陈明海
(中国化工装备总公司仪器仪表处,北京,10001
摘要 简述核子皮带秤的工作原理、基本组成和关键技术,着重对测量误差进行系统分析,提出解决或减小误差的措施。通过与电子皮带秤的对比分析,对其应用前景和地位作出预测和评价。
关键词: γ射线 探测器 绝缘 温漂 衰变
1 前 言
固体物料的秤量多年来一直沿用电子皮带秤,但由于其受皮带张力、刚度、抖动、跑偏等因素影响,在实际应用中很难保障测量精度,而且维护量大、安装不便,因而不太受用户欢迎。核子皮带秤是八十年代初在我国开始应用,由于其采用非接触式测量方式,可以克服电子皮带秤的很多缺点,因而发展很快,现已成为固体物料秤量的重要方式之一。
2 工作原理
核子皮带秤是一种放射性同位素仪表,它是利用物质对穿过它的γ射线有一定的吸收能力这一物理原理而设计的。根据核物理学可知:
式中:I———物质吸收后的γ射线强度;
I 0———物质吸收前的γ射线强度;
μ m———物质对γ射线的质量吸收系
数;
ρ———吸收物质的密度;
d———吸收物质的厚度。
若设输送机皮带宽度为a,长度为l的皮带上的物料质量为m,则密度ρ=madl代入(1)式得:
对一特定的输送机,特定的射源和特定的物料,a和μ m都是常数,,代入(2)式,两边取对数,则可求出单位皮带长度上的物料质量P:
若γ射线探测器给出正比于γ射线强度的电压信号U,则(3)式可写成:
式(4)、(5)、(6)就是核子皮带秤设计依据公式。式中k值可通过实物标定获得,不同的物料k值不同,这在误差分析部分还将谈到。
3 系统组成
核子皮带秤一般由射源、γ射线探测器、测速装置、支架和主机等五部分组成。其结构示意图见图1。
(1)γ放射源。γ放射源一般采用铯-137(Cs137),其特点是半衰期较长(30年),射线能量适中(0·660Mev)。射源强度一般在百毫居左右,射源封装在铅罐内,安装在支架上部。
(2)支架。支架的作用主要是将γ射源与探测器牢固地连在一起,以保证射源与探测器不含有相对位移。
(3)探测器。探测器的作用是把γ射线强度转换成与之成正比的电信号。电离室、盖格记数管、闪烁记数器均可作为γ射线的探测器。由于电离室具有长期稳定性好、寿命长、结构简单、体积可做得很大等特点,因而目前国内外的核子皮带秤主要采用电离室探测器。
电离室是充满气体的圆柱形容器。内有两个绝缘得很好的电极。两电极施加几百伏(一般500伏)的直流电压。当有γ射线打在电离室上,从其壁中和气体上打出能量较高的二次电子(次级电子),二次电子对气体产生电离作用,在集电极上形成与射线强度成正比的电离电流,该电流非常弱,一般为10-9~10-12A数量级,经前置放大器变换成电压信号。
为使探测器能够稳定可靠地工作,在设计、制造中应解决好下面两个问题。
a·电离室两电极的高绝缘问题。电离室集电极上收集到的电流为电离电流和漏电流之和,如果漏电流过大,则电离室无法工作。漏电流是直流高压在绝缘体上产生的电流,为了限制漏电电流就要求绝缘材料有特别高的绝缘电阻。常用的材料有聚四氟乙烯和陶瓷等,同时为避免由于绝缘体表面吸水气而引起的漏电现象,则要求在制造工艺上保证绝缘体表面干燥清洁和光滑。
b·温漂问题。电离室和前置放大器会受环境温度影响产生温漂,为使温度影响减到最小程度,除在器件、材料选择和制造工艺上保障外,还应在设计上考虑温度补偿问题。补偿的措施有两种,一种是测量环境温度,依探测器的温度特性,在主机程序设计上予以补偿。另一种办法是采用恒温措施,这种方式应选择高可靠性、长寿命的加热器件和解决高精度控温问题等。
探测器是核子皮带秤的关键部件,其性能好坏直接影响整机的性能。有些生产厂的产品质量不好,主要体现在这一部件上。
(4)测速装置。测速装置的作用是把皮带的速度转换成一个电压信号送入主机。常见的测速传感器有直流测速电机、光电速度传感器等。
(5)主机。主机一般是以CPU为核心的数据处理及操作控制装置。它采集来自探测器和速度传感器的电信号进行运算处理;并可显示、打印皮带负荷P、瞬时流量F、和累积物料量M等参数,设置空带、停带、上限、下限、定值报警、自动空带识别、自动校准U0及有关参数;输出模拟、数字信号,还可带PID定值和比例控制功能;故障自诊断;键盘(或面板)操作,并为探测器供电。主机也可设计成一机多秤。
结构形式上可有盘装、壁挂和台式等机型。
4 误差分析
核子皮带秤一般在环境条件较好的实验室模拟装置上进行实物标定或测试,由于物料成份,含水率及物料的堆积形状都比较稳定,因而都能取得较高的测量精度,一般均在±1%以内。但在实际工业应用现场,将会受各种因素影响,产生测量误差,总的讲产生误差的原因主要有以下几个方面:
(1)放射性的统计涨落带来的统计误差。放射性的统计涨落是指对同一放射源在相同条件下进行多次放射性测量,每次测得的数据不完全相同,这个数据是围绕某个平均值波动的。对核子皮带秤来说,即使物料不发生变化,核子秤的测量值也在围绕一个值波动,形成统计误差。该误差可以通过调整时间常数来减小,但时间常数过大会使系统反应缓慢,灵敏度下降,因而,根据实际物料的变化情况应合理选择时间常数。统计误差无法彻底消除。
(2)放射源的衰变引起的误差。放射源都遵循指数规律自然衰变。铯—137γ射源每月强度减弱约0.19%,每年减弱约2.27%,由此引起的误差较大,必须在主机采取自动补偿。有的厂家产品把这一误差采用经常校准空带电压U0的方法来消除,既不方便,也不科学,特别是对那些不能经常空带运转的场合。
(3)空带电压U 0产生的误差。
a·U0的确定造成的误差。由于输送机的皮带厚度是非均匀性的,这样就有一个如何确定U 0的问题,如果在系统设计上U0的确定不科学必然带来误差。目前已有的产品,该问题都未处理太好。
b·U0的变化产生的误差。U 0是以常数值参与运算的,但由于环境条件(主要是温度)的变化,系统的不稳定性,射源的衰变(如果主机予以补偿,此影响将较小)等因素的影响,会使U 0发生漂移,若仍以原U0值运算、就会产生误差,为此,必须经常校准U 0,才可减小由此产生的误差。
(4)物料的堆积形状引起的误差。即使负荷相等,物料的堆积形状不同时,对γ射线的吸收也不相同。这就给测量带来误差,这一点可以通过下面的例子来说明。
在图2中,在辐射路径上,设置了一块均匀的档板其厚度恰好使入射的射线减弱一半,则探测器上探测到的强度
在图3中,我们将图2中的档板一分为二,放置图3所示,此时探测器上的射线强度
由此可见皮带上的物料分布状态对测量精度影响是很大的。为了减小这一误差,就要求核子秤在标定时的断面形状要尽量与实际应用的一致,并要求实际应用时尽量保持皮带上的物料断面形状不变。这些要求是很苛刻的,实际应用是很难做到的,因此这一误差也是普遍存在的。
(5)物料成份、含水率变化引起的误差。大部分中等原子序数的物质对铯—137的γ射线的质量吸收系数可近似为一常数,它反映在(4)式中的k值为常数。若物料成份变化较大,必须重新标定,修正k值,否则就会造成误差。水中的氢对γ射线的吸收系数较大,因此在水份变化超过一定范围(一般±5%左右)时,也必须重新标定k值,否则也会产生误差。
(6)系统本身在信号处理及稳定性等方面引起的误差。这一误差可以通过合理的设计,器件的选择和科学、严密的制造工艺,使其误差控制在合理值范围内。其关键还是在探测器的设计制造上。
5 应用前景
核子皮带秤是一种非接触式固体散装物料在线测量仪表,与电子皮带秤相比:它不受皮带张力、刚度、抖动、跑偏等因素影响;安装方便,不需对输送设备进行改动,可以在不停车情况下安装;不存在超重、过载问题;稳定性、可靠性好;寿命长;维护量小;特别是在电子皮带秤难以应用的恶劣场合,更显示出其独特的优越性。但它也有很多缺点:首先,由于它是一种放射性仪表,存在放射性危险,国家对放射性物质管理严格,因而给运输、贮存和使用带来很大不便。其次,这种仪表必须采用实物(即仪表实际秤量的物质)标定,改变物料或物料成份变化较大必须重新标定,给用户使用带来不便。第三方面,正象误差分析中所述,由于其测量原理的限制,其测量精度受物料成份、含水率、物料堆积形状、统计涨落等不易克服的众多因素影响,致使实际应用中很难保障较高的精度。
综上所述,核子皮带秤作为固体散装物料秤量的一种方式,在物料成分、含水率、堆积形状变化不大的场合还是很适用的,特别是化工行业环境比较恶劣的应用场合,还有很大优势,与电子皮带秤可形成互补。近期尚不会出现谁取代谁的局面。
