田 冰

（丹東弘元科技有限公司，遼寧 丹東118000）

X射線從發(fā)現(xiàn)至今無論是在近代物理理論方面或是工業(yè)控制上都得到了廣泛應(yīng)用，特別是在醫(yī)學(xué)和無損探傷領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用尤為顯著。本系統(tǒng)的設(shè)計使X射線應(yīng)用技術(shù)在稱重領(lǐng)域有了開創(chuàng)性的應(yīng)用，頗具深義。

在配料系統(tǒng)中，放射源在使用、運(yùn)輸、管理及處理上很不方便。雖然波長短的伽瑪射線穿透能力強(qiáng)，但波長長的X射線容易被物質(zhì)吸收且強(qiáng)度可控。因此，根據(jù)X射線更易被被測物料吸收、靈敏度較伽瑪射線源高的特點，本文利用X射線穿透被測物體時被吸收而減弱的物理學(xué)原理，設(shè)計了一種適用于輕質(zhì)物料測量的X射線秤。由于X射線秤產(chǎn)生的射線強(qiáng)度可控，對物料適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，在現(xiàn)有專利數(shù)據(jù)庫中未檢索到相關(guān)專利，具有獨創(chuàng)性、實用性和安全性，同時外觀兼具新穎性和美觀性。相比于其他放射源，X射線秤在運(yùn)輸和使用中都是有益的。由于X射線的產(chǎn)生可控，利于作業(yè)人員巡檢及維修時的防護(hù)，可以將射線對作業(yè)人員的損傷降低到最小。同時，現(xiàn)有的帶放射源核子秤由于粒子能量過高，在穿透輕質(zhì)物料時被物料吸收而造成的強(qiáng)度減弱是很小的，故對于煙絲、塑料等輕質(zhì)量的物料無法精確計量，對物料質(zhì)量多少的反應(yīng)也不靈敏，這是由于原子序數(shù)越低，康普頓散射越靈敏。而使用X射線入射光子與原子外層軌道中結(jié)合松弛的電子相遇，該電子因碰撞反沖而離開原子，并帶走了一部分光子能量，使光發(fā)生偏轉(zhuǎn)或能量降低。原子序數(shù)越小，其軌道電子的結(jié)合力越小，發(fā)生康普頓散射幾率越大。當(dāng)然康普頓散射還與入射X光子能量、入射X光子和物料表面之間的夾角等有關(guān)系。

1 物理學(xué)原理

X射線秤設(shè)計的基本物理學(xué)原理如下：X射線是高速電子撞擊物質(zhì)（原子核）所產(chǎn)生的高頻短波長的電磁波。X射線能量決定了其穿透能力，原則上高壓發(fā)生器電壓越高，電子在電場加速后的能量越大，故穿透能力越強(qiáng)，工業(yè)規(guī)定其適用范圍為“厚度2～250mm，材質(zhì)為碳素鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼、鎳及鎳基合金”。X射線發(fā)生器在穩(wěn)定狀態(tài)下發(fā)射恒定強(qiáng)度的X射線。X射線穿過傳送皮帶上的被測物料后，由于被測物料的吸收作用，其射線強(qiáng)度將會減弱，該減弱關(guān)系在一定范圍內(nèi)符合指數(shù)衰減規(guī)律，

式中，I0為穿透物質(zhì)前X射線的強(qiáng)度；Ii為穿透物質(zhì)后X射線的強(qiáng)度；um為物質(zhì)的質(zhì)量衰減系數(shù)；ρ為物質(zhì)的密度；d為物質(zhì)的厚度；B為散射因子。由式（1）可得

式中，K和C為被測物料的吸收系數(shù)通過實驗來確定。

由于被測物料密度已知，故X射線強(qiáng)度衰減正比于X射線穿過的被測物料體積，有

即強(qiáng)度為I0的X光，透過被測物料后，強(qiáng)度變?yōu)镮i，V為被測物料的體積，從而可得出被測物料質(zhì)量M，其中影響散射因子B的因素較多，如X射線的能量、屏蔽物質(zhì)的原子序數(shù)、被測物體的厚度、測量環(huán)境和探測器的檢測效率等。對于同一種被測物質(zhì)，K和C為常數(shù)，可通過實驗來確定。

在探測器上，衰減后的X射線由于與螢石片探測器物質(zhì)發(fā)生光電效應(yīng)和康普頓散射結(jié)果產(chǎn)生次級電子。次級電子又與物質(zhì)繼續(xù)作用，損失能量，使物質(zhì)分子激發(fā)處于激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)分子退激時發(fā)出熒光光子，熒光光子打在光電倍增管上產(chǎn)生光電子，電子經(jīng)倍增后在陽極上產(chǎn)生電壓信號，電壓信號經(jīng)變送裝置進(jìn)入主機(jī)，同時測速傳感器也把信號送入主機(jī)，經(jīng)主機(jī)計算分析，即可得出單位時間內(nèi)的被測物料的質(zhì)量，并通過上位機(jī)組態(tài)軟件在主機(jī)上顯示、記錄，保存。總之，利用變送器將探測器及光電倍增管輸出電壓信號及測速傳感器輸出的電壓信號通過主機(jī)采集卡進(jìn)行采集得到數(shù)字信號，由主機(jī)完成載荷線性化，將載荷和速度相乘得到瞬時質(zhì)量，再對時間積分即可得到被測物料總質(zhì)量。

2 工程系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

本系統(tǒng)由X射線發(fā)生器、X射線探測器、高壓發(fā)生器、X射線管冷卻裝置、信號變送裝置、測速傳感器及主機(jī)裝置構(gòu)成。其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

高壓發(fā)生器1產(chǎn)生高電壓供給X射線發(fā)生器2，加速電子能量產(chǎn)生X射線穿透輸送裝置7上被測物料后被X射線探測器4接收，經(jīng)信號變送裝置5轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號送于主機(jī)裝置6處理；測速傳感器8可置于輸送裝置7的下方，用于測定運(yùn)動速度；X射線管冷卻裝置3用于保證長時間工作情況下X射線發(fā)生器2產(chǎn)生的熱量的交換。

系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)示意圖

X射線整套系統(tǒng)的控制方法及實現(xiàn)詳見文獻(xiàn)［1］：X射線探傷機(jī)的控制裝置分為控制層以及設(shè)備層兩個層面，控制層包括主機(jī)裝置；設(shè)備層包括：現(xiàn)場控制PLC、冷卻裝置溫控表。通過串行通訊接口經(jīng)通訊電纜接現(xiàn)場控制PLC，通過另一串行通訊接口冷卻裝置溫控表進(jìn)行通訊連接。設(shè)備層包括各動力裝置及檢測裝置。各動力裝置接收控制層中現(xiàn)場控制PLC或冷卻裝置溫控表輸出的控制信號，并將檢測信號反饋至控制層，現(xiàn)場控制PLC中存有設(shè)備層相應(yīng)設(shè)備的控制程序。受控于現(xiàn)場控制PLC的動力裝置包括對射線發(fā)生器施以高電壓使其產(chǎn)生射線的高壓發(fā)生器；由步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動自藕變壓器；自藕變壓器輸出的電壓經(jīng)變壓器變壓、整流濾波后的電壓生成取樣電路；冷卻裝置中的壓力開關(guān)、流量開關(guān)；故障報警等。

系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)方框圖如圖3所示。

選取2017年3月～2018年3月在我院治療的心血管病患者200例作為研究對象。全部患者均在我院接受住院治療，且經(jīng)臨床、病理、影像學(xué)檢查或病史確診為心血管疾病，排除重大心血管疾病史、家族遺傳病史患者。將其分成觀察組和對照組，各100例，其中，對照組平均年齡（56.7±13.2）歲，男50例，女50例；觀察組平均年齡（62.5±11.9）歲，男50例，女50例。兩組患者一般資料比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）[1]。

圖3 系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)方框圖

主機(jī)裝置除計算機(jī)外，還包括顯示、打印、控制等功能部件，發(fā)生器安裝于框架上部。發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

X射線探測器位于運(yùn)送物料的皮帶下部，其原理示意圖如圖5所示。測速傳感器位于運(yùn)送物料的皮帶上，X射線探測器中具有信號變送裝置，從信號變送裝置引出的信號線接入計算機(jī)，測速機(jī)構(gòu)的輸出端與主機(jī)相連，起重要作用的信號變送裝置被裝在X射線探測器側(cè)面里。

圖5中顯示X射線穿過熒光粉矩陣時被轉(zhuǎn)換為光束，可見光束觸化光電管，產(chǎn)生電荷，然后此電荷被成正比例的儲存在電容器內(nèi)，通過此電荷量的大小，可反推出X射線被衰減的量。本文使用周向射線管配長形X射線探測器的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，從而避開了現(xiàn)有技術(shù)中α角的問題，可以只根據(jù)物料的厚度來確定X射線管與探測器之間的距離。這樣大大減小了發(fā)生器與探測器之間的距離。

圖5 探測器原理示意圖

X射線的冷卻裝置的控制方法及實現(xiàn)詳見文獻(xiàn)［2］。如圖6所示為X射線管冷卻裝置電氣結(jié)構(gòu)圖［2］。

圖6中，第一交流接觸器KM1的兩個常開觸點設(shè)于泵電機(jī)M1的主回路中，在水／油泵電機(jī)M1的兩電源線之間設(shè)有油循環(huán)燈HL1。第二交流接觸器KM2的兩個常開觸點接至制冷壓縮機(jī)M2及其風(fēng)扇M3的主回路中。在控制回路中，經(jīng)選擇開關(guān)SB1分別并聯(lián)溫控表電源及由同一啟動按鍵SB2控制的第一交流接觸器KM1的線圈、第二交流接觸器KM2的線圈及溫控表，其中溫控表的輸出端接有中間繼電器KA的線圈。在啟動按鍵SB2與第二交流接觸器KM2的線圈之間設(shè)有時間繼電器KT的常開觸點及第一交流接觸器KM1的另一常開觸點，時間繼電器KT的線圈接于溫控表的報警輸出端。溫控表的輸入端接有測量油溫（或水溫）的溫度傳感器。工作時，由第二交流接觸器KM2的常開觸點閉合，接通制冷壓縮機(jī)M2的主回路，即當(dāng)溫控表檢測到油溫（或水溫）溫度高于設(shè)定溫度時，主輸出端閉合，通過時間繼電器KT延時后，時間繼電器KT的常開觸點導(dǎo)通，接通制冷壓縮機(jī)M2工作；而當(dāng)溫控表檢測到油溫（或水溫）溫度低于設(shè)定溫度時，主輸出端斷開，時間繼電器KT線圈失電，第二交流接觸器KM2線圈也因此失電，斷開制冷壓縮機(jī)M2主回路，制冷壓縮機(jī)M2不工作。溫控表的報警輸出端接中間繼電器KA的線圈，當(dāng)溫控表檢測到油溫（或水溫）溫度超過設(shè)定溫度時，報警輸出端觸點閉合，發(fā)出報警信號。在回油（或水）管路中串接了流量開關(guān)和壓力開關(guān)，其各自的信號線接至PLC的輸入端，即當(dāng)回油（或水）管路中油（或水）流量沒有達(dá)到流量開關(guān)設(shè)定的流量時，流量開關(guān)的常開觸點不閉合，流量開關(guān)發(fā)出報警；當(dāng)管路中油（或水）壓力高于壓力開關(guān)設(shè)定值時，說明管路中有堵塞，壓力開關(guān)也發(fā)出報警。這樣能使射線管內(nèi)溫度在正常的工作條件下，不致由于溫升過高而燒毀。

圖7、8為X射線管冷卻裝置外觀主、俯視圖。

圖6 X射線管冷卻裝置電氣結(jié)構(gòu)圖

圖7 X射線管冷卻裝置外觀主視圖

圖8 X射線管冷卻裝置外觀俯視圖

圖9為信號變送裝置電氣示意圖，圖10為該變送裝置的電路原理圖。

圖9 信號變送裝置電氣示意圖

圖10 變送裝置電路原理圖

3 設(shè)計特點和作用

由于波長短的伽瑪射線穿透能力強(qiáng)，而波長長的X射線則容易被物質(zhì)吸收故X射線更易被被測物料吸收，靈敏度較伽瑪射線源方案高，本文設(shè)計了一種適用于輕質(zhì)量物料測量的X射線秤。其具有如下特點：

（1）裝置在運(yùn)輸過程中無輻射，安裝方便且適應(yīng)惡劣環(huán)境條件，不需對輸送機(jī)進(jìn)行任何改動；

（2）不同于放射源實時產(chǎn)生高能粒子，X射線的產(chǎn)生可控，能保證作業(yè)人員的損傷人為可控，且裝置周圍輻射劑量很低；

（3）對于輕質(zhì)量的物料可以通過調(diào)節(jié)X射線強(qiáng)度精確計量，反應(yīng)靈敏，因此對物料適應(yīng)性強(qiáng)，范圍廣；

（4）非接觸式測量，不受皮帶張力變化及皮帶機(jī)震動影響；

（5）在現(xiàn)有專利數(shù)據(jù)庫中未檢索到相關(guān)專利，具有獨創(chuàng)性、實用性和安全性，同時外觀兼具新穎性和美觀性；

（6）檢測數(shù)據(jù)齊全，能為用戶提供瞬時流量，輸送機(jī)負(fù)荷，年、月、日、班、時產(chǎn)量及總量累計，報表統(tǒng)計分析等數(shù)據(jù)及實現(xiàn)打印功能等；

（7）使X射線應(yīng)用技術(shù)在稱重領(lǐng)域有了開創(chuàng)性的應(yīng)用。

4 結(jié) 語

綜上所述，本系統(tǒng)通過X射線發(fā)生器、探測器和測速裝置等測量X射線的吸收率計算出皮帶輸送機(jī)或管道等運(yùn)輸裝置上被測物料的負(fù)荷，再乘以速度得出物料流量及累計量。本系統(tǒng)適用于各種散裝固態(tài)物料的在線連續(xù)計量及配料控制，可廣泛應(yīng)用于水泥、煤炭、煉焦、鋼鐵、礦山、發(fā)電、化工、食品等行業(yè)。并在本文投稿前已將發(fā)明專利申請上報于國家知識產(chǎn)權(quán)局，廠方根據(jù)該思想安排了相關(guān)的生產(chǎn)工作，以便本產(chǎn)品盡早投入市場，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

［1］田 冰，孫明光.一種X射線探傷機(jī)的控制裝置：中國，200820010641.5［P］.2008－02－03.

［2］田 冰，曲秋華.一種X射線管的冷卻裝置：中國，200720016446.9［P］.2007－12－05.

［3］中國機(jī)械工程學(xué)會無損檢測分會.射線檢測［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［4］余長江，王吉先.射線探傷檢測裝置［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［5］奎 瑟.X射線光學(xué)在固體領(lǐng)域中的應(yīng)用［M］.王 煜，李家寶，譯.北京：科學(xué)出版社，1985.

［6］王曉春，張希艷.材料現(xiàn)代分析與測試技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

［7］亞沃爾斯.X射線學(xué)基礎(chǔ)理論［M］.田 玉，譯.北京：地質(zhì)出版社，1959.

［8］季達(dá)依哥羅基.X射線結(jié)構(gòu)分析［M］.龔堯圭，譯.北京：科學(xué)出版社，1958.

［9］李松年，湯 慧.X射線實用技術(shù)［M］.北京：人民衛(wèi)生出版社，1955.