關(guān)雪梅, 陳純鍇, 楊 瑩, 陳曉潔, 趙為光

(黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

中子法在線煤質(zhì)分析儀電學(xué)系統(tǒng)的改進

關(guān)雪梅, 陳純鍇, 楊 瑩, 陳曉潔, 趙為光

(黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

為提高中子法在線煤質(zhì)分析儀的測量精度,對其電學(xué)系統(tǒng)進行改進。在原設(shè)計的基礎(chǔ)上重組了部分冗余部件,采用DSP+USB方案優(yōu)化了多道譜儀,選用 11點平滑公式進行數(shù)據(jù)處理。實驗表明,改進后的系統(tǒng)測量精度比原系統(tǒng)顯著提高,測量數(shù)據(jù)與化學(xué)檢測結(jié)果吻合,驗證了系統(tǒng)改進措施的可行性。

煤質(zhì)分析;中子法;電學(xué)系統(tǒng);測量精度

0 引 言

中子活化分析 (Neutron Activation Analysis, NAA)是利用反應(yīng)堆、加速器或同位素中子源產(chǎn)生的中子作為轟擊粒子以確定物質(zhì)元素成分的活化分析方法。該方法具有靈敏度高、不破壞樣品和多種元素同時在線測量的特點,已成為煤炭行業(yè)的有效分析手段之一。煤質(zhì)分析包括煤炭工業(yè)分析和煤炭元素分析,可以為煤化工、熱電廠提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。煤質(zhì)分析化學(xué)方法過程繁瑣,分析時間較長,不能及時、有效地得到入爐煤的煤質(zhì)情況,無法滿足鍋爐燃燒調(diào)整和事故分析的需要。為此,筆者與東北師范大學(xué)輻射技術(shù)研究所合作,研究了中子法在線煤質(zhì)分析儀[1]?；谥凶踊罨治龅脑诰€煤質(zhì)分析技術(shù),是利用中子與材料中所含元素的靶核發(fā)生熱中子俘獲反應(yīng)和快中子非彈性散射反應(yīng),再依據(jù)所釋放的特征γ射線的能量和特征峰面積來確定物質(zhì)中所含元素的種類以及元素的含量的方法。這種方法可以克服化學(xué)煤質(zhì)分析方法的不足。為進一步提高該分析儀的測量精度,筆者在文獻[1]的基礎(chǔ)上對核輻射探測電子學(xué)裝置進行了改進。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測量原理

在線快速煤質(zhì)分析系統(tǒng)如圖 1所示。該系統(tǒng)的分析主體是用聚丙烯板焊接的樣品箱,中子發(fā)生器的靶位于樣品箱左側(cè),BGO探頭設(shè)在樣品箱正上方及右側(cè)。防護單元由中子慢化體、中子吸收體及射線屏蔽體構(gòu)成,主要作用是降低周圍環(huán)境中的中子及射線輻射劑量,避免污染環(huán)境以及對人體造成傷害。γ能譜處理單元對采集到的譜數(shù)據(jù)進行分析處理;元素成分分析單元計算各元素的含量;工業(yè)成分分析單元用以計算燃煤的工業(yè)分析數(shù)據(jù)、成分分析數(shù)據(jù)、灰熔點、燃煤結(jié)焦特性及燃燒特性等;鍋爐運行優(yōu)化單元是在元素分析數(shù)據(jù)、工業(yè)分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,指導(dǎo)電站鍋爐燃燒、制粉系統(tǒng)運行優(yōu)化的高級應(yīng)用模塊。

圖1 中子法煤質(zhì)分析系統(tǒng)Fig.1 Coal analysis system block diagram based on methods of neutron

在線煤質(zhì)分析測量原理是,脈沖中子發(fā)生器產(chǎn)生中子,中子與煤樣發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生γ射線,射線能量反應(yīng)了物質(zhì)元素的分布。經(jīng)BGO探測器得到不同幅度電波形,將相同幅度的電壓送入多道譜儀進行計數(shù)。由于不同元素輻射的特征γ射線譜能量不同,不同含量的同一元素產(chǎn)生的γ射線譜峰面積不同,故可通過計算機選峰、解譜等處理給出各種率值和元素含量值。

2 系統(tǒng)改進

2.1 設(shè)備重組

中子探測系統(tǒng)分為中子產(chǎn)生、射線測量兩部分,其系統(tǒng)構(gòu)成如圖 2所示。圖 2a共涉及控制臺、高壓發(fā)生器、離子源高壓脈沖電源和儲存器電源四部分電學(xué)設(shè)備,圖 2b共涉及前置放大器、主放大器、探測器及放大器中的 5路電源、多道卡多個設(shè)備。筆者首先縮短控制臺與工業(yè)分析儀之間距離,以縮短信號傳輸功率衰減,將多道譜儀與高頻設(shè)備、磁性設(shè)備強干擾源(脈沖電源、高壓發(fā)生器)隔離,保證微弱信號不被干擾。然后,將前置放大器置于探測器內(nèi)部,主放置于控制臺附近(1 m內(nèi))。同時,為方便調(diào)節(jié),又將光電倍增管中 0～2 kV直流電源和前放中用到的兩路電源放在主放中。這樣的設(shè)計可以優(yōu)化電路結(jié)構(gòu),減少噪聲干擾,使系統(tǒng)工作更穩(wěn)定,溫漂、時漂更低[2]。

圖2 中子探測電子學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 Electron ic system structure of neutron detection

2.2 多道譜儀優(yōu)化

多道脈沖幅度分析器的基本功能是按輸入脈沖的幅度分類計數(shù)。它將能夠分析的脈沖幅度范圍分成多個幅度間隔,這些幅度間隔的個數(shù)就是脈沖幅度分析器的道數(shù),幅度間隔的寬度就是道寬。道數(shù)越多,幅度分析越精細,各個道的計數(shù)也相應(yīng)減少,需要測量的時間就要加長,硬件電路也就越復(fù)雜,所以不應(yīng)盲目追求道數(shù)。通常,在幅度峰的半寬度范圍內(nèi)應(yīng)有 5～10道,對于采用NaI(T1)探測器的多道能譜儀,由于它的能量分辨率比較差,128～256道就能滿足測量要求,而對于半導(dǎo)體探測器,則需要1 024～8 192道。

原系統(tǒng)中單片機結(jié)構(gòu)的譜儀存儲容量小,分析速度慢,為此,優(yōu)化了多道能譜采集系統(tǒng),如圖 3所示?？紤]轉(zhuǎn)換速度、測量精度,選擇了 DSP+ USB的設(shè)計方案,并調(diào)整了甄別電路、控制電路、A/D轉(zhuǎn)換電路中的關(guān)鍵器件[3-4]。這些措施可以保證多道譜儀與高頻放大器速度、頻率的匹配,集成度增加也可保證測量精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 多道能譜采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure figure of spectrum gathering system

2.3 數(shù)據(jù)平滑及計算

數(shù)據(jù)處理不當會導(dǎo)致一定誤差,使測量精度達不到工業(yè)要求[5-7]。為減小統(tǒng)計漲落的影響,保留能譜形狀的重要特征,需要對實驗數(shù)據(jù) (每道計數(shù))進行光滑處理。如果光滑的道數(shù)太少,則不能達到光滑的效果,如果光滑的道數(shù)太多,很容易把特征峰拉平。綜合考慮,采用 11點平滑公式,即

以煤炭中碳元素為例,其質(zhì)量分數(shù)w與所測得的元素特征峰的相對峰面積A間的關(guān)系為

其中,k、b為待測常數(shù)。根據(jù)碳的相對峰面積和煤炭中碳元素含量的分析值,通過線性回歸分析求出k、b的值,然后再將它們代入式(1)中,從而得出w和A間的函數(shù)關(guān)系式。

3 實 驗

實驗設(shè)備主體設(shè)在距地面 5 m的地下中子廳內(nèi),該中子廳是按照國家有關(guān)規(guī)定建造的,滿足防護等各方面的要求。分析儀主體是含硼石蠟包圍的中子發(fā)生器、待測煤樣以及BGO探頭。各設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)傳輸通過地面下達和接收,數(shù)據(jù)采集之后的尋峰、取峰面積、代人方程、計算和給出結(jié)果等處理過程由自主編制的軟件給出,使用時只需簡單操作即可讀出所需工業(yè)分析值。

從雞西、鶴崗煤礦采集 10個標準樣品,每個樣品的體積為 10 L。4 096道MCA被分成兩個區(qū),分別用于存儲總譜和合譜。2 049～4 096道是非彈性、俘獲和活化譜的總譜,1～2 048道是俘獲和活化譜的合譜。900 s時測得的γ譜見圖 4,煤中一些重要元素,如 H、C、O、Al、Si和 Fe等已標出。由圖 4可以看出,γ譜譜形清晰,長時間工作峰位準確,幾乎沒有漂移。

圖4 煤質(zhì)元素典型γ譜Fig.4 γspectrum of coal elements typical

表 1為原系統(tǒng)總譜與合譜中部分元素數(shù)據(jù)。比較表 1、圖 4可知,改進后系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)比原樣本數(shù)據(jù)更為精確,特征峰值更加突出。

表 1 設(shè)備改進前總譜與合譜中部分元素測量值Table 1 Elementsmeasured value in overall and sum spectrum before equipment improvement

表 2為中子方法與化學(xué)檢測方法實驗數(shù)據(jù)對比。從數(shù)據(jù)可以看出,測量偏差在允許范圍內(nèi),中子分析方法測量時間較少,可實現(xiàn)在線分析。

表 2 中子方法與化學(xué)檢測方法實驗數(shù)據(jù)對比Table 2 Data comparison of neutron and exper imentalmethod %

4 結(jié)束語

利用脈沖中子發(fā)生器產(chǎn)生的快、熱中子感生瞬發(fā)γ射線可以實現(xiàn)煤質(zhì)在線分析。為提高中子法在線煤質(zhì)分析儀的性能,筆者對其電學(xué)系統(tǒng)進行了改進。在原有設(shè)備連接的基礎(chǔ)上,重組了部分冗余部件,優(yōu)化了多道譜儀,并應(yīng)用了新的數(shù)據(jù)處理方法。實驗結(jié)果表明,系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性明顯提高,改進措施可行。

[1] 陳純鍇,關(guān)雪梅,喬 雙,等.中子法煤質(zhì)分析儀電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計[J].分析儀器,2008,6(4):9-12.

[2] 關(guān)雪梅,喬 雙,陳純鍇,等.程控增益線性脈沖放大器的設(shè)計[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2006,28(3):361-363.

[3] 關(guān)雪梅,陳純鍇,喬 雙,等.基于 PCI總線多道能譜采集卡的研制[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2008,8(2):238-240.

[4] 關(guān)雪梅,陳純鍇,陳曉潔.應(yīng)用于在線煤質(zhì)分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的研制[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2009,44(3):672-675.

[5] 王輝東,陸景彬,馬純輝,等.中子活化煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)的研制[C]//中國核學(xué)會 2009年學(xué)術(shù)年會論文集.北京:中國核學(xué)會,2009.

[6] CLAYTON C G,HASSAN AM,WORMALDM R.Multi-element analysis of coal during borehore logging bymeasurement of prompt γ-rays from thermal neutron capture[J].J Appl Radiat Isot, 1983,34(1):83-93.

[7] CLAYTON C G,W I RNAKD M R.Coal analysis by nuclearmethods[J].J Appl Radiat Isot,1983,34(1):3-22.

Improved on-line coal analyzer based on neutron measurement

GUAN Xuem ei,CHEN Chunkai,YANG Ying,CHEN X iaojie,ZHAO W eiguang
(College of Electric&Infor mation Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

Aimed at a greater accuracy of online coal analyzer based on the neutron measurement, this paper is devoted to improving electrical system.The improvement consists of reconstructing some redundant components in original design,optimizingmulti-channel spectrometer usingDSP+USB scheme, and applying 11-point smoothing fo rmula of data processing.Experiments show that the improved system has a much greater measurement accuracy than the original system.Measurement data,consistent with the chemical test results,verifies the feasibility of the improved system.

coal analysis;neutron measurement;electrical system;measure accuracy

T M621.8

A

1671-0118(2011)02-0104-04

2011-03-11

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(11553086)

關(guān)雪梅(1975-),女,黑龍江省雙城人,副教授,碩士,研究方向:核電子學(xué)及煤質(zhì)分析,E-mail:gxm-joyce@sina.com。

(編輯荀海鑫)