覃杰

摘 要：放射源儀表主要是利用γ射線具有較強(qiáng)穿透力的特點(diǎn)，配套檢測(cè)系統(tǒng)、分析系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，多應(yīng)用于自動(dòng)化控制、定量測(cè)量等方面，在制漿造紙過程中得到普遍應(yīng)用，文章主要針對(duì)放射源儀表在在化機(jī)漿車間和堿回收車間的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：放射源；γ射線；料位測(cè)量；輸送物料稱重測(cè)量；密度測(cè)量

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中為應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜工況，實(shí)現(xiàn)高溫、高壓、高粘度、強(qiáng)腐蝕、多粉塵等惡劣環(huán)境下重要參數(shù)的精確測(cè)量和自動(dòng)控制，在石油、化工、冶金、電力、煤炭礦山、制漿造紙等行業(yè)中廣泛使用放射源儀表。作為一類非接觸式儀表，放射源儀表不受環(huán)境溫度、壓力、物料濃度等因素的影響，且兼有檢測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快、使用壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，這是其它測(cè)量?jī)x表無可比擬的。制漿造紙企業(yè)中對(duì)放射源儀表的典型應(yīng)用有料位測(cè)量、密度測(cè)量、輸送物料測(cè)量、紙張定量測(cè)量等。

1 料位測(cè)量

在化學(xué)機(jī)械漿生產(chǎn)線上，將用堿液浸漬處理過的纖維物料（木片、蔗渣、蘆葦?shù)龋┧腿肽{機(jī)磨解成漿是非常重要的生產(chǎn)步驟，而使用物料緩沖倉(cāng)（圖1）配合倉(cāng)底部的喂料螺旋就可將這些物料均勻平穩(wěn)的送入磨漿機(jī)進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。由于對(duì)緩沖倉(cāng)內(nèi)部的料位需要進(jìn)行精確及連續(xù)的測(cè)量以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，需要選擇一種響應(yīng)速度快且性能穩(wěn)定可靠的測(cè)量?jī)x表。備選儀表有稱重式物位計(jì)、雷達(dá)物位計(jì)及放射源物位計(jì)等。由于倉(cāng)底安裝有攪拌器及喂料輸送螺旋，振動(dòng)較為劇烈，則稱重儀不適用，而物料加入方式為從緩沖倉(cāng)頂部加入，形成較多蒸汽及粉塵的混合物，將使雷達(dá)波受到嚴(yán)重干擾，雷達(dá)物位計(jì)也無法穩(wěn)定測(cè)量。而使用放射源物位計(jì)則是較好的解決方案。

放射源物位計(jì)基于γ射線穿過物料時(shí)強(qiáng)度減弱的物理規(guī)律實(shí)現(xiàn)料位測(cè)量，當(dāng)一束γ射線穿過物料，其減弱規(guī)律為：I=I0e（-uρd），式中：

I-穿過物料后的射線強(qiáng)度；I0-穿過物料之前射線強(qiáng)度；μ-被測(cè)物料對(duì)所穿過的γ射線的線性吸收系數(shù)；ρ-物料密度；d-γ射線通過的物料厚度。

對(duì)于一定的幾何位置，經(jīng)過物料的射線基本上被吸收，物料越高，閃爍晶體探棒接收到的射線越少（圖1）。物料高度LH與閃爍晶體探棒輸出的計(jì)數(shù)率n之間成線性關(guān)系：LH=Hmax（n0-n）/（n0-n1），式中：

n0-零點(diǎn)計(jì)數(shù)率，n1-滿度計(jì)數(shù)率，Hmax-量程

其中n0及n1、Hmax為常量，當(dāng)閃爍晶體探棒輸出的計(jì)數(shù)率n值變化時(shí)即得到實(shí)時(shí)物料高度。

閃爍晶體探棒將接受的γ射線轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)并輸送至信號(hào)處理機(jī)，而信號(hào)處理機(jī)將來自探棒的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為料位顯示并將4-20mA模擬信號(hào)輸送至DCS控制系統(tǒng)，從而完成了整個(gè)測(cè)量過程。在實(shí)際使用中，放射源物位計(jì)基本上不受此工況下各種不利因素的影響，很好的完成了連續(xù)料位測(cè)量的工作。

2 輸送物料稱重測(cè)量

在制漿工廠中，用輸送皮帶輸送各種物料較為常見，如動(dòng)力廠運(yùn)送煤粉，化機(jī)漿車間運(yùn)送木片等，而作為新型的物料傳輸計(jì)量裝置，核子秤可以用于對(duì)皮帶輸送機(jī)物料進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)量累計(jì)。如圖2為核子秤結(jié)構(gòu)示意圖，它是基于γ射線穿過被測(cè)物質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度的衰減與被測(cè)介質(zhì)的組分、密度及射線方向上的厚度成指數(shù)函數(shù)關(guān)系這一原理來測(cè)量單位荷重的。根據(jù)公式I=I0e（-uρd）及公式ρds=q，可得

I=I0e（-uq/s），

式中s-皮帶上的物料寬度；q-皮帶單位長(zhǎng)度上的物料重量。

通過測(cè)速機(jī)構(gòu)測(cè)出皮帶速度v，將兩個(gè)信號(hào)相乘得到瞬時(shí)流量Q，再經(jīng)積分運(yùn)算或累加運(yùn)算得到一段時(shí)間內(nèi)輸送物料的累積流量W，用公式可表示為：

Q=q×v，W=∫q v dt

除用于皮帶輸送機(jī)外，核子秤還可以用于履帶式、鏈斗式、螺旋式等輸送機(jī)。由于其不受物料的物理化學(xué)性質(zhì)、物料厚度磨損等因素的影響，可在潮濕、粉塵污染環(huán)境下可靠運(yùn)行。且核子皮帶秤的秤體小巧，搬運(yùn)及安裝工作量小，其對(duì)維護(hù)工作的要求也比較少。

3 密度測(cè)量

在制漿工廠的堿回收車間，需對(duì)管道內(nèi)的綠液、濃白液等介質(zhì)密度進(jìn)行嚴(yán)格控制，目前大多數(shù)儀器，介質(zhì)仍要與傳感器接觸，造成儀器精度下降及故障率偏高，而利用放射源密度測(cè)量系統(tǒng)則可實(shí)現(xiàn)非接觸及較高精度的連續(xù)測(cè)量，可以方便的安裝在現(xiàn)有管道上且不需停工。該密度計(jì)基于伽瑪射線穿過被測(cè)介質(zhì)吸收后按指數(shù)衰減規(guī)律I=I0e（-uρd），式中I0、I分別為未穿及穿過介質(zhì)射線強(qiáng)度，u為吸收系數(shù)，d、ρ分別為介質(zhì)厚度和密度，只要精確測(cè)出I，I0，u，d即可測(cè)出被測(cè)介質(zhì)密度。如圖3為密度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖，由閃爍晶體計(jì)數(shù)器接收穿過管道的射線并轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)并輸送至信號(hào)處理機(jī)，經(jīng)運(yùn)算后直接顯示被測(cè)管道內(nèi)的介質(zhì)密度?；谝陨显?，由于測(cè)量?jī)x表與所測(cè)物料的非接觸性，使得這些高腐蝕性及高粘度的介質(zhì)對(duì)測(cè)量不產(chǎn)生不利影響，從而保證了測(cè)量的高可靠性和較低的維護(hù)率。值得注意的是，在進(jìn)行密度測(cè)量時(shí)，被測(cè)介質(zhì)的溫度變化對(duì)介質(zhì)的密度有直接的影響，為追求更高的測(cè)量精度，在溫度變化較劇烈時(shí)，應(yīng)使用變送器內(nèi)置的溫度補(bǔ)償功能。

4 放射源儀表合理選用

雖然放射源儀表具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，但如何安全合理的使用放射源儀表，使其發(fā)揮最大功效則需要從放射源儀表的選型做起。

4.1 放射源核素選擇

在工業(yè)應(yīng)用中，60Co、137Cs、85Kr等都是常用的放射源核素，根據(jù)不同的工況來選擇適用的核素。如針對(duì)不同壁厚的容器或管道，靈敏度較高的137Cs適用于4mm以下厚的容器或管道場(chǎng)合，而由于60Co其γ射線能量較高則可用于厚壁容器。而從放射源核素使用壽命來說，137Cs半衰期較長(zhǎng)（30年），而60Co半衰期僅有5.27年，在初始同等活度下，相對(duì)來說選用137Cs能夠使用得更久。

4.2 放射源活度選擇

眾所周知，放射源所發(fā)出的射線對(duì)人體有危害，放射源活度越大對(duì)人體潛在傷害會(huì)越大，但如果放射源活度不夠，也無法保證射線在穿過容器壁和物料后還保持一定的強(qiáng)度讓檢測(cè)器接收到，因此，放射源活度的選擇需要綜合考慮所測(cè)物料的形態(tài)、密度等性質(zhì)和該物料容器或管道的直徑、材質(zhì)厚度及探測(cè)器側(cè)的安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等參數(shù)。如在料位計(jì)和密度計(jì)使用時(shí)，使用60Co或137Cs，活度在10mCi-1Ci不等。

4.3 探測(cè)器選擇

探測(cè)器即為接收放射源射線并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，根據(jù)其對(duì)射線的接收原理可分為兩類：氣體電離室和閃爍晶體。

氣體電離室的工作原理是：惰性氣體被射線照射后電離形成電信號(hào)，經(jīng)放大器放大后變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)送至主機(jī)。

氣體電離室主要特點(diǎn)為：信號(hào)穩(wěn)定，抗震性強(qiáng)，使用相對(duì)壽命較長(zhǎng)，但其要求放射源活度大，且體積較大不利于安裝，信號(hào)靈敏度也較差。

閃爍晶體的工作原理為：閃爍晶體被電離形成光信號(hào)，經(jīng)由光電倍增管變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)過處理后形成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送至主機(jī)。

閃爍晶體的主要特點(diǎn)為：信號(hào)靈敏度較高，要求放射源的活度小，甚至比氣體電離室要低十幾倍，從而使安全性大大提高，且其體積小易于安裝，不過由于晶體易碎，所以抗震性能較差。

對(duì)不同的使用工況可以根據(jù)兩種探測(cè)器的特點(diǎn)進(jìn)行靈活選擇，在用于料位計(jì)和密度計(jì)時(shí)均應(yīng)選擇體積小、信號(hào)靈敏的閃爍晶體類探測(cè)器，用于核子秤時(shí)由于環(huán)境震動(dòng)較大，選擇氣體電離室為佳。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于在生產(chǎn)工藝過程中選用了適合的放射源儀表，使得生產(chǎn)工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)十分可靠、準(zhǔn)確，在生產(chǎn)過程中，對(duì)維持控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到了顯著的作用，而放射源儀表極低的維護(hù)率及維護(hù)成本也為企業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造了較高的效益，隨著放射源儀表在制漿工廠更多的應(yīng)用將會(huì)使企業(yè)生產(chǎn)工藝自動(dòng)化更上一個(gè)新臺(tái)階。endprint

摘 要：放射源儀表主要是利用γ射線具有較強(qiáng)穿透力的特點(diǎn)，配套檢測(cè)系統(tǒng)、分析系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，多應(yīng)用于自動(dòng)化控制、定量測(cè)量等方面，在制漿造紙過程中得到普遍應(yīng)用，文章主要針對(duì)放射源儀表在在化機(jī)漿車間和堿回收車間的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：放射源；γ射線；料位測(cè)量；輸送物料稱重測(cè)量；密度測(cè)量

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中為應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜工況，實(shí)現(xiàn)高溫、高壓、高粘度、強(qiáng)腐蝕、多粉塵等惡劣環(huán)境下重要參數(shù)的精確測(cè)量和自動(dòng)控制，在石油、化工、冶金、電力、煤炭礦山、制漿造紙等行業(yè)中廣泛使用放射源儀表。作為一類非接觸式儀表，放射源儀表不受環(huán)境溫度、壓力、物料濃度等因素的影響，且兼有檢測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快、使用壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，這是其它測(cè)量?jī)x表無可比擬的。制漿造紙企業(yè)中對(duì)放射源儀表的典型應(yīng)用有料位測(cè)量、密度測(cè)量、輸送物料測(cè)量、紙張定量測(cè)量等。

1 料位測(cè)量

在化學(xué)機(jī)械漿生產(chǎn)線上，將用堿液浸漬處理過的纖維物料（木片、蔗渣、蘆葦?shù)龋┧腿肽{機(jī)磨解成漿是非常重要的生產(chǎn)步驟，而使用物料緩沖倉(cāng)（圖1）配合倉(cāng)底部的喂料螺旋就可將這些物料均勻平穩(wěn)的送入磨漿機(jī)進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。由于對(duì)緩沖倉(cāng)內(nèi)部的料位需要進(jìn)行精確及連續(xù)的測(cè)量以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，需要選擇一種響應(yīng)速度快且性能穩(wěn)定可靠的測(cè)量?jī)x表。備選儀表有稱重式物位計(jì)、雷達(dá)物位計(jì)及放射源物位計(jì)等。由于倉(cāng)底安裝有攪拌器及喂料輸送螺旋，振動(dòng)較為劇烈，則稱重儀不適用，而物料加入方式為從緩沖倉(cāng)頂部加入，形成較多蒸汽及粉塵的混合物，將使雷達(dá)波受到嚴(yán)重干擾，雷達(dá)物位計(jì)也無法穩(wěn)定測(cè)量。而使用放射源物位計(jì)則是較好的解決方案。

放射源物位計(jì)基于γ射線穿過物料時(shí)強(qiáng)度減弱的物理規(guī)律實(shí)現(xiàn)料位測(cè)量，當(dāng)一束γ射線穿過物料，其減弱規(guī)律為：I=I0e（-uρd），式中：

I-穿過物料后的射線強(qiáng)度；I0-穿過物料之前射線強(qiáng)度；μ-被測(cè)物料對(duì)所穿過的γ射線的線性吸收系數(shù)；ρ-物料密度；d-γ射線通過的物料厚度。

對(duì)于一定的幾何位置，經(jīng)過物料的射線基本上被吸收，物料越高，閃爍晶體探棒接收到的射線越少（圖1）。物料高度LH與閃爍晶體探棒輸出的計(jì)數(shù)率n之間成線性關(guān)系：LH=Hmax（n0-n）/（n0-n1），式中：

n0-零點(diǎn)計(jì)數(shù)率，n1-滿度計(jì)數(shù)率，Hmax-量程

其中n0及n1、Hmax為常量，當(dāng)閃爍晶體探棒輸出的計(jì)數(shù)率n值變化時(shí)即得到實(shí)時(shí)物料高度。

閃爍晶體探棒將接受的γ射線轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)并輸送至信號(hào)處理機(jī)，而信號(hào)處理機(jī)將來自探棒的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為料位顯示并將4-20mA模擬信號(hào)輸送至DCS控制系統(tǒng)，從而完成了整個(gè)測(cè)量過程。在實(shí)際使用中，放射源物位計(jì)基本上不受此工況下各種不利因素的影響，很好的完成了連續(xù)料位測(cè)量的工作。

2 輸送物料稱重測(cè)量

在制漿工廠中，用輸送皮帶輸送各種物料較為常見，如動(dòng)力廠運(yùn)送煤粉，化機(jī)漿車間運(yùn)送木片等，而作為新型的物料傳輸計(jì)量裝置，核子秤可以用于對(duì)皮帶輸送機(jī)物料進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)量累計(jì)。如圖2為核子秤結(jié)構(gòu)示意圖，它是基于γ射線穿過被測(cè)物質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度的衰減與被測(cè)介質(zhì)的組分、密度及射線方向上的厚度成指數(shù)函數(shù)關(guān)系這一原理來測(cè)量單位荷重的。根據(jù)公式I=I0e（-uρd）及公式ρds=q，可得

I=I0e（-uq/s），

式中s-皮帶上的物料寬度；q-皮帶單位長(zhǎng)度上的物料重量。

通過測(cè)速機(jī)構(gòu)測(cè)出皮帶速度v，將兩個(gè)信號(hào)相乘得到瞬時(shí)流量Q，再經(jīng)積分運(yùn)算或累加運(yùn)算得到一段時(shí)間內(nèi)輸送物料的累積流量W，用公式可表示為：

Q=q×v，W=∫q v dt

除用于皮帶輸送機(jī)外，核子秤還可以用于履帶式、鏈斗式、螺旋式等輸送機(jī)。由于其不受物料的物理化學(xué)性質(zhì)、物料厚度磨損等因素的影響，可在潮濕、粉塵污染環(huán)境下可靠運(yùn)行。且核子皮帶秤的秤體小巧，搬運(yùn)及安裝工作量小，其對(duì)維護(hù)工作的要求也比較少。

3 密度測(cè)量

在制漿工廠的堿回收車間，需對(duì)管道內(nèi)的綠液、濃白液等介質(zhì)密度進(jìn)行嚴(yán)格控制，目前大多數(shù)儀器，介質(zhì)仍要與傳感器接觸，造成儀器精度下降及故障率偏高，而利用放射源密度測(cè)量系統(tǒng)則可實(shí)現(xiàn)非接觸及較高精度的連續(xù)測(cè)量，可以方便的安裝在現(xiàn)有管道上且不需停工。該密度計(jì)基于伽瑪射線穿過被測(cè)介質(zhì)吸收后按指數(shù)衰減規(guī)律I=I0e（-uρd），式中I0、I分別為未穿及穿過介質(zhì)射線強(qiáng)度，u為吸收系數(shù)，d、ρ分別為介質(zhì)厚度和密度，只要精確測(cè)出I，I0，u，d即可測(cè)出被測(cè)介質(zhì)密度。如圖3為密度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖，由閃爍晶體計(jì)數(shù)器接收穿過管道的射線并轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)并輸送至信號(hào)處理機(jī)，經(jīng)運(yùn)算后直接顯示被測(cè)管道內(nèi)的介質(zhì)密度?；谝陨显?，由于測(cè)量?jī)x表與所測(cè)物料的非接觸性，使得這些高腐蝕性及高粘度的介質(zhì)對(duì)測(cè)量不產(chǎn)生不利影響，從而保證了測(cè)量的高可靠性和較低的維護(hù)率。值得注意的是，在進(jìn)行密度測(cè)量時(shí)，被測(cè)介質(zhì)的溫度變化對(duì)介質(zhì)的密度有直接的影響，為追求更高的測(cè)量精度，在溫度變化較劇烈時(shí)，應(yīng)使用變送器內(nèi)置的溫度補(bǔ)償功能。

4 放射源儀表合理選用

雖然放射源儀表具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，但如何安全合理的使用放射源儀表，使其發(fā)揮最大功效則需要從放射源儀表的選型做起。

4.1 放射源核素選擇

在工業(yè)應(yīng)用中，60Co、137Cs、85Kr等都是常用的放射源核素，根據(jù)不同的工況來選擇適用的核素。如針對(duì)不同壁厚的容器或管道，靈敏度較高的137Cs適用于4mm以下厚的容器或管道場(chǎng)合，而由于60Co其γ射線能量較高則可用于厚壁容器。而從放射源核素使用壽命來說，137Cs半衰期較長(zhǎng)（30年），而60Co半衰期僅有5.27年，在初始同等活度下，相對(duì)來說選用137Cs能夠使用得更久。

4.2 放射源活度選擇

眾所周知，放射源所發(fā)出的射線對(duì)人體有危害，放射源活度越大對(duì)人體潛在傷害會(huì)越大，但如果放射源活度不夠，也無法保證射線在穿過容器壁和物料后還保持一定的強(qiáng)度讓檢測(cè)器接收到，因此，放射源活度的選擇需要綜合考慮所測(cè)物料的形態(tài)、密度等性質(zhì)和該物料容器或管道的直徑、材質(zhì)厚度及探測(cè)器側(cè)的安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等參數(shù)。如在料位計(jì)和密度計(jì)使用時(shí)，使用60Co或137Cs，活度在10mCi-1Ci不等。

4.3 探測(cè)器選擇

探測(cè)器即為接收放射源射線并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，根據(jù)其對(duì)射線的接收原理可分為兩類：氣體電離室和閃爍晶體。

氣體電離室的工作原理是：惰性氣體被射線照射后電離形成電信號(hào)，經(jīng)放大器放大后變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)送至主機(jī)。

氣體電離室主要特點(diǎn)為：信號(hào)穩(wěn)定，抗震性強(qiáng)，使用相對(duì)壽命較長(zhǎng)，但其要求放射源活度大，且體積較大不利于安裝，信號(hào)靈敏度也較差。

閃爍晶體的工作原理為：閃爍晶體被電離形成光信號(hào)，經(jīng)由光電倍增管變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)過處理后形成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送至主機(jī)。

閃爍晶體的主要特點(diǎn)為：信號(hào)靈敏度較高，要求放射源的活度小，甚至比氣體電離室要低十幾倍，從而使安全性大大提高，且其體積小易于安裝，不過由于晶體易碎，所以抗震性能較差。

對(duì)不同的使用工況可以根據(jù)兩種探測(cè)器的特點(diǎn)進(jìn)行靈活選擇，在用于料位計(jì)和密度計(jì)時(shí)均應(yīng)選擇體積小、信號(hào)靈敏的閃爍晶體類探測(cè)器，用于核子秤時(shí)由于環(huán)境震動(dòng)較大，選擇氣體電離室為佳。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于在生產(chǎn)工藝過程中選用了適合的放射源儀表，使得生產(chǎn)工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)十分可靠、準(zhǔn)確，在生產(chǎn)過程中，對(duì)維持控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到了顯著的作用，而放射源儀表極低的維護(hù)率及維護(hù)成本也為企業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造了較高的效益，隨著放射源儀表在制漿工廠更多的應(yīng)用將會(huì)使企業(yè)生產(chǎn)工藝自動(dòng)化更上一個(gè)新臺(tái)階。endprint

摘 要：放射源儀表主要是利用γ射線具有較強(qiáng)穿透力的特點(diǎn)，配套檢測(cè)系統(tǒng)、分析系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，多應(yīng)用于自動(dòng)化控制、定量測(cè)量等方面，在制漿造紙過程中得到普遍應(yīng)用，文章主要針對(duì)放射源儀表在在化機(jī)漿車間和堿回收車間的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：放射源；γ射線；料位測(cè)量；輸送物料稱重測(cè)量；密度測(cè)量

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中為應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜工況，實(shí)現(xiàn)高溫、高壓、高粘度、強(qiáng)腐蝕、多粉塵等惡劣環(huán)境下重要參數(shù)的精確測(cè)量和自動(dòng)控制，在石油、化工、冶金、電力、煤炭礦山、制漿造紙等行業(yè)中廣泛使用放射源儀表。作為一類非接觸式儀表，放射源儀表不受環(huán)境溫度、壓力、物料濃度等因素的影響，且兼有檢測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快、使用壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，這是其它測(cè)量?jī)x表無可比擬的。制漿造紙企業(yè)中對(duì)放射源儀表的典型應(yīng)用有料位測(cè)量、密度測(cè)量、輸送物料測(cè)量、紙張定量測(cè)量等。

1 料位測(cè)量

在化學(xué)機(jī)械漿生產(chǎn)線上，將用堿液浸漬處理過的纖維物料（木片、蔗渣、蘆葦?shù)龋┧腿肽{機(jī)磨解成漿是非常重要的生產(chǎn)步驟，而使用物料緩沖倉(cāng)（圖1）配合倉(cāng)底部的喂料螺旋就可將這些物料均勻平穩(wěn)的送入磨漿機(jī)進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)。由于對(duì)緩沖倉(cāng)內(nèi)部的料位需要進(jìn)行精確及連續(xù)的測(cè)量以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，需要選擇一種響應(yīng)速度快且性能穩(wěn)定可靠的測(cè)量?jī)x表。備選儀表有稱重式物位計(jì)、雷達(dá)物位計(jì)及放射源物位計(jì)等。由于倉(cāng)底安裝有攪拌器及喂料輸送螺旋，振動(dòng)較為劇烈，則稱重儀不適用，而物料加入方式為從緩沖倉(cāng)頂部加入，形成較多蒸汽及粉塵的混合物，將使雷達(dá)波受到嚴(yán)重干擾，雷達(dá)物位計(jì)也無法穩(wěn)定測(cè)量。而使用放射源物位計(jì)則是較好的解決方案。

放射源物位計(jì)基于γ射線穿過物料時(shí)強(qiáng)度減弱的物理規(guī)律實(shí)現(xiàn)料位測(cè)量，當(dāng)一束γ射線穿過物料，其減弱規(guī)律為：I=I0e（-uρd），式中：

I-穿過物料后的射線強(qiáng)度；I0-穿過物料之前射線強(qiáng)度；μ-被測(cè)物料對(duì)所穿過的γ射線的線性吸收系數(shù)；ρ-物料密度；d-γ射線通過的物料厚度。

對(duì)于一定的幾何位置，經(jīng)過物料的射線基本上被吸收，物料越高，閃爍晶體探棒接收到的射線越少（圖1）。物料高度LH與閃爍晶體探棒輸出的計(jì)數(shù)率n之間成線性關(guān)系：LH=Hmax（n0-n）/（n0-n1），式中：

n0-零點(diǎn)計(jì)數(shù)率，n1-滿度計(jì)數(shù)率，Hmax-量程

其中n0及n1、Hmax為常量，當(dāng)閃爍晶體探棒輸出的計(jì)數(shù)率n值變化時(shí)即得到實(shí)時(shí)物料高度。

閃爍晶體探棒將接受的γ射線轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)并輸送至信號(hào)處理機(jī)，而信號(hào)處理機(jī)將來自探棒的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為料位顯示并將4-20mA模擬信號(hào)輸送至DCS控制系統(tǒng)，從而完成了整個(gè)測(cè)量過程。在實(shí)際使用中，放射源物位計(jì)基本上不受此工況下各種不利因素的影響，很好的完成了連續(xù)料位測(cè)量的工作。

2 輸送物料稱重測(cè)量

在制漿工廠中，用輸送皮帶輸送各種物料較為常見，如動(dòng)力廠運(yùn)送煤粉，化機(jī)漿車間運(yùn)送木片等，而作為新型的物料傳輸計(jì)量裝置，核子秤可以用于對(duì)皮帶輸送機(jī)物料進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)量累計(jì)。如圖2為核子秤結(jié)構(gòu)示意圖，它是基于γ射線穿過被測(cè)物質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度的衰減與被測(cè)介質(zhì)的組分、密度及射線方向上的厚度成指數(shù)函數(shù)關(guān)系這一原理來測(cè)量單位荷重的。根據(jù)公式I=I0e（-uρd）及公式ρds=q，可得

I=I0e（-uq/s），

式中s-皮帶上的物料寬度；q-皮帶單位長(zhǎng)度上的物料重量。

通過測(cè)速機(jī)構(gòu)測(cè)出皮帶速度v，將兩個(gè)信號(hào)相乘得到瞬時(shí)流量Q，再經(jīng)積分運(yùn)算或累加運(yùn)算得到一段時(shí)間內(nèi)輸送物料的累積流量W，用公式可表示為：

Q=q×v，W=∫q v dt

除用于皮帶輸送機(jī)外，核子秤還可以用于履帶式、鏈斗式、螺旋式等輸送機(jī)。由于其不受物料的物理化學(xué)性質(zhì)、物料厚度磨損等因素的影響，可在潮濕、粉塵污染環(huán)境下可靠運(yùn)行。且核子皮帶秤的秤體小巧，搬運(yùn)及安裝工作量小，其對(duì)維護(hù)工作的要求也比較少。

3 密度測(cè)量

在制漿工廠的堿回收車間，需對(duì)管道內(nèi)的綠液、濃白液等介質(zhì)密度進(jìn)行嚴(yán)格控制，目前大多數(shù)儀器，介質(zhì)仍要與傳感器接觸，造成儀器精度下降及故障率偏高，而利用放射源密度測(cè)量系統(tǒng)則可實(shí)現(xiàn)非接觸及較高精度的連續(xù)測(cè)量，可以方便的安裝在現(xiàn)有管道上且不需停工。該密度計(jì)基于伽瑪射線穿過被測(cè)介質(zhì)吸收后按指數(shù)衰減規(guī)律I=I0e（-uρd），式中I0、I分別為未穿及穿過介質(zhì)射線強(qiáng)度，u為吸收系數(shù)，d、ρ分別為介質(zhì)厚度和密度，只要精確測(cè)出I，I0，u，d即可測(cè)出被測(cè)介質(zhì)密度。如圖3為密度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖，由閃爍晶體計(jì)數(shù)器接收穿過管道的射線并轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)并輸送至信號(hào)處理機(jī)，經(jīng)運(yùn)算后直接顯示被測(cè)管道內(nèi)的介質(zhì)密度?；谝陨显恚捎跍y(cè)量?jī)x表與所測(cè)物料的非接觸性，使得這些高腐蝕性及高粘度的介質(zhì)對(duì)測(cè)量不產(chǎn)生不利影響，從而保證了測(cè)量的高可靠性和較低的維護(hù)率。值得注意的是，在進(jìn)行密度測(cè)量時(shí)，被測(cè)介質(zhì)的溫度變化對(duì)介質(zhì)的密度有直接的影響，為追求更高的測(cè)量精度，在溫度變化較劇烈時(shí)，應(yīng)使用變送器內(nèi)置的溫度補(bǔ)償功能。

4 放射源儀表合理選用

雖然放射源儀表具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，但如何安全合理的使用放射源儀表，使其發(fā)揮最大功效則需要從放射源儀表的選型做起。

4.1 放射源核素選擇

在工業(yè)應(yīng)用中，60Co、137Cs、85Kr等都是常用的放射源核素，根據(jù)不同的工況來選擇適用的核素。如針對(duì)不同壁厚的容器或管道，靈敏度較高的137Cs適用于4mm以下厚的容器或管道場(chǎng)合，而由于60Co其γ射線能量較高則可用于厚壁容器。而從放射源核素使用壽命來說，137Cs半衰期較長(zhǎng)（30年），而60Co半衰期僅有5.27年，在初始同等活度下，相對(duì)來說選用137Cs能夠使用得更久。

4.2 放射源活度選擇

眾所周知，放射源所發(fā)出的射線對(duì)人體有危害，放射源活度越大對(duì)人體潛在傷害會(huì)越大，但如果放射源活度不夠，也無法保證射線在穿過容器壁和物料后還保持一定的強(qiáng)度讓檢測(cè)器接收到，因此，放射源活度的選擇需要綜合考慮所測(cè)物料的形態(tài)、密度等性質(zhì)和該物料容器或管道的直徑、材質(zhì)厚度及探測(cè)器側(cè)的安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等參數(shù)。如在料位計(jì)和密度計(jì)使用時(shí)，使用60Co或137Cs，活度在10mCi-1Ci不等。

4.3 探測(cè)器選擇

探測(cè)器即為接收放射源射線并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，根據(jù)其對(duì)射線的接收原理可分為兩類：氣體電離室和閃爍晶體。

氣體電離室的工作原理是：惰性氣體被射線照射后電離形成電信號(hào)，經(jīng)放大器放大后變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)送至主機(jī)。

氣體電離室主要特點(diǎn)為：信號(hào)穩(wěn)定，抗震性強(qiáng)，使用相對(duì)壽命較長(zhǎng)，但其要求放射源活度大，且體積較大不利于安裝，信號(hào)靈敏度也較差。

閃爍晶體的工作原理為：閃爍晶體被電離形成光信號(hào)，經(jīng)由光電倍增管變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)過處理后形成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送至主機(jī)。

閃爍晶體的主要特點(diǎn)為：信號(hào)靈敏度較高，要求放射源的活度小，甚至比氣體電離室要低十幾倍，從而使安全性大大提高，且其體積小易于安裝，不過由于晶體易碎，所以抗震性能較差。

對(duì)不同的使用工況可以根據(jù)兩種探測(cè)器的特點(diǎn)進(jìn)行靈活選擇，在用于料位計(jì)和密度計(jì)時(shí)均應(yīng)選擇體積小、信號(hào)靈敏的閃爍晶體類探測(cè)器，用于核子秤時(shí)由于環(huán)境震動(dòng)較大，選擇氣體電離室為佳。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于在生產(chǎn)工藝過程中選用了適合的放射源儀表，使得生產(chǎn)工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)十分可靠、準(zhǔn)確，在生產(chǎn)過程中，對(duì)維持控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到了顯著的作用，而放射源儀表極低的維護(hù)率及維護(hù)成本也為企業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造了較高的效益，隨著放射源儀表在制漿工廠更多的應(yīng)用將會(huì)使企業(yè)生產(chǎn)工藝自動(dòng)化更上一個(gè)新臺(tái)階。endprint