Patent nr Int. Cl. G Ol n.23/08 Kl /51. Patentsøknad nr. 3015/68 Inngitt. Løpedag - Søknaden ålment tilgjengelig fra

Transkript

1 Patent nr Int. Cl. G Ol n.23/08 Kl /51 Patentsøknad nr. 3015/68 Inngitt STYRET FOR DET INDUSTRIELLE RETTSVERN Løpedag - Søknaden ålment tilgjengelig fra Søknaden utlagt og utlegningsskrift utgitt Patent meddelt Prioritet hegjæ't fra: Institutt for Atomenergi, 2007 Kjeller. Oppfinnere: Hroar Piene, Roseveien 4 D, Kjeller og Andreas Sunde, Ammerudgrenda 29, Oslo. Fullmektig: Siv.ing_. Karst-en B. Halvorsen. Nukleær fukt ighe tsmåle r for bestemmeise av det relative fuktighetsinnhold i en materialmengde. Foreliggende oppflnnelse angår en nukleær fuktighetsmåler for bestemmelse av det relative fuktighetsinnhold i en materialmengde. Det er i praksis vanskelig å måle det relative "fuktighetsinntiold i en materialmengde uten ved -å drive ut fuktigheten og veie materialmengden for og et-ter utdrivingen. Denne måleprosess tar imidlertid forholdsvis lang tid og kan vanskelig utfores automatisk, og da den dessuten er destruktiv kan-den ikke gjentas på summe måle objekt. Ved mange industrielle prosesser er det imidlertid behov for rask og kontinuerlig overvåkning av det relative fuktlghetsinnholdet i

2 visse materialmengder, samt automatisk anvisning av f.eks» vektprosent fuktighet. Det er derfor et formål for oppfinnelsen å fremskaffe en måler som tilfredsstiller dette behov uten å påvirke. den parameter som -skal males. I henhold til oppfinnelsen oppnås détte ved hjelp av en nukleær fuktighetsmåler, hvis særtrekk består i at den i kombinasjon omfatter en kilde' for en stråling av hurtige noytroner gjennom materialmengden, således at den gjennornf allende strålingsintensitet detekteres av en detektor for termiske noytroner, samt en gammastrålingskilde for bestråling av materialmengden slik at en strålingsfraksj on s~om blir spredt av materialet detekteres av en gamirtadetektor avskjermet fra direkte bestråling fra gammastrålin-gskilden, hvorved noytrondetektoren og gammadetektoren avgir pulstog med pulsracer som henholdrsvis er avhengig av materialmengdehs hydrogeninnhold og dens tetthét, idet noytrondetektoren er tilsluttet en- forste teller innrettet for telling av tilforte pulser og lopende angivelse- av det oppnådde pul stall, og gammadetektoren er til sl ilt tet en annen teller innrettet for telling av de tilforte pulser opp til et forut innstilt pulstall og avgivelse av en stopp-puls over en utgang som er tilsluttet en styreinngang på den forste teller, når dette pulstall oppnås, slik at den forste teller da stoppes. Det oppnås på denne måte direkte avlesning av den onskede verdi ved at to informasjons bærende pulstog kombineres slik at de tilsammen bevirker den onskede anvisning. Denne kombinasjon utfore rent digitalt og på- en- enkel måte slik at forholdet mellom pulstogenes pulsrater, eller- verdier som er avledet av disse, fremkomme uten at egentlig en divisjon utfores. Det tall N.J.. som anvises av den forste teller når den stoppes, er proporsjonalt med forholdet mellom pulsratene for de respektive pulstog som tilfores henholdsvis den forste og den annen teller. At dette forholder seg slik kan lett innses ved fslgénde. resonement Den tid T, den annen teller bruker for å telle opp det forut innstilte antall pulser, N 2 når pulsraten for det tilforte pulstog

3 er rip, må være gitt ved ligningen: 2' (1) I samme tidsrom T har telleren telt opp et antall pulser, N^ som er gitt ved ligningen: N, = T n, = N 0 1 ^ n. (2) idet pulsraten for det pulstog som tilfores telleren betegnes med n^. Tallet som angis av den forste teller etter telleprosessen er altså ifolge ligning (2) proporsjonalt med det forhold som onskes anvist, og da proporsjonalitetsfaktoren utgjores av den verdi som innstilles på forhånd i den annen teller, kan dette fastlegges som en dekadisk enhet eller et annet onsket tall. En elektronisk anordning for utledning av onskede forhold blir i henhold til dette særlig enkel i sin utforelse når det foreligger direkte proporsjonalitet mellom de fysikalske storrelser som skal bestemmes og de pulsrater som avgis fra de tilsvarende detektorer. Kalibreringskurvene som angir avhengigheten mellom de målte parameterstorrelser og pulsratene kan imidlertid være nullpunktsforskjovne, slik at de ikke går gjennom origo, og/eller de kan ha vesentlig ulineariteter i de aktuelle måleområder. En nullpunktsforskyvning kan oppheves ved at det subtraheres en pulsrate n^q som tilsvarer vedkoramende kalibreringskurves skjæring med pulsrateaksen, fra pulsraten for det innkommende pulstog. I en anordning i henhold til oppfinnelsen oppnås dette ved at en nullpunktskorrektor som er innrettet for subtraksjon av et fast, forut bestemt pulstall pr. tidsenhet, er innkoblet i forbindelsen mellom minst en av detektorene og dens tilordnete teller.

4 En sådan nullpunktskorrektor kan fortrinnsvis være slik utfort at den omfatter en 0G-port,en bistabil multivibrator samt en pulsgenerator som avgir pulser i en takt som tilsvarer det pulstall pr. tidsenhet som skal subtraheres, idet det tilforte pulstog både tilfores den ene inngang for OG-porten og for multivibratoren,. og pulsgeneratoren med sin utgang er tilsluttet multivibratorens annen inngang, mens multivibratorens eneste utgang er tilsluttet OG-portens annen inngang, slik at multivibratoren innstilles til spenningsforende utgang for hver mottatt puls i pulstoget, og derved bevirker en åpning av OG-porten for de påfolgende pulser, og tilbakestilles til spenningslos utgang for hver mottatt puls fra pulsgeneratoren, og derved bevirker en stengning av OG-porten for en påfolgende puls i pulstoget. Omkoblingstidene for OG-porten og multivibratoren er avpasset slik at en tilfort puls ikke både kan innstille multivibratoren og passere OG-porten, For hver puls fra pulsgeneratoren går det altså med en tilfort puls for åpning av OG-porten. Pulstallet pr. tidsenhet som når frem til vedkommende teller blir derfor lik n^ - slik som tilsiktet, når pulsgeneratorens pulsrate er lik n^q. Oppfinnelsen omfatter forovrig også en anordning som gjor en tilnærmet korrigering av både ulineariteten og nullpunktsforskyvningen mulig for en kalibreringskurve for det pulstog som tilfores den annen teller. En sådan anordning består hovedsakelig av en tidsangiver som startes samtidig med den annen teller ved utledningsprosessens begynnelse, og er innrettet for avgivelse av et startsignal etter en forut innstilt tid over en utgang som er tilsluttet en inngang på telleren for start av denne. En riktig innstilling av tidsintervallet To mellom starten av henholdsvis den annen og den forste teller er her vesentlig for korrigerlngen, idet det nodvendigvis må tilsiktes at tellerens telletid T n, som i dette tilfelle er gitt ved uttrykket: N 2 T n = T-To = _ - To, (3) n 2

5 blir omvendt proporsjonal med den fysikalske parameter som det tilforte pulstog til den annen teller representerer. Tiden To bestemmes nå ut i fra rent geometriske forhold ved kalibreringskurven slik som vist på fig. 5a, idet der trekkes en tangent til kurven ved.en passende statistisk middelverdi J^m for den målte parameter, og den tilsvarende verdi for pulsraten n 2m sam^ P u l sra teverdien n^q for tangentens skjæringspunkt med pulsrateaksen legges til grunn for bestemmelsen, sammen med den innstilte telleverdi Ng i skaleren, ut i fra formelen: N 2 n 20 To (k) (n 2m )2 Det oppnås da en linearisering og en nullpunktskorreksjon over et visst område av den målte parameter. I tillegg til de tidligere angitte fordeler har oppfinnelsens fuktighetsmåler også den fordel at av målesyklens lengde (raåletidskonstanten) kan velges fritt, dvs. at det når forholdene tillater det, kan velges lang telletid og derfor oppnås god noyaktighet seiv med langsomme detektorer. Dette er av stor betydning for instrumentets pris. Puktighetsmålerens elektroniske anordning vil kretsmessig sett bestå hovedsakeli-g ~av multivibratorer, enkle pulsf ormere og elektroniske porter. Dette medforer -at den "kan bygges opp av -moderne '"integrerte" komponenter, som både er beskjedne i plass og pris-. For anskueliggjorelse av oppfinnelsen skal det nå, under henvisning til de vedfbyde tegninger, beskrives et måleinstrument for måling av relativ fuktighet i koks. På tegningen viser: Fig. 1 et blokkskjema av en fuktighetsmåler i henhold til oppfinnelsen,

6 Fig. 2 og 3 de foreliggende kalibreringskurver, Fig. V målerens nullpunktskorrektor i detalj, og Fig, 5 skjematisk hvorledes tidsintervallet, To utledes. I fig. 1 utsettes et måleobjekt 1 som utgjores av et fuktig stykke koks-, for en bestråling fra en kilde 2 for hurtige noytroner og en kilde 3 for gammastråler. De hurtige noytroner påvirkes hovedsakelig av de hydrogenatomer som de stoter på og bremses ned til betydelig lavere hastighet av disse, mens de ovrige atomer som finnes i måleobjektet ikke formår å endre noytronenes energi i vesentlig grad. Den gjennomfallende noytronstråling treffer en detektor I som bare er folsom for termiske (langsomme) noytroner og avgir et pulstog med en pulsrate som er avhengig av antall termiske noytroner som treffer detektoren pr. tidsenhet og således også av vannmengden i som er absorbert i koksstykket. De gamma-fotoner som trenger inn i måleobjektet, spredes av atomene som de stoter på, slik at spredningen stort sett oker med måleobjektets tetthet. En del av de spredte fotoner treffer gammadetektoren G, som er skjermet for direkte stråling fra utstrålingskilden 3 ve( 3 hjelp av skjermen U. Detektoren G avgir et pulstog, hvis pulsrate er et mål for foton-intensiteten i den spredte gammastråling og således også for måle objektets tetthet. Måleinstrumentets oppgave er å anvise vektprosenten av fuktighet i måleobjektet 1. Dette oppnås ved at pulsratene for de to pulstog kombineres i overensstemmelse med oppfinnelsen. Pulstoget fra noytrondetektoren N ledes til en korrektor K for en nullpunktkorreksjon og derfrå til en teller C for telling, mens pulstoget fra gamma-detektoren G overfores direkte til en annen teller S som er slik innrettet at den teller de mottatte pulser opp til en innstilt verdi N2, og da stopper, samtidig som den avgir en styrepuls over sin utgang Su.

7 ' For en samtidig tilnærmet nullpunkts- og linearitetskorreksjon, er der anordnet en tidsangiver U som angir tidsintervallet To mellom starten av henholdsvis telleren S og telleren C. Det tall som angis av telleren C ved slutten av en måleperiode representerer den onskede måleinformasjon, men denne kan overfores over en port P til en hukommelse II for lagring og anvisning til et nytt måleresultat foreligger ved avslutningen av en påfolgende måleperiode. Måleresultatet kan også overfores til analog form ved hjelp av en digital-analog omformer 0 som er tilsluttet hukommelsen H. Tre forsinkelsesnettverk, F1 - F3 er anordnet for å sikro at tilforselen av styrepulser til de forskjellige anordninger C, S, IJ, P, H skjer i den riktige rekkefolge og med riktige mellomrom. Måleprosessen forloper nå på folgende måte. Ved begynnelr;en av en måleperiode tilfores en startpuls samtidig til startinngangene Sb og Ub for henholdsvis telleren S og tidsangiveren U. Telleren S setter igang sin telleprosess som beskrevet ovenfor, mens nedtellingen av tidsintervallet To starter i tidsangiveren U, slik at den ved slutten av dette intervall avgir en styrepuls over sin utgang Uu til egen stoppinngang Us og en startinngang Cb på telleren C. Herved stopper tidsangiveren U, mens teller starter sin telleprosess. Når telleren S har nådd sin forut innstilte tellerverdi N 2, sender den ut en styrepuls over sin utgang Su til egen stoppinngang Ss samt tellerens stoppinngang Cs, hvilket utgjor slutten på måleprosessen, idet både telleren C og telleren S stopper. Den sistnevnte styrepuls tilfores imidlertid også alle tre forsinkelsesledd F1 - F3, som er koblet i kaskade. Etter passering av det forste ledd F1 tas pulsen ut over en grenledning 10 og tilfores porten P som åpnes, slik at den måleinformasjon som foreligger i telleren G, kan overfores til hukommelsen H og eventuelt omformes til en analog anvisning ved hjelp av omformeren 0.

8 Etter at den har passert det annet forsinkelsesledd F2, fores s tyropulscn over grenlodningen 11 til tilbakestillingsinngangene Cr, Sr, op; Ur for henholdsvis telleren C, telleren S og tidsangiveren U, hvorved disse anordninger tilbakestilles til sine utgangss tilllnger. Endelig, etter passering av det tredje forsinkelsesledd E3, fungerer så vedkommonde styrepuls som en startpuls for den påfolgende måleperiode, Idet den tilfores startinngangene for telleren S og, tidsangiveren U, hvilket utgjorde utgangspunktet for f unks j nns beskrivelsen ovenfor. Kor detektoronc foreligger kalibreringskurver av de typer som er vi;.;t _i fig. 2 ng l'ig. 3? idet fig. 2 angir pulsraten n^ fra noytrondetektoren som on funksjon av den tilstedeværende fuktighet v i målcobjoktet, lier uttrykt soin volumprosent 1^0, mens fig. 3 angir pulsraten n^ for gamma-detektoren som en funksjon av måleobjektets tetthet j\ Kurven på fig. 2 er stort sett lineær, men har en nullpunktsfeil, idot kurven skjærer pulsrateaksen i en avstand n 1 Q fra origo. I det foreliggende instrument korrigerer nullpunktskorrektoren K for denne feil, slik at telleren C mottar pulser med en pulsrate n^ - n^q, som er direkte proporsjonal med fuktigheten v. Nullpunktskorrelvtoren K, som er vist i detalj i fig. W, omfatter en OG-port en bistabil multivibrator 6 og en pulsgenerator 7» Pulstoget med pulsråte n^ fra noytrondetektoren tilfores samtidig både OG-portens og multivibratorens ene inngang, mens multivibratorens annen inngang er tilsluttet pulsgeneratoren 7 som angir pulser med en takt n^q som tilsvarer nullpunktsfeilen for kalibreringskurven. Multivibratorens eneste utgang, som er tilsluttet den annen inngang for OG-porten, er tatt ut fra den side av multivibratoren 6 som innstilles av pulsene fra noytrondetektoren 2, slik at den blir spenningsforende når multivibratoren mottar en sådan puls, og OG-porten åpnes da også for en direkte videreforing av de tilforte

9 pulser. Den samlede omkoblingstid for multivibratoren 6 op, OG-porten "5 er imidlertid gjort så lang i forhold til pulslengden, at den puls som bevirker omkoblingen av disse, ikke rekker å passere porten 5- Por hver gang multivibratoren må innstilles for portåpning tapes altså en puls for telleren C, og dette skjer en gang for hver puls som tilfores multivibratorens annen side fra pulsgeneratoren 7 bevirker en tilstandsforandring i multivibratoren 6. Det pulstall som tilfores telleren C pr. tidsenhet blir da n^ - n 1Q, slik som tilsiktet. Korrigeringen av ulineariteten og nullpunktsfeilen for kurven på fig. 3? utfores som tidligere nevnt approksimativt ved hjelp av tidsangiveren U, som er beskrevet ovenfor. Tidsintervallet To innstilles her i overensstemmelse med kalibreringskurvens form og en middelverdi ^m for tettheten i det aktuelle måloområde. Utledningen foregår stort sett grafisk, slik som antydet på fip. 5a og tidligere beskrevet. Det oppnås da en avbengighet som vist i fig. Jb mellom telletiden, T for telleren C og den inverse verdi -i av tettheten j\ Som det vil fremgå av figuren er der oppnådd cn ^ i god proporsjonalitet mellom disse storrelser i området 1 Det tall som telleren C anviser er da gitt ved folgende relasjonen 1 N 1 = (n.,-n 10 ) Tnocv ^ (5) innenfor det ovenfor angitte område, og N kan således lott kalibreres til å angi vektprosent fuktighet direkte. PATENTKRAV. 1. Nukleær fuktighetsmåler'for bestemmelse av det relative fuktighetsinnhold i en materialmengde, k a r a k t e r i s e r t ved at den i kombinasjon omfatter en kilde (2) for en stråling av hurtige noytroner gjennom materialmengden (1), således at den gjennomfallende strålingsintensitet detekteres av en detektor (N) for termiske noytroner, samt en gammastrålingskilde (3) for bestråling av materialmengden slik at en strålingsfraksjon som blir spredt av materialet detekteres av en gammadetektor (G) avskjermet (*+) fra direkte bestråling fra gammastrålingskilden,

10 hvorved noytrondetektoren og gammadetektoren avgir pulstog med pulsrater som henholdsvis er avhengig av materialmengdens hydrogeninnhold og dens tetthet, idet noytrondetektoren (N) er tilsluttet en forste teller (C) innrettet for telling av tilforte pulser og lopende angivelse av det oppnådde pulstall, og gammadetektoren (G) er tilsluttet en annen teller (S) innrettet for telling av de tilforte pulser opp til et forut innstilt pulstall og avgivelse av en stopp-puls over en utgang (Su), som er tilsluttet en styreinngang (Cs) på den forste teller, når dette pulstall oppnås, slik at den forste teller da stoppes. 2. Nukleær fuktighetsmåler som angitt i krav 1, k a r a k t e r i s e r t ved at en nullpunktskorrektor (K) for subtraksjon av et fast, forut bestemt pulstall pr. tidsenhet, er innkoblet i forbindelsen mellom minst en av detektorene (N,G) og dens tilordnete teller (C,S), idet nullpunktskorrektoren omfatter en OG-port (5), en bistabil multivibrator (6) samt en pulsgenerator (7) som avgir pulser i en takt (n^), som tilsvarer det pulstall pr. tidsenhet som skal subtraheres, og forovrie: er oppbygd slik at det mottatte pulstog fra detektoren både tilfores den ene inngang for OG-porten og multivibratorens ene inngang og pulsgeneratoren med sin utgang er tilsluttet multivibratorens annen inngang, mens multivibratorens eneste utgang er tilsluttet OG-portens annen inngang, hvorved multivibratoren innstilles til spenningsforende utgang for hver puls i nevnte mottatte pulstog, og derved bevirker en åpning av OG-porten for påfolgende pulser, samt tilbakestilles til spenningslos utgang for hver puls fra pulsgeneratoren, og derved bevirker en stengning av OG-porten for en påfolgende.puls i pulstoget. 3. Nukleær fuktighetsmåler som angitt i krav 1 og 2, k a r a k t e r i s e r t ved at den også omfatter en tidsangiver (U) som startes samtidig med den annen teller (S) ved måleprosessens begynnelse, og er innrettet for avgivelse av et startsignal etter.en forut innstilt tid (To) over en utgang (Uu) som er tilsluttet en armen styreinngang (Cb) på den forste teller (C) for start av denne. An forte publikasjoner: J. Millmann 9H. Taub: Puls, digital and switching Waveforms, New York 1965, p

11 124285

12 rw Fig. 2 Fig. 3 n,, Fig. 4