анализа.

Для разработки технических решений применялись методы: идеализации, 2.

АРИЗ, ТРИЗ, формализации, экспериментальные и метод моделирования.

Для линейной аппроксимации выбранных участков (экспериментальных 3.

точек) и оценки параметров зависимости значений выходной величины от времени, и получения значений скоростей коррозии применяли метод наименьших квадратов.

На защиту выносятся следующие положения Схема, механизм и алгоритм преобразования значений измеряемого пара 1.

метра – значений массы образца-свидетеля (датчика коррозии – первичного измери тельного преобразователя) через радионуклидную метку в значения выходной величины;

Получение в материале образца-свидетеля (первичном измерительном 2.

Со преобразователе) долгоживущего радионуклида из изотопа 26 Fe ;

Выбор измеряемого диапазона энергетического (амплитудного) спектра 3.

гамма-квантов для уменьшения погрешности, результатов преобразования значе ний измеряемого параметра, от уменьшения толщины образца-свидетеля, стенки оборудования и флуктуации плотности и толщины слоя коррозионной среды;

Решение по выбору оптимальной геометрии измерения для минимизации 4.

суммарной погрешности результатов преобразования значений измеряемого параметра от флуктуации геометрического фактора и статистического разброса числа зарегистрированных импульсов выходной величины;

Структурно-блочная схема информационно-измерительной системы 5.

определения параметров процесса промышленной коррозии с измерительным преобразователем на основе ядерно-физических методов;

Результаты коррозионных испытаний в промышленных условиях 6.

(продолжительностью более 3-х лет):

выявлены и измерены «залповые» значения скоростей коррозии;

сформулировано понятие «Спектр значений скоростей коррозии» и предложен подход к его анализу и обработке.

Соответствие паспорту специальности Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)», по п. 6 – «Исследование возможностей и путей совершенствования, существующих и создания новых элементов, частей, образцов информационно-измерительных и управляющих систем, улучшение их технических, эксплуатационных, экономических и эргономических характеристик, разработка новых принципов построения и технических решений».

Степень достоверности и апробация результатов Достоверность результатов определяется сравнением получаемых данных с результатами измерений, полученных гравиметрическим методом измерения коррозии (многократно ранее апробированным) и с результатами, полученными другими авторами. Сопоставлением результатов экспериментов с результатами, полученными расчётным путём. Исследованные механизмы преобразования значений измеряемого параметра в значения выходной величины и механизмы возникновения погрешностей не противоречат физике рассматриваемых процессов.

По разработанному техническому решению изготовлены образцы-свидетели с Со 60 радионуклидом (из и проведены промышленные испытания метода и Fe ) 27 устройств определения коррозии в технологических установках химических и нефтеперерабатывающих производств (на 11 промышленных предприятиях):

Волгоградский НПЗ (установка первичной переработки нефти АВТ-6);

ВПО «Каустик» г. Волгоград (в технологиях производства фреонов, хлора и каустика, хлористого винила);

ПО «Химпром» г. Волгоград (в технологиях производства фреонов, четырёххлористого углерода);

ЗОС г. Волжский (технология производства анилина);

НГДУ г. Жирновск (технология поддержания пластового давления);

завод «Пластмасс» г. Шевченко (технология получения этилбензола, система оборотного водоснабжения);

химзавод г. Первомайск (технология получения жидкого хлора);

НПЗ г. Москва (установка первичной переработки нефти АВТ-3);

НПЗ г. Кстово Нижегородской области (установки первичной переработки нефти АВТ-4, АВТ-5, АТ-6);

В результате проведённых испытаний выявлены условия технологического процесса, контролирующие скорость коррозии, сокращены не только «залповые» скорости коррозии (их значение и продолжительность), но и значительно снижены годовые коррозионные потери.

Подтверждены теоретические расчёты экспериментом. Для проверки гипотез и технических решений применялись экспериментальные методы, для исследования механизма преобразования метод моделирования. Результаты диссертационного исследования докладывались: на научных семинарах на кафедре «Вычислительная техника» ВолгГТУ;

на областных, всесоюзных и всероссийских научно-технических конференциях;

на семинарах и школах по обмену передовым опытом (Волгоград 1977г., 1978г., 1981г., 2007-2013г.г., Черкассы 1978 г., Киев 1988г., Ленинград 1988г.).

Публикации По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе, 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 авторских свидетельств СССР.

Личный вклад автора Автором разработано и исследовано: схема, механизм и алгоритм преоб разования значений измеряемого параметра;

структурно-блочная схема информационно-измерительной системы;

технические решения: по введению в образец-свидетель долгоживущего радионуклида;

для расширения возможностей информационно-измерительной системы;

по уменьшению погрешностей результатов преобразования: выбор оптимального порога интегральной дискриминации амплитудного (энергетического) спектра;

выбор оптимальной -квантов.

геометрии измерения интенсивности Структура диссертации Диссертация изложена на 100 страницах машинописного текста, содержит таблицы, иллюстрирована 26 рисунками. Список использованной литературы содержит 95 отечественных и 5 зарубежных источников. Диссертация состоит из:

оглавления;

введения;

обзора методов и средств измерения коррозии;

анализа проблем промышленной коррозии;

выбора приемлемых решений определения коррозии;

разработка схемы преобразования значений измеряемого параметра;

исследование механизма и разработка алгоритма преобразования значений измеряемого параметра, выявление влияющих параметров, разработка и применение новых технических решений (способов и устройств) для снижения погрешности, повышения чувствительности и для расширения возможностей информационно измерительной системы;

разработка структурно-блочной схемы информационно измерительной системы определения параметров процесса промышленной коррозии с измерительным преобразователем на основе ядерно-физических методов;

экспериментальная проверка технологии измерения коррозии с применением образцов-свидетелей с радионуклидной меткой в промышленных условиях;

выводов, заключения и указателя литературы.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ КОРРОЗИИ Защита от коррозионных разрушений технологического оборудования, сокращение потерь металла от коррозии, снижение вероятности и числа аварий, сокращение незапланированных временных и дорогостоящих остановок в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей и других отраслях промышленности - одна из крупных актуальных современных проблем, значение которой трудно переоценить как в технико-экономическом, экологическом, так и в социальном плане [4].

Коррозия – одно из самых распространённых и губительных явлений в технике. Коррозия является первопричиной не только преждевременного выхода из строя приборов и оборудования, но, как показывает мировой опыт ХХ и начала ХХI века, коррозия - это крупные аварии в разных областях челове ческой деятельности (химическая, нефтегазоперерабатывающая, нефтехимическая, нефтегазодобывающая промышленность, строительная индустрия, авиация, космонавтика и др.).

Значительные коррозионные потери имеют место на предприятиях Российской Федерации, например: ОАО «Московский НПЗ» г. Москва;

ОАО «НОРСИ» г. Кстово;

химзавод г. Уфа;

ОАО «Каустик» г. Волгоград;

ОАО «Лукойл Нефтепереработка»;

ОАО «Химпром» г. Волгоград;

ОАО «Волжский Оргсинтез» г.

Волжский. Другие химические и нефтеперерабатывающие предприятия (несколько десятков предприятий).

Аварии из-за коррозионного разрушения оборудования имели место и в других странах, например на химических заводах в Англии и в Индии (унёсшие многие человеческие жизни).

Поступление коррозионных веществ в окружающую среду (в том числе по причине коррозии оборудования) ведёт к разрушению основных фондов и среды обитания человека.

Успешное решение коррозионной проблемы требует разрабатывать, применять и совершенствовать объективные, с заданными метрологическими характеристиками экспериментальные методы коррозионных исследований, позволяющие оценивать коррозионные параметры, как в лабораторных, так и в промышленных условиях (особенно где имеет место дрейф факторов, определяющих коррозию, увеличивая её значение выше расчётной) и находить оптимальные способы защиты от коррозии, снижения её скорости до экономически разумных пределов.

В соответствии с объектом и способом оценки коррозии, а также измеряемым параметром, методы измерений (лабораторные и промышленные) можно свести к пяти основным группам её определения: визуальные, весовые, электрические, физические и аналитические [4, 6, 7, 10-12]. Все они, однако, встречают серьёзные затруднения при реализации их в промышленности.

Использование одного метода коррозионных измерений недостаточно (особенно при значимых коррозионных проблемах), предпочтительно подвергнуть анализу и испытаниям некоторое число, представляющих интерес методов, из которых затем выбираются два-три наиболее подходящих [4].

В нефтяной и химической промышленности, в результате повышения эффективности отбора и защиты материалов от коррозии, потенциальная экономия может составить более 15 млн. долл., 20 % этой суммы может быть обеспечено в результате расширения применения методов коррозионного контроля [4].

Выбираемый оценочный критерий должен соответствовать ряду требований, в том числе [4, 6 -8]:

отражать реально протекающий коррозионный процесс, не искажаемый измерительной системой (поляризацией и другими воздействиями тока);

основываться или непосредственно зависеть от прямого параметра коррозионного процесса (например, потери массы металла).

Всё это должно сочетаться с требованиями к оптимуму технологических и эконо мических характеристик измерительного процесса в промышленных условиях [4].

Получать информацию о происходящем коррозионном процессе в промышленных условиях необходимо не только с достаточной частотой, но и с заданной точностью, и измерять непосредственно прямые потери металла, из которого изготовлено оборудование. При этом нежелательно исключать значимые параметры коррозионного процесса.

Представляется интересным воспользоваться достоинствами весового метода. Например, при коррозионных испытаниях образцов-свидетелей представляется возможным использовать материал аналогичный материалу оборудования, тем самым, приближая условия испытания к реальным. При этом получаемая информация о коррозии будет зафиксирована в виде прямых потерь (прямые измерения коррозии). Для устранения недостатков весового метода представляется возможным применить современные способы и устройства преобразования, обработки, передачи и отображения информации. Ниже рассмотрены достоинства, возможности и ограничения существующих методов (Таблица 1.1).

Таблица 1. Методы коррозионных испытаний №№ Метод Область Положительные Отрицательные п.п. применения показатели показатели метода метода 1 2 3 4 Визуальный Лабораторные, Простота Малопроизводи метод полевые и телен, не даёт эксплуатацион- количественную ные испытания оценку, имеет погрешности субъективного характера Весовой Лабораторные, Простота, прямые Высокая трудоём гравиметриче полевые и измерения кость, для полу ский эксплуатацион- коррозии чения кинетики ные испытания процесса необхо димо испытывать большое число образцов Продолжение табл. 1. 1 2 3 4 Регистрирующие Лабораторные, Достоверность Малопроизводи (контрольные) полевые и результатов телен отверстия эксплуатаци онные испы тания Натурные Лабораторные, Достоверность Малопроизводи испытания полевые и результатов телен, высокая эксплуатаци- стоимость онные испы- испытаний тания Электрохимичес- Лабораторные Ускоренные Не всегда суще кие методы и полевые коррозионные ствует одно испытания измерения значная связь между электро химическими характеристика ми и коррозион ным процессом.

Показания зави сят от состава и свойств среды Электрические Лабораторные Кинетику про- Погрешности, методы (измере- и полевые цесса можно вызванные из ние коррозии по испытания получить от менением элек изменению оми- одного образца. тропроводности ческого сопротив- Удаление про- среды. Ограни ления образца) дуктов коррозии ченный срок необязательно службы датчика коррозии Электромагнит- Лабораторные, Отсутствие не- Требуют слож ные методы полевые и обходимости в ное радиотех эксплуатаци- использовании ническое обору онные испы- специальных об- дование и про тания разцов. Контроль ведение специи толщины стенок альных иссле при наличии дований.

неметаллических покрытий.

Ультразвуковые Лабораторные, Не требуют Затруднено по методы полевые, экс- специальных лучение кинети плуатационны образцов. ки.

е испытания Продолжение табл. 1. 1 2 3 4 Методы с Лабораторные, Высокая чувст- Погрешности, применением полевые и экс- виительность в вызванные на радионуклидов плуатационные лабораторных коплением отло испытания испытаниях. жений и продук Бесконтактный, тов коррозии на дистанционный поверхности контроль в про- образца.

мышленных ус ловиях. Конт роль в трудно доступных мес тах. Прямые измерения коррозии.

1.1 Основные механические методы контроля коррозии Широко известны [4, 5-8, 11-13] тривиальные методы исследования коррозии металлов и сплавов - визуальный, весовой (гравиметрический) и метод натурных испытаний. При реализации в промышленных условиях они оказываются малоэффективными, хотя и обладают таким достоинством как наглядность и возможность прямых измерений.

Электрохимические методы определения коррозии 1. Большинство коррозионных процессов имеет электрохимическую природу, этим можно объяснить появление электрохимических методов [4, 7, 11, 16 - 20]:

метод измерения электродных потенциалов;

метод поляризационных кривых;

метод поляризационного сопротивления.

Эти методы позволяют получать информацию о коррозионном процессе измеряя электрические параметры электродов, помещённых в коррозионную среду.

Электрические методы регистрации коррозии 1. В процессе коррозии происходят количественные изменения корроди рующего материала. В результате коррозионного воздействия среды на поверхность изделия, его узла или специального образца, происходит растворение материала, из которого это изделие изготовлено, уменьшается его поперечное сечение и, соответственно, как следствие коррозии, увеличивается омическое сопротивление [4, 10]. Измеряя последнее, можно получать информацию о коррозии.

К электрическим методам регистрации коррозии относятся:

метод измерения коррозии по изменению омического сопротивления образца или конструкции к постоянному току или току низкой частоты;

метод измерения коррозии по изменению поверхностного сопротивления образца переменному току высокой частоты.

Указанные методы применяются для проведения лабораторных и полевых испытаний. Кинетику процесса можно получить от одного образца.

Удаление продуктов коррозии в данном методе необязательно. В электропроводных средах метод имеет погрешности, вызванные изменением электропроводности коррозионной среды. Ограниченный срок службы в случае применения образцов в виде проволоки.

Электромагнитные методы 1. К электромагнитным методам измерения коррозии относятся методы, в которых использованы [4, 6, 21, 23 - 25]:

результаты изменений сопротивления образца магнитному потоку, изменений плотности магнитного потока;

явление вихревых токов;

измерение затухания СВЧ электромагнитного поля.

Ультразвуковые методы контроля коррозии 1. Ультразвуковые методы измерения параметров коррозии [26-29] мож но подразделить на:

метод измерения по затуханию или рассеянию поверхностных звуковых волн;

метод сквозного прозвучивания и отражения звуковых волн;

резонансный ультразвуковой метод;

ультразвуковой метод с интроскопией.

Ультразвуковые методы применяют для измерения остаточной толщины стенок технологического оборудования (в химической, нефтеперерабатывающей промышленности и в других отраслях), корпусов танкеров и судов, позволяет проводить измерения при одностороннем доступе к оборудованию. Кроме того, метод применяют для выявления скрытых дефектов (раковин, трещин и др.).

В заводских условиях возникает проблема обеспечения плотного контакта датчика с металлом стенки оборудования, что приводит к спорным и не точным результатам [4]. Перед измерениями важна подготовка поверхности оборудования. При высоких температурах стенок оборудования используют специальные датчики.

Ядерно – физические методы 1. Открытие явления радиоактивности нашло применение в различных сферах человеческой деятельности [31- 36, 98, 99], в том числе в коррозионной науке, исследованиях и практическом применении радионуклидных меток («меченых» атомов), источников ионизирующих излучений и регистрации различных видов излучений и их энергетических спектров.

Наряду с другими сферами человеческой деятельности такими, как:

медицина, сельское хозяйство, строительные материалы, химия, приборостроение, металлургия, машиностроение и др. [6, явление 9, 33, 35-48, 98, 99] радиоактивности нашло значительное применение и при исследовании коррозии, где получили развитие методы с применением радионуклидов и источников ионизирующего излучения, в которых используются:

убывание интенсивности гамма-излучения образца изделия в процессе коррозии [7, 37-41, 56-58];

возрастание удельной активности радиоактивных продуктов коррозии в среде [6, 10, 33, 38, 42-45];

накопление радиоактивного изотопа коррозионного агента на поверхности исследуемого образца [33, 35, 46];

ослабление и рассеяние образцом (изделием) проникающего гамма – излучения [33, 47];

эффект Мёссбауэра [49, 50].

Идея использования радионуклидов для количественного определения вещества, переходящего из одной фазы в другую, была выдвинута Hevesy G. при определении растворимости труднорастворимых солей [34, 51]. В исследованиях кинетики растворения металлов в сочетании с электрохимическими измерениями радионуклиды нашли применение в работах [10, 41-46], проводимых в НИФХИ им.

Л. Я. Карпова [6, 10].

Методы с применением радионуклидов оказываются удобными при необходимости длительных автоматических измерений, при изучении кинетики растворения металлов в коррозионных средах (в том числе селективного растворения), роста окисных и защитных ингибиторных плёнок на поверхности металла [41]. Принцип заключается в применении меченых соединений различных компонентов коррозионной среды, которые в дальнейшем участвуют в образовании на поверхности металла окисных и защитных плёнок совместно с радиоактивной меткой, позволяющей их идентифицировать.

Протекание коррозионного процесса связано с переходом частиц материала (в данном случае металла) через границу фаз, вследствие чего продукты реакции всегда оказываются в иной фазе, нежели исходное вещество (металл). Принцип заключается в предварительном введении радиоактивной метки в исследуемый образец. Далее образец помещают в коррозионную (исследуемую) среду и подвергают испытанию, в процессе которого измеряют уровень радиоактивности среды. По скорости накопления радиоактивности в коррозионной среде судят о парциальной скорости растворения меченого компонента образца. При исследовании коррозионного поведения образцов сложного химического состава вводят в них не одну, а несколько меток радиоизотопов присутствующих элементов [41].

Убывание интенсивности ионизирующего излучения образца в 1.6. процессе коррозии Метод применяется при измерении излучения непосредственно от корродирующего образца с предварительно введённой в него радиоактивной меткой, получают информацию о свойствах коррозионной среды и (или) материала образца.

Для контроля коррозии наземного оборудования (трубопроводов и аппаратов) применяли зонды (Рисунок 1.1) с радиоактивным покрытием [38, 42].

Для измерения уровня излучения от корродирующего радиоактивного покрытия зонда применяли соответствующие детекторы, например счётчики Гейгера Мюллера. В процессе коррозии или эрозии покрытия зонда происходит потеря его массы, соответственно снижается уровень излучения, что и фиксирует детектор.

Рисунок 1.1-Различные модификации зондов: 1-радиоактивное вещество;

2 корпус зонда;

3-детектор;

4-стенка оборудования.

Авторами [40] предложен дистанционный радиометрический способ контроля коррозии химико-технологического оборудования, состоящий в активации контролируемых участков (аппаратов и трубопроводов) ускоренными заряженными частицами, дистанционном измерении убыли - активности в процессе коррозии материала (Рисунок 1.2) и сопоставлении полученных результатов с кривой распределения активности по глубине испытуемого образца (Рисунок 1.3). Метод радиационно-безопасен и опробован на действующем оборудовании северодонецкого производственного объединения «Азот» [40].

Результаты подтверждают его применимость и перспективность, в частности, для химической промышленности [39, 40, 52, 56-58]. Метод разработан в Физико – энергетическом институте, г. Обнинск.

Возрастание удельной активности радиоактивных 1.6. продуктов коррозии в среде Авторами в работе [41] рассмотрен радиометрический метод (РМ) исследования коррозионных процессов, где показаны общие принципы применения РМ в коррозионных исследованиях, его возможности и ограничения. Приведены примеры конкретных исследований, иллюстрирующих РМ. Показано использова Рисунок 1.2-Схема измерения: Рисунок 1.3-Тарировочные кривые для 1- радиоактивная метка на внутренней определения коррозии:

поверхности труб;

2 - детектор - излучения алюминия (1) и стали (2) по убыли относительной активности ние радионуклидов в исследовании некоторых явлений в коррозии, определяющих её кинетику и механизм. Авторами сформулированы основные преимущества метода РМ при изучении коррозионных процессов.

Накопление радиоактивного изотопа коррозионного агента из среды 1.6. на поверхности образца Эффективность различных замедлителей коррозии исследовали в ВНИИЖТ по осаждению карбоната кальция СаСО 3 на стальных образцах размером 30 х 15 х 2 мм [36]. В предварительных исследованиях было установлено то, что скорость осаждения карбоната кальция СаСО 3 находится в прямой зависимости от интенсивности коррозионного процесса. Для контроля скорости осаждения карбоната кальция СаСО 3 на стальных образцах, в коррозионную среду добавляли радионуклид Са-45 в виде раствора СаСl 2.

Активность (количество) карбоната кальция СаСО 3, осаждённого на стальных образцах, измеряли торцовым счётчиком типа МСТ-17 и радиометрическим прибором.

Ослабление и рассеяние образцом (изделием) проникающего 1.6. гамма – излучения Измеряя ослабление и рассеяние образцом (изделием) проникающего гамма – излучения определяют толщину стенок трубопроводов и ёмкостей переносным - толщиномером, например ТОР-3. Так, как плотность потока квантов обратно-рассеяного излучения пропорциональна толщине измеряемого материала, то значение сигнала от детектора, измеряемого вторичным прибором, также пропорциональна этой толщине. - толщиномер, например, ТОР-3 удобен для периодических измерений толщины стенок оборудования и трубопроводов.

Эффект Мёссбауэра (открытый в 1958 немецким физиком 1.6. Р. Мёссбауэром) Ядерный гамма-резонанс (ЯГР), - испускание и поглощение квантов ядрами атомов, связанными в твёрдом теле, при которых практически нет расхода энергии на «отдачу» ядра.

Энергия возбужденного атома или ядра при испускании кванта передается ему не полностью: часть ее тратится на отдачу, т. е. переходит в кинетическую энергию движения атома (или ядра). Это следствие закона сохранения количества движения.

Спектральные линии упругого испускания и поглощения -лучей чрезвычайно узки (10–5–10–10 эВ). Это обстоятельство позволяет использовать эффект Мёссбауэра для измерения малых сдвигов энергии (частоты) -квантов, вызванных теми или иными воздействиями на ядро [49]. В работе [50] использовали эффект Мессбауэра при изучении процессов коррозии.

1.7. Прочие методы определения коррозии Используются методы, в основе которых лежит регистрация инфракрасного излучения, определение количества выделяющегося водорода или поглощённого кислорода [4, 6, 8, 13].

Приборы, регистрирующие инфракрасное излучение, позволяют опре-делить участки оборудования и трубопроводов подверженные коррозии. «Горячие места»

указывают на утончение стенок технологического оборудования [4].

Методы определения количества выделяющегося водорода или по поглощению кислорода [4, 6, 8, 13] применяют в лабораторных условиях при ограниченных объёмах среды и отсутствии быстрого связывания или растворения указанных газов.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ ПО ГЛАВЕ Рассмотрены известные методы и средства контроля и испытаний коррозии 1.

(визуальный, весовой гравиметрический, контрольно-регистрирующий, натурные испытания, электрохимический, электрический, электромагнитный, ультразвуковой, и методы с применением радионуклидов и др.), позволяющие регистрировать и фиксировать коррозионные потери и коррозионные параметры.

Одни из указанных методов, хотя и обладают достоинством прямого измерения коррозионных потерь (механические методы), не оперативны, что увеличивает временной интервал регистрации и не позволяет своевременно принять соответствующие меры, снижающие коррозионные потери.

Другие известные методы, хотя и обладают быстродействием (электрохимические методы), но их зависимость от других факторов не позволяет получать в промышленных условиях достоверную информацию о коррозии, и её скорости. Известные решения с применением радионуклидов (зарекомендовавшие себя в лабораторных условиях) из-за несовершенства применяемых датчиков (высокая погрешность, снижение чувствительности во времени, недостаточный ресурс), также не нашли широкого применения в промышленности. Низкие значения метрологических параметров обусловлены неравномерностью распределения (в образце-свидетеле) введённого радионуклида или его малым периодом полураспада.

Отсутствие эффективного способа регистрации, безотказно и с 2.

достаточной точностью, позволяющего проводить коррозионные измерения в промышленности, отслеживая как, короткие «залповые» (от нескольких минут до часа) значения скорости коррозии, так и продолжительные (от нескольких часов до суток), не создаёт условий, не только безаварийного использования в полной мере возможностей технологического оборудования, но и сохранение его ресурса, особенно когда переработки подвергаются высококоррозионные и токсичные технологические среды.

Коррозию, имеющую значение выше допустимого (отдельно, для каждого 3.

конкретного оборудования или прибора) необходимо контролировать, измеряя непродолжительные по времени, на первый взгляд, «незначимые» скорости кор розии. При наборе их некоторого числа, повышается вероятность и создаются предпосылки для появления более высоких и продолжительных значений скорости коррозии и так далее, нарастающими темпами к серьёзной и необратимой аварийной ситуации.


Выбирая способы и устройства, и разрабатывая новые, следует 4.

прогнозировать их метрологические возможности с учётом условий коррозионного процесса, которые в дальнейшем могут повлиять на качество получаемой информации, и её пригодность для дальнейшего использования.

Достоверную информацию о параметрах процесса промышленной коррозии 5.

необходимо получать гравиметрическим методом, не зависящим от влияющих факторов и механизма её протекания. Проводить (традиционно) непрерывные прецизионные измерения, с извлечением образца-свидетеля из технологического оборудования обеспечивая необходимую статистику, затруднено.

Для реализации положительных возможностей гравиметрического метода и 6.

проведения непрерывных прецизионных измерений дополнить его достоинствами ядерно-физического метода, позволяющего бесконтактно и непрерывно передавать информацию от объекта измерения к детектору.

Равномерное распределение радионуклида в образце-свидетеле и его 7.

представительность обеспечиваются изготовлением (известным способом) его из материала оборудования, и облучением в потоке нейтронов. При облучении нейтронами сталей на основе железа в материале образца-свидетеля образуется Fe (n, 59 58 58 радионуклид из изотопа по реакции Fe Fe ) 26 Fe.

26 26 2 РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЗНАЧЕНИЙ ИЗМЕРЯЕМОГО ПАРАМЕТРА-ЗНАЧЕНИЙ МАССЫ ОБРАЗЦА-СВИДЕТЕЛЯ (ДАТЧИКА КОРРОЗИИ-ПЕРВИЧНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ) ЧЕРЕЗ РАДИОНУКЛИДНУЮ МЕТКУ В ЗНАЧЕНИЯ ВЫХОДНОЙ ВЕЛИЧИНЫ 2.1 Технология определения коррозии в промышленных условиях с применением образцов-свидетелей, содержащих радионуклидную метку Для определения коррозии материала оборудования в технологических средах, применяют образцы–свидетели, изготовленные из материала аппаратов или трубопроводов технологической установки, с предварительно введённым радионуклидом Fe.

Образцы-свидетели (после введения в них заданного количества радионуклида) известной массы m(обр.св.) (взвешенные с заданной точностью m(обр.св.) ) помещают в коррозионную среду в выбранные места технологической установки.

-квантов (интенсивности Измерение текущего значения плотности потока выходной величины I (t ) ), отображающего текущее значение измеряемого параметра (массы образца-свидетеля, проводят радиометром, [m(обр.св.) m(обр.св.)]F ( x, t ) детектор 2, которого, установлен на наружной стенке 4 технологического аппарата или трубопровода (Рисунок 2.1).

Рисунок 2.1- Установка образца-свидетеля (содержащего радионуклиды) в трубопровод через специальное шлюзовое устройство:1-образец-свидетель содержащий радионуклиды;

2-детектор гамма-излучения;

3-шток для крепления образца-свидетеля;

4-технологический трубопровод;

5 задвижка;

6-уплотнение сальниковое.

Образец – свидетель 1 является первичным измерительным преобразова телем, значение массы его материала преобразуется в значение активности радионуклидов, распределённых в нём.

Передача от образца-свидетеля 1, установленного в коррозионной среде (в аппарате или трубопроводе технологической установки), значений измеряемого параметра, отображённых в результате последовательных преобразований в нем, -квантов) к сцинтилляционному осуществляется дистанционно (потоком детектору 2.

2.2 Последовательность преобразований значений измеряемого параметра в значения выходной величины Рассмотрим последовательность преобразований значения измеряемого параметра в значение выходной величины (Рисунок 2):

Измеряемый параметр – значение массы m(обр.св.) образца-свидетеля из 1.

материала известного химического состава (например, сталь 20) преобразуется через концентрацию К1 (долю железа ( 55,847Fe ) в образце-свидетеле) в значение массы химического элемента естественной смеси изотопов железа m( 55,847Fe) 54 56 57 ( 26 Fe(5,8%), 26 Fe(91,6%), 26 Fe(2, 2%), 26 Fe(0,34%) [76]);

Значение массы химического элемента m( 55,847Fe) преобразуется через 2. концентрацию К 2 (долю изотопа Fe в естественной смеси изотопов железа) в значение массы атомов изотопа m( 26 Fe) ;

3. Значение массы атомов изотопа m( 26 Fe) преобразуется через число Авогадро N 0 в число атомов изотопа N ( 26 Fe) ;

Часть атомов изотопа N ( 26 Fe) преобразуется, через эффект активации 4.

его ядер тепловыми нейтронами, в число ядер (атомов) радионуклида N ( 26 Fe) ;

Число ядер радионуклида N ( 26 Fe) преобразуется, через постоянную 5.

распада, в значение активности a(Бк ) ядер радионуклида N ( 26 Fe) образца свидетеля;

m(обр.св.) m(Fe) m(Fe-58) N(Fe-58) N(Fe-59) МУ К1 К2 N0 / б(акт)Ф{1-exp(-0,693*t/T1/2)} A (г-атFe-58) Ф=1013 н/см2*с ЭК кс кс кс 0,693/T1/2)} ТН В(Е, z,µ,р,d)*ехр(-µрd) кс Б 1/4R dhe n= Р ГМ кс П кс (c-1 *см-2) 2(c-1 ) 1(c-1 ) (Бк) Nс(имп) И к ГТ kПС с б(t)= бi- (tg)t, m0/I0, kПСФ кс m(t)= mi- (tg)t б0, /I ТУ kУФ d К(1, 1/2), S I(t) m(t) кс (c-1) б(t) NФЭ NЭ NI NV NVD tg=б/t, tg=m/t кс Рисунок 2-Структурная схема преобразования измеряемого параметра в выходную величину 6. Значение активности a(Бк ) ядер радионуклида N ( 26 Fe), образца свидетеля, преобразуется, через квантовый выход n, в значение первичного потока 1 (с 1 ) -квантов;

-квантов, в результате 1 (с 1 ) 7. Значение первичного потока взаимодействия его с материалом образца-свидетеля, веществом технологической среды и стенкой технологического оборудования (через фотоэффект, Комптон эффект и эффект образования пар) преобразуется в значение вторичного потока -квантов;

2 (с 1 ) -квантов, через геометрический Значение вторичного потока 2 (с 1 ) 8.

фактор (расстояние R от образца-свидетеля до детектора), преобразуется в значение -квантов;

плотности потока (с 1 * см 2 ) -квантов, в результате Значение плотности потока (с 1 * см 2 ) 9.

взаимодействия с веществом сцинтиллятора, преобразуется в значение последовательности N c (имп) световых импульсов (сцинтилляций);

Значение последовательности световых импульсов 10. N c (имп) преобразуется в фотоумножителе (через коэффициент передачи k ПС и коэффициент преобразования k ПСФ ) в значение последовательности фотоэлектронов N ФЭ (первичный электронный импульс);

11. Значение последовательности N ФЭ фотоэлектронов (через коэффициент усиления kУФ фотоумножителя) преобразуется в значение последовательности N Э потоков электронов;

Значение последовательности N Э потоков электронов преобразуется в 12.

значение последовательности N i токовых импульсов;

Значение последовательности N i токовых импульсов преобразуется в 13.

значение последовательности N V импульсов напряжения (амплитудный спектр импульсов);

14. Значение последовательности N V импульсов напряжения (амплитудный спектр импульсов) преобразуется в значение последовательности N VD, выделенного диапазона амплитудного спектра;

Значение последовательности N VD, выделенного диапазона 15.

амплитудного спектра (через постоянную времени ), преобразуется в значения её интенсивностей I (t )(c 1 ) ;

16. Значения интенсивностей I (t )(c 1 ) импульсов напряжения, выделенного диапазона амплитудного спектра (последовательности N VD ), преобразуются, через m0 б градуировочный коэффициент,, в значения измеряемого параметра m(t ), б (t ) ;

I0 I Текущие значения m(t ), б (t ), измеряемого параметра преобразуются 17.

(через линейную аппроксимацию выбранных участков экспериментальной зависимости измеряемого параметра от времени) в значения скорости коррозии m б tg, tg ;

t t m б Значения скорости коррозии tg, tg и другие параметры 18.

t t процесса коррозии передаются на различные уровни;

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ГЛАВЕ Разработана схема преобразования значений измеряемого параметра – 1.

значений массы образца-свидетеля (датчика коррозии – первичного измерительного преобразователя) через радионуклидную метку в значения выходной величины;

Проведён анализ последовательности преобразований значений 2.

измеряемого параметра в значения выходной величины.

3 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЗНАЧЕНИЙ ИЗМЕРЯЕМОГО ПАРАМЕТРА В ЗНАЧЕНИЯ ВЫХОДНОЙ ВЕЛИЧИНЫ, ПРОВЕДЕНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 3.1 Преобразования массы Измеряемый параметр – значение массы m(обр.св.) образца-свидетеля (с 1.

погрешностью взвешивания m1 (обр.св.) ) из материала известного химического состава (например, сталь 20) преобразуется через концентрацию К1 (долю железа в образце-свидетеле) в значение массы химического элемента Fe - естественную 55, смесь изотопов железа: 26 Fe(5,8%), 26 Fe(91,6%), 26 Fe(2, 2%), 26 Fe(0,34%) [76].

54 56 57 Покажем баланс масс химических элементов в образце-свидетеле, m(обр.св.) m(обр.св.) [m( 26 Fe) m( 26 Fe) m( 26 Fe) m( 26 Fe)] m( 55,847Fe) 54 56 57 (m( хэ) m( хэ)) (m( AX ) m( AX ))], (3.1) где m(хэ) - значение массы остальных (определяемых: С;

Si;

Mn;

Cr;

S;

P;

Cu;

Ni;

As;

) химических элементов в образце-свидетеле из материала сталь 20;

m( AX ) - значение массы примесей, следовые количества которых находятся ниже уровня чувствительности метода их определения.

Погрешность взвешивания образца-свидетеля m(обр.св.) участвует в формировании общей погрешности информационно-измерительной системы.

Погрешности, полученные через преобразование погрешности взвешивания в погрешности значений величин, полученных преобразованием значения измеряемого параметра, в формировании общей погрешности информационно измерительной системы не участвуют.

Значение массы химического элемента Fe известного изотопного 55, 2. состава преобразуется, через концентрацию К 2 в значение массы атомов изотопа Fe, входящего в естественную смесь атомов химического элемента 58 55, Fe, 26 m(обр.св.) m(обр.св.) [m( 26 Fe) m( 26 Fe)] [(m( 26 Fe) m( 26 Fe)) (m( 26 Fe) m( 26 Fe)) 58 58 54 54 56 (m( 26 Fe) m( 26 Fe)) (m( хэ) m( хэ)) (m( AX ) m( AX ))].


57 (3.2) 3.2 Ядерные преобразования Значение массы атомов изотопа преобразуется через число 1. Fe Авогадро N 0 в число атомов N изотопа Fe, N [m(обр.св.) m(обр.св.)] * К1 * К 2 * N ( 26 Fe) N m ( 26 Fe), 58 (3.3) A( г am 26 F ) где N m ( 26 Fe) - погрешность, преобразованная от m(обр.св.).

Часть атомов изотопа Fe преобразуется, через эффект активации его 2. ядер (захват ядром Fe одного нейтрона по реакции Fe (n, ) 26 Fe ) тепловыми 58 26 нейтронами, в число ядер (атомов) N радионуклида Fe с периодом полураспада T1/ 2 46,5суток и квантовым выходом n 1, N * [ 1 (акт.) * Ф1{1 ехр (1t1 (акт.))}] [m(обр.св.) m(обр.св.)] * К1 * К 2 * A( г am 26 F ) N ( 26 Fe) N m ( 59 Fe), (3.4) баланс ядер в процессе их преобразования N ( 26 Fe) N ( 59 Fe) N НА ( 26 Fe), 58 (3.5) где Ф1 - плотность потока тепловых нейтронов, 1,2 *1013 н * см 2 с 1 ;

N НА ( 26 Fe) оставшиеся ядра в материале образца-свидетеля, не активированные Fe нейтронами.

Число ядер N радионуклида Fe в момент времени t 0 (момент окончания активации) отображает значение измеряемого параметра – значение массы m(обр.св.) m(обр.св.) образца-свидетеля. С течением времени от t 0 до t i, в результате радиоактивного распада, число ядер уменьшается на величину N ( 26 Fe) N t ( 59 Fe) N ( 59 Fe) N ( 59 Fe) exp(1t ), тогда 26 26 N * [ 1 (акт.) * Ф1{1 ехр (1t1 (акт.))}] * [m(обр.св.) m(обр.св.)] * К1 * К 2 * A( г am 26 Fe) * exp(1t ) [ N ( 26 Fe) N t ( 59 Fe)] N m ( 59 Fe), где (3.6) 26 [ N ( 26 Fe) N t ( 59 Fe)] * ( m(обр.св.)) N m ( 59 Fe).

m(обр.св.) Баланс ядер N ( 26 Fe) N t ( 59 Fe) N НА ( 26 Fe) N t ( 27 Co), 58 58 (3.7) где ядер (на момент времени t i ) после N t ( 59 Fe) [ N ( 26 Fe) N t ( 59 Fe)] -число 26 частичного распада имеющегося (на момент времени t 0 ) числа ядер N ( 26 Fe) ;

N t ( 27 Co) N t ( 59 Fe) - число ядер изотопа Co, образовавшегося в результате 59 26 распада числа ядер N радионуклида Fe.

Уменьшение числа ядер за счёт их распада не отображает значения измеряемо-го параметра, вызывает (увеличивающуюся с течением времени) погрешность результата преобразования измеряемого параметра N t ( 26 Fe) (значение выходной величины).

Уменьшение числа радиоактивных ядер с течением времени (радиоактив -квантов ) образца-свидетеля, в ный распад) снижает активность (поток результате снижается интенсивность выходной величины Снижение I (t ) ).

интенсивности I (t ) во времени повышает её погрешность, 1 (3.8) I exp(t ), снижает чувствительность первичного измерительного преобразователя (ПИП), информационно-измерительной системы (ИИС) (Рисунок 3.1), d d (3.9) exp(t ) S f (t ) dm dm и ресурс образца-свидетеля определяемый чувствительностью и погрешностью.

Сo и Рисунок 3.1- Зависимость погрешности и чувствительности ПИП (с радионуклидами 60 Fe ) 27 от продолжительности коррозионных испытаний Период полураспада ( Т 1 / 2 ) радионуклида, входящий в постоянную распада, совместно с фактором времени t определяют влияющий параметр ВП1, который снижает (во времени) метрологические характеристики первичного изме-рительного преобразователя и информационно-измерительной системы (ИИС).

Погрешность N t ( 59 Fe) (после введения поправок: на разрешающее время, значения фона и темнового тока) можно учесть, введением поправки exp(1t ) в значения выходной величины -интенсивности I (t ).

По причине радиоактивного распада радионуклида Fe чувствительность первичного измерительного преобразователя (ПИП) (образец-свидетель с радионуклидом Fe ) за 154 дня снижается в 10 раз, а погрешность N t ( 26 Fe) возрастает в 10 раз за 309 суток.

Очевидно то, что недостаточный периодом полураспада радионуклида Fe ( T1 / 2 46,5сут. ) не позволяет иметь заданные метрологические параметры ПИП и ИИС для определения коррозии в течение всего пробега технологической установки (от 1 до 3 лет).

Разработка технического решения по введению 3. в материал образца-свидетеля долгоживущего радионуклида Со ;

Для введения в материал образца-свидетеля радионуклида с достаточным периодом полураспада и равномерно распределённым в нём разработано техническое решение [82] и защищено Авт. св. СССР № 1603261, заключающееся в преобразовании ядер изотопа в ядра радионуклида с периодом 58 Fe Co 26 полураспада T1/ 2 1924сут. и квантовым выходом n 1,1Мэв(56%) Fe(n, ) 26 Fe 26 Fe(T1/2 46,5сут) 27 Co 58 59 59 1, 29Мэв(44%) 1,17 Мэв(99,9%) (3.10) 27 Co(n, ) 27 Co 27 Co(T1/ 2 1924сут) 28 Ni 59 60 60 1,33Мэв(100%) Значительный период полураспада радионуклида Co и высокий квантовый выход позволят проводить измерения с заданной точностью, повышенными значениями чувствительности и ресурса (до 10 лет) образца-свидетеля.

Для реализации разработанного технического решения и получения в материале образца-свидетеля радионуклида Co проводят преобразования в стадии.

Образец-свидетель, содержащий изотоп Fe, активируют в потоке 1. тепловых нейтронов ( Ф2 1,2 *1015 н * см 2 с 1 ) до преобразования части ядер изотопа Fe (за время активации t2 ) в ядра радионуклида 58 Fe, 26 N * [ 1 (акт.) * Ф2 {1 ехр (1t 2 (акт.))}] [m(обр.св.) m(обр.св.)] * К1 * К 2 * A( г am 26 F ) N н ( 26 Fe) N н ( 59 Fe).

59 m (3.11) N ( 26 Fe) N н ( 59 Fe) N НА ( 26 Fe).

58 (3.12) После получения (за время активации t2 ) необходимого (в образце 2.

свидетеле) числа ядер радионуклида проводим его выдержку до Fe Nн преобразования (за время выдержки t (пр.) ) радионуклида Fe в стабильные ядра изотопа 27 Co ). По мере выдержки (в результате радиоактивного распада) число ядер Fe преобразуется (через постоянную распада 1 и время t (пр.) ) в N н радионуклида число ядер стабильного изотопа Co, N * [ 1 (акт.) * Ф2 {1 ехр (1t 2 (акт.))}] * [m(обр.св.) m(обр.св.)] * К1 * К 2 * A( г am 26 F ) *{1 exp( 1t (пр.))} N ( 27 Co) N m ( 59 Co), (3.13) N ( 26 Fe) N ( 27 Со) N НА ( 26 Fe) N н ( 59 Fe), ос 58 59 (3.14) где N нос ( 26 Fe) - остаточные ядра железа Fe после выдержки образца-свидетеля 59 (радиоактивного распада на момент времени t (пр.) ).

После получения (в результате радиоактивного распада) необходимого 3.

(в образце-свидетеле) числа ядер стабильного изотопа Со, образец-свидетель, содержащий изотоп Со, активируют в потоке ( Ф2 1,2 *1015 н * см 2 с 1 ) тепловых нейтронов до преобразования 27 Со (за время активации t 3 ) в радионуклид 27 Со.

59 Co (в процессе повторной активации по Часть ядер стабильного изотопа Со(n, ) 27 Со ) преобразуется в ядра радионуклида реакции с периодом Со 59 60 27 полураспада T1/ 2 1924сут. и квантовым выходом n 2, N * [ 1 (акт.) * Ф2 {1 ехр (1t 2 (акт.))}] * [m(обр.св.) m(обр.св.)] * К1 * К 2 * A( г am 26 F ) *{1 exp( 1t (пр.))} * [ 2 (акт.) * Ф2 {1 ехр (2 t 3 (акт.))}] N ( 27 Co) N m ( 60 Co), (3.15) N ( 26 Fe) N ( 27 Со) N НА ( 26 Fe) N н ( 59 Fe) N НА ( 27 Со), ос 58 60 58 (3.16) где N ( 27 Co) - число ядер отображает массу m(обр.св.), а погрешность N m ( 27 Co) отображает погрешность взвешивания образца-свидетеля m(обр.св.) ;

N НА ( 27 Со) - оставшиеся ядра Со в материале образца-свидетеля, не активированные 59 нейтронами.

С течением времени от t 0 доt i, в результате радиоактивного распада, число ядер N ( 27 Со) уменьшается на величину N t ( 60 Со) N ( 60 Со) N ( 60 Со) exp( 2 t ), 27 27 N * [ 1 (акт.) * Ф2 {1 ехр (1t 2 (акт.))}] * [m(обр.св.) m(обр.св.)] * К1 * К 2 * A( г am 26 F ) (3.17) *{1 exp( 1 t (пр.))} * [ 2 (акт.) * Ф2 {1 ехр (2 t 3 (акт.))}] * exp( 2 t ) [ N ( 27 Co) N t ( 60 Co)] N m ( 60 Co).

27 Баланс ядер, N ( 26 Fe) N t ( 27 Со) f (t ) N НА ( 26 Fe) N н ( 59 Fe) f (t ) N НА ( 27 Со) N t ( 28 Ni) f (t ) ос 58 60 58 59 (3.18) Период полураспада ( Т 1 / 2 ) радионуклида, входящий в постоянную распада, совместно с фактором времени t определяют ВП 2 ( ВП 2 ( 27 Со) BП1 ( 26 Fe) ), 60 вызывают снижение (во времени) метрологических характеристик ПИП и ИИС.

Уменьшение числа ядер за счёт их распада не отображает изменение значений измеряемого параметра, с течением времени вызывает погрешность N t ( 27 Со) результата преобразования, которую можно учесть (после поправки на разрешающее время, вычета фона и ложных импульсов темнового тока ФЭУ) введением поправки exp(2 t ) в значения ВВ I (t ). Уменьшение числа радиоактивных ядер с течением времени (радиоактивный распад) снижает активность (поток квантов) образца-свидетеля, в результате снижается интенсивность ВВ I (t ) ).

Снижение интенсивности I (t ) во времени повышает её СКСП.

Применение образцов-свидетелей, содержащих ядра радионуклида ( 27 Со) (период полураспада T1/ 2 1924cym. и квантовый выход n 2 ) позволяет незна чительное снижение ВВ. Выходная величина I (t ) за счёт радиоактивного распада радионуклида ( 27 Со) за время 1 год снижается всего лишь на 13%, см. рисунок 6.

Реализация технического решения [82] и образование в образце-свидетеле радионуклида позволяет снизить значимость влияющего параметра ВП, Сo определяемого периодом полураспада ( Т 1 / 2 ) радионуклида и фактором времени t.

За 6392 дня чувствительность ПИП (образец-свидетель с Co ) снижается в 10 раз (154 дня для Fe ), а погрешность возрастает в 10 раз за 12785 суток ( суток для Fe ). Эти показатели отражают преимущества применения в качестве радиоактивной метки радионуклида Сo ( T1/ 2 1924сут., n 2 ) в сравнении с 60 Fe 27 ( T1/ 2 46,5сут., n 1 ).

Очевидно то, что ресурс первичного измерительного преобразователя ПИП (и его метрологические параметры) с радионуклидом 27 Co достаточны для определения коррозии в процессе пробега технологической установки (от 1 до лет).

3.4 Радиационные преобразования Число ядер N радионуклида Co, отображающее значение ИП – значение 0, массы m образца-свидетеля, преобразуется, через постоянную распада,в Т1/ значение активности a образца-свидетеля (активность радионуклида в образце свидетеле), N * [ 1 (акт.) * Ф2 {1 ехр (1t 2 (акт.))}] * [m(обр.св.) m(обр.св.)] * К1 * К 2 * A( г am 26 F ) *{1 exp( 1t (пр.))} * [ 2 (акт.) * Ф2 {1 ехр (2 t 3 (акт.))}] * exp( 2 t ) * [а( 27 Co) аt ( 27 Co)] а m ( 60 Co).

60 (3.19) Значения активностей радионуклидов, остаточного Fe и полученных из химических элементов, входящих в состав стали (материал образца-свидетеля – сталь ст. 20), в результате активации образца-свидетеля нейтронами (первое облучение, радиоактивный распад и второе облучение), не приводятся, ввиду их малой доли (по отношению к основному радионуклиду Со ) в образце-свидетеле и малого периода полураспада. На начало коррозионных измерений, в результате предусмотренной выдержки образца-свидетеля, радионуклиды с малым периодом полураспада значительно распадутся, а остаточная активность радионуклида Fe будет составлять доли процента от активности основного радионуклида Со.

Погрешность выходной величины (интенсивности I (t ) ), при наличии выше приведённых факторов, несравнимо мала с суммарной погрешностью от более значимых влияющих параметров. При изготовлении образцов-свидетелей из других материалов, особенно из легированных и нержавеющих сталей, необходима оценка радионуклидного состава, полученного после активации и последующего радиоактивного распада.

Баланс ядер, N ( 26 Fe) Nt ( 27 Со) f (t РЕС ) N НА ( 26 Fe) N н (59 Fe) f (t ) N НА ( 27 Со) Nt ( 28 Ni) f (t РЕС ), (3.20) ос 58 60 58 59 где t РЕС -заданный ресурс первичного измерительного преобразователя (образца свидетеля).

Значение активности a образца-свидетеля преобразуется через квантовый выход n 2 в значение первичного потока -квантов 1, N * [ 1 (акт.) * Ф2 {1 ехр (1t 2 (акт.))}] * [m(обр.св.) m(обр.св.)] * К1 * К 2 * A( г am 26 F ) *{1 exp( 1t (пр.))} * [ 2 (акт.) * Ф2 {1 ехр (2 t 3 (акт.))}] * exp( 2 t ) * 2 * n (3.21) [1 1 (t )] 1.

m Co ) позволяет снизить Квантовый выход n 2 (при распаде радионуклида СКСП ВВ в 1,4 раза и повысить в 2 раза чувствительность ПИП и ИИС (при одинаковых прочих условиях) в сравнении с применением образцов-свидетелей, содержащих радионуклид Fe ( n 1 ).

Co и, соответственно, удельная активность «меченного» им Радионуклид Co получен из материала, равномерно распределены в образце-свидетеле, так как, Fe (см. 3.10), который является составной частью естественной смеси изотопа 55, Fe ).

изотопов химического элемента Достаточный период полураспада ( T1/ 2 1924суток ) Co и высокий квантовый выход ( n 2 ), позволяет проводить измерения с заданной погрешностью, высокой чувствительностью, и достаточным ресурсом образца-свидетеля.

Первичный поток -квантов 1 в результате взаимодействия с материалом образца-свидетеля, с веществом технологической среды (с коррозионной средой окружающей образец-свидетель) и стенкой технологического оборудования (через фотоэффект, Комптон-эффект и эффект образования пар) преобразуется во вторичный поток -квантов 2, 2 1B( E, z,,, d ) exp( d ). (3.22) В процессе взаимодействия квантов с веществом технологической среды, вызывающее ослабление интенсивности (полное поглощение некоторой доли квантов) первичного потока, и его рассеяние, имеют место флуктуации плотности и толщины d d слоя вещества между образцом-свидетелем и детектором. Эти флуктуации ( и d ) являются влияющим параметром ВП 3, а также уменьшение толщины образца-свидетеля и стенки технологического оборудования вызывают изменения значений выходной величины I (t ), не отображающие изменения значений измеряемого параметра, N * [ 1 (акт.) * Ф2 {1 ехр (1t 2 (акт.))}] * [m(обр.св.) m(обр.св.)] * К1 * К 2 * A( г am 26 F ) *{1 exp( 1t (пр.))}* [ 2 (акт.) * Ф2 {1 ехр (2 t 3 (акт.))}] * exp( 2 t ) * 2 * n * (3.23) * В( Е, z,, ( ), (d d )) * ехр ( ( )(d d )) [2 2 (t )] 2 2 (, d ).

m 2 (, d ) внесут Флуктуации погрешность определения текущего значения массы mi образца-свидетеля, mi 1i [ Вi ( Е, z,,, d ) ехр (d ) В j ( Е, z,, ( ), (d d )) mi (3.24) i ехр( ( )(d d )) ].

Для уменьшения погрешности mi, вызванной (в основном) изменением плотности и (или) толщины d коррозионной среды (изменением поглощения и первичных квантов) необходимо, уменьшение (в результате рассеяния поглощения) числа регистрируемых квантов (последовательности электрических импульсов области полного поглощения) первичного потока 1 компенсировать увеличением числа регистрируемых рассеянных квантов (последовательности электрических импульсов области рассеяния) вторичного потока 2. Это достигается подбором порога интегральной дискриминации амплитудного (энергетического) спектра (Рисунок 3.2), позволяющего выделить (для регистрации интенсивности I (t ) ) стабильную площадь диапазона спектра (диапазон «сообщающихся сосудов»), тем самым стабилизировать измеряемую интенсивность I (t ) при допустимых изменениях параметров ( и d ) технологической среды.

-квантов потока Рисунок 3.2- Амплитудный (энергетического) спектр В реальных условиях возможна регистрация некоторой доли потока 2 квантов образца-свидетеля в зависимости от геометрического фактора (расстояния R от образца-свидетеля до детектора), объёма детектора и его эффективности.

Для учёта геометрического фактора покажем преобразование потока квантов в плотность потока квантов, 2 (3.25).

4R В условиях эксплуатации технологической установки расстояние R может изменяться в некоторых пределах R (вибрации и перемещения за счёт температурных расширений элементов конструкций технологического оборудования) вызывая влияющий параметр ВП 4, тогда N * [ 1 (акт.) * Ф2 {1 ехр (1t 2 (акт.))}] * [m(обр.св.) m(обр.св.)] * К1 * К 2 * A( г am 26 F ) *{1 exp( 1t (пр.))}* [ 2 (акт.) * Ф2 {1 ехр (2 t 3 (акт.))}] * exp( 2 t ) * 2 * n * * В( Е, z,, ( ), (d d )) * ехр ( ( )(d d )) * (3.26) 4 ( R R) [ (t )] m (, d ) ( R, R).

Погрешность определения измеряемого параметра от флуктуаций геометрического фактора, m0 1 mi ( 2 ). (3.27) 0 4 R ( R R) Анализ выражения (3.27) показывает, что при постоянном значении R, погрешность m( R,R) снижается с увеличением R. В то же время, с увеличением I 0 R I R снижается в точке детектирования интенсивность I квантов R и приводит к увеличению значения погрешности СКСП.

I Очевидно, что для совокупности начальных условий ( I 0, R0,R), существует значение Rопт (расстояние от детектора до образца-свидетеля) для которого mR mI mmin (Рисунок 3.3), R I0 Rопт Rопт m min m0 (1 ) m ( Rопт R) 2 R I0 Rопт (3.28) Для минимизации суммарной погрешности ( mR mI mmin ), вызванной флуктуацией геометрического фактора (расстояния R ) и случайным характером интенсивности I, выбрать оптимальное расстояние между образцом Rопт свидетелем и детектором.

В объём детектора вместе с потоком dh квантов, отображающим значение измеряемого параметра (значение массы образца-свидетеля) попадает поток фон dh квантов ( ВП 5 ) фонового излучения (не отображающий значение измеряемого параметра). Фоновое излучение (попадающее в детектор) значитель-но можно снизить применением устройств – коллиматоров, выделяющих Рисунок 3.3-Погрешность измерения текущего значения массы (толщины) образца свидетеля (в процессе коррозионных испытаний), вызванная нестабильностью геометрии измерения излучение от источника ионизирующего излучения и экранирующих детектор от фона. Интегральная дискриминация амплитудного спектра также позволяет снизить регистрируемое значение фонового излучения.

N * [ 1 (акт.) * Ф2 {1 ехр (1t 2 (акт.))}] * [m(обр.св.) m(обр.св.)] * К1 * К 2 * A( г am 26 F ) *{1 exp( 1t (пр.))}* [ 2 (акт.) * Ф2 {1 ехр (2 t 3 (акт.))}] * exp( 2 t ) * 2 * n * (3.29) * В( Е, z,, ( ), (d d )) * ехр ( ( )(d d )) * фон 4 ( R R) [ (t )] m (, d ) ( R, R) ( фон ).

В результате взаимодействия суммарного потока ( dh + фон dh ) с веществом сцинтиллятора возникает последовательность N с (m, t,..., х) световых импульсов (сцинтилляций), тогда N * [ 1 (акт.) * Ф2 {1 ехр (1t 2 (акт.))}] * [{[m(обр.св.) m(обр.св.)] * К1 * К 2 * A( г am 26 F ) *{1 exp( 1t (пр.))}* [ 2 (акт.) * Ф2 {1 ехр (2 t 3 (акт.))}] * exp( 2 t ) * 2 * n * (3.30) * В( Е, z,, ( ), (d d )) * ехр ( ( )(d d )) * } фон ] * dh 4 ( R R) [ N c N c (t )] N c N c (, d ) N c ( R, R) N c ( фон ).

m Последовательность световых импульсов N с (m, t,..., х) = ( фон )dh ото бражает измеряемый ( m(t ), б (t ) ) и влияющие параметры ( ВП 2 ВП 3 ВП 4 ВП 5 ) N c [(t );

(, d );

( R, R);

( фон )] (известные и неизвестные).

3.5 Преобразование значений измеряемого параметра (в электронной части информационно-измерительной системы) через последовательность сцинтилляций N c в значения интенсивности выходной величины I (t ) Последовательность сцинтилляций Nc, полученная в результате взаимодействия суммарного потока ( dh + фон dh ) с веществом сцинтиллятора, поступает (через коэффициент передачи k пс ) в фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). В ФЭУ последовательность сцинтилляций преобразуется через Nc фотоэффект (фотоэмиссия электронов) и коэффициент преобразования k псф в последовательность фотоэлектронов (первичный электронный импульс) N ФЭ.

Последовательность первичных электронных импульсов N ФЭ через коэффициент усиления преобразуется в последовательность потоков электронов NЭ, k уф отображающую значение измеряемого параметра. Из-за наличия темнового тока ФЭУ N Э дополнительно содержит потоки электронов N Э ( ВП 6 ), не отображающие ТТ измеряемый параметр (потоки электронов обусловлены внутренними ТТ NЭ процессами ФЭУ). Далее последовательность потоков электронов NЭ преобразуется: в импульсы тока N i ФЭУ, достаточные для дальнейшего их усиления радиотехнической схемой с преобразованием в последовательность импульсов напряжения Последовательности (в зависимости от их Nv. N интенсивности I (t ) и разрешающего времени P ( ВП 7 ) блоков информационно измерительной системы) могут снижать свои значения (просчёт импульсов).

ВП3 ( I (, d ));

ВП5 ( I (фон ));



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.