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        核密度測量裝置

        2016-12-31 00:00:00閆海霞
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年15期

        摘 要:文章介紹了利用核物理測量原理,以點(diǎn)狀輻射源發(fā)射、閃爍探測器進(jìn)行接收,并以微處理器為核心的數(shù)字智能核密度測量裝置。研究射線能量的大小、準(zhǔn)直特性、管道直徑、探測器尺寸、晶體對測量靈敏度和測度精度的影響。

        關(guān)鍵詞:核物理測量原理;閃爍探測器;γ射線

        引言

        隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步,對生產(chǎn)過程中自動(dòng)化程度的要求越來越高,核密度計(jì)能夠?qū)崟r(shí)地對生產(chǎn)過程中的密度變化進(jìn)行檢測,能夠隨時(shí)掌握測量料液的密度、濃度,提高工藝水平,節(jié)約能源,保證生產(chǎn)的安全性,提高機(jī)組的安全性,減少運(yùn)行人員工作量,通過自動(dòng)控制回路,實(shí)現(xiàn)工藝過程的自動(dòng)控制,有效的排除故障。如今核密度計(jì)已經(jīng)在國外的煉油,化工等技術(shù)中廣泛的應(yīng)用,近幾年來,國內(nèi)的一些石油化工廠也開始采用核密度計(jì)這種裝置。而且國內(nèi)的核密度計(jì)的研制也取得了突破的進(jìn)展。文章將介紹一種基于γ射線原理研制的數(shù)字智能型核密度測量裝置,它的最大優(yōu)點(diǎn)是采用非接觸測量、數(shù)字顯示、穩(wěn)定可靠,不破壞、連續(xù)自動(dòng)地測量密度。且在安裝、調(diào)試、維護(hù)時(shí),不影響正常生產(chǎn),特別適合惡劣環(huán)境下密度的測量。為廠家節(jié)省大量的人力、物力,具有很好的社會(huì)效益和生態(tài)效益。核密度計(jì)對密度的精確可靠監(jiān)測,保持密度在正常范圍內(nèi)運(yùn)行,合理控制密度的波動(dòng)幅度,并達(dá)到閉環(huán)控制,對保證設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著十分重要的意義。

        1 γ射線輻射技術(shù)的原理

        γ射線是一種電磁波、光子流。與無線電波,紅外光,紫外線和可見光一樣。當(dāng)放射性物質(zhì)的原子核能級躍遷時(shí)就會(huì)產(chǎn)生γ射線。其能量高,波長短,穿透力極強(qiáng)。

        γ射線與物質(zhì)發(fā)生相互作用后射線的強(qiáng)度會(huì)減弱,放射性同位素γ射線源衰變過程中穩(wěn)定地釋放出一定強(qiáng)度的射線,γ射線與物質(zhì)發(fā)生相互作用,在其通過被測物質(zhì)時(shí)其強(qiáng)度將進(jìn)行衰減,當(dāng)被測物質(zhì)的密度和厚度越大,強(qiáng)度衰減越大。當(dāng)放射源固定后,射線在傳播時(shí)的衰減就只取決于介質(zhì)的密度和傳播的距離。當(dāng)一束準(zhǔn)直的單能γ射線,沿水平方向垂直通過被測物質(zhì)時(shí),其透射強(qiáng)度和被測物質(zhì)的關(guān)系為[1]:

        (1)

        其中:

        I0為未穿過被測物質(zhì)前的射線強(qiáng)度;I為穿過被測物質(zhì)后的射線強(qiáng)度;μ為質(zhì)量吸收系數(shù),單位為cm2/g;d為厚度,單位為cm;ρ為密度,單位為g/cm3。

        通過推導(dǎo)可以得出:

        (2)

        由(2)式可見,只要能準(zhǔn)確測量出被介質(zhì)吸收后的射線強(qiáng)度,即可隨時(shí)計(jì)算出被測物質(zhì)的密度ρ。

        2 核密度計(jì)的工作原理

        2.1 核密度計(jì)檢測系統(tǒng)的組成

        采用銫-137輻射源為發(fā)射源,該射源具有半衰期長(30年),在滿足系統(tǒng)需求的同時(shí)便于屏蔽防護(hù);利用核物理測量原理進(jìn)行設(shè)計(jì),以點(diǎn)狀輻射源發(fā)射、閃爍探測器進(jìn)行接收,采用射線準(zhǔn)直方式測量,并以微處理器為核心的數(shù)字智能核密度測量裝置進(jìn)行運(yùn)算,在監(jiān)測過程中加入溫度、放射源衰減補(bǔ)償,采用LED顯示,脈沖在線監(jiān)測及RS485接口。核密度的測量系統(tǒng)如圖1所示。有放射源銫-137,閃爍探測器,微處理器、和控制回路[2]。

        2.2 核密度計(jì)的工作原理

        銫-137輻射源放射的射線穿過被測物,被閃爍探測器接收,并將接收到的γ射線轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào),對探測器得到的信號(hào)通過放大電路放大進(jìn)行預(yù)處理,并濾除掉噪聲和干擾信號(hào)。將輸出信號(hào)整形為矩形脈沖信號(hào),以適應(yīng)微處理器的測量要求。接收到的射線強(qiáng)度,決定閃爍探測器的輸出脈沖的計(jì)數(shù)頻率,用計(jì)數(shù)頻率來測量強(qiáng)度時(shí),如果測量時(shí)間為T,脈沖數(shù)為n,則平均計(jì)數(shù)率N為[3]:

        N=n/T (3)

        式(3)無法滿足工業(yè)參數(shù)連續(xù)快速測量的需要。因此,采用定時(shí)計(jì)數(shù)方法來優(yōu)化原有算法,將測量時(shí)間分割成c個(gè)小定時(shí)單元Δt,在第i個(gè)定時(shí)單元Δti,其計(jì)數(shù)脈沖為Δni,則式(3)可表示為:

        銫-137輻射源與探測器之間的距離以及它們之間的工藝介質(zhì)都是固定不變的,被測物所吸收射線的能量就取決于介質(zhì)的密度[4]。介質(zhì)所吸收的射線越多,閃爍探測器接收到的就越少,介質(zhì)的密度就越小,反之,介質(zhì)的密度越大。通過將介質(zhì)的密度與探測器的讀數(shù)一一對應(yīng),就可以方便的得到介質(zhì)密度的讀數(shù)[5]。

        按照工藝介質(zhì)的流向,核密度計(jì)的安裝位置最佳是在環(huán)管反應(yīng)器的垂直段入口處,距離軸流泵較近。介質(zhì)自下而上的流動(dòng)可以防止在管壁上掛垢,使得較重的顆粒能夠處于懸浮的狀態(tài)。

        3 結(jié)束語

        該核密度測量裝置相比傳統(tǒng)的測量儀表,具有如下的優(yōu)勢:

        (1)利用核物理測量原理γ射線輻射技術(shù),進(jìn)行設(shè)計(jì),采用射線準(zhǔn)直方式測量,減少了散射誤差影響;它對介質(zhì)(特別是固體和漿液介質(zhì))工藝變量的感應(yīng)和控制能力非常靈敏。采用非接觸測量方式,被測物料液態(tài)、固態(tài)均可,穩(wěn)定可靠,維護(hù)量小,適用于高溫、高壓、腐蝕等環(huán)境下的密度測量。

        (2)采用銫-137輻射源為發(fā)射源,一般強(qiáng)度為1.85×108Bq,該射源具有半衰期長(30年),射源在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)合理使用,不會(huì)對人體造成傷害。放射源裝置和探測器都固定安裝在器壁外,在滿足系統(tǒng)需求的同時(shí)便于屏蔽防護(hù)。

        (3)以微處理器為核心進(jìn)行運(yùn)算,在監(jiān)測過程中加入溫度、放射源衰減補(bǔ)償,提高產(chǎn)品的測量精度。通過LED顯示儀器的輸出信號(hào),脈沖在線監(jiān)測及RS485接口,對工藝過程實(shí)行自動(dòng)控制。

        (4)設(shè)計(jì)的自動(dòng)穩(wěn)峰技術(shù),集成電路,以及貼片工藝設(shè)計(jì),可提高提高抗干擾性,補(bǔ)償由于溫度和元件老化等造成的漂移。

        (5)在信號(hào)處理與程序設(shè)計(jì)過程中,利用連續(xù)滑動(dòng)平均、比較剔除等措施降低統(tǒng)計(jì)漲落對測量精度的影響。

        隨著人們對γ射線的逐漸認(rèn)識(shí),核密度計(jì)等先進(jìn)的儀表將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

        參考文獻(xiàn)

        [1]熊建平.基于單片機(jī)的核輻射監(jiān)測儀[J].核電子學(xué)與探測技術(shù), 1999,19(1):63-65.

        [2]孫普男.ZHM-1型智能核密度計(jì)的研制與應(yīng)用[J].輕金屬,2002(9):57.

        [3]姚海峰.同位素密度計(jì)的等效標(biāo)定法及安裝中應(yīng)注意的問題[J].核技術(shù),1997,20(9):235.

        [4]何為民.智能放射性勘察儀器[M].北京:原子能出版社,1994.

        [5]蔣自力.核料位計(jì)和核密度計(jì)在石油化工裝置中的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化,2000(2):58-62.

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