料位监测

料位监测（精选7篇）

料位监测 篇1

0 引言

料位监测系统是利用射线与物质相互作用时γ 射线辐射强度变化情况来确定物料位置的装置。当 γ 射线束垂直通过吸收物质时, 一部分被阻挡物质吸收, 一部分则透过阻挡物质。γ 射线与物质发生相互作用构成了衰减, 衰减过程服从指数衰减规律。因此, 料位计监测系统是利用射线强度的衰减变化遵循指数规律这一原理进行设计的一整套监测系统。通过对容器中物料进行不接触式连续测量, 从而确定物料罐中物料数量是否满足生产需要, 或者向容器中添加原料, 或者把容器中收集的物料卸掉, 通过料位监测系统直接为企业生产管理提供服务。该系统主要包括 γ 辐射源、探头、信号线路、主机等。料位监测系统最大特点是非常适合在环境条件比较恶劣的场所进行在线监测, 如广泛应用于生产现场环境条件较差的冶金、煤炭、建材、电力等部门的有关产生高温、高压、易燃易爆、颗粒状、粉末状、无定形状、粘稠状、极毒的生产线上。

在热力发电厂, 对环境的主要污染源之一是烟尘, 企业把经过除尘设施除尘后的烟尘收集在金属贮灰罐中, 当贮灰罐中烟尘灰渣装满后由汽车拉运到灰渣场贮存。车间为了及时掌握贮灰罐中的烟尘渣数量和在罐中的位置, 防止贮灰罐中收集的烟尘灰渣在装满后未能及时排出使新收集的烟尘灰渣不能进入而产生故障, 影响正常生产。测量贮灰罐中灰渣量的装置国内大多数生产厂家采用装有放射性同位素137Cs或60Co的料位监测系统来完成[1]。许多厂家生产中经常出现如放射源包装罐射线出束口可能偏离信号采集器、放射源罐已经破损而不能及时发现等问题。本文所进行的工作正是对放射源安全管理、监测系统的稳定性、测量数据的可靠性、简便易操作方面进行的改进和探讨, 通过对生产线的改造, 实践证明效果是比较满意的。

1 设计原理与仪器设备

1.1 设计原理

放射源射出的 γ 射线束垂直通过吸收物质时, 部分 γ 射线与物质发生相互作用被吸收, 穿透后的射线计数与料位高度之间存在一定对数关系, 而非线性关系。衰减关系服从指数规律, 即:

式 (1) 中, N为射线通过厚度为d (cm) 物质后的γ 射线辐射剂量率, μGy/h;N0为射线通过物质前的起始 γ 射线剂量率, μGy/h;μm为物质对射线的总线性吸收系数 (质量衰减系数) , cm2/g;P为物料密度, g/cm3;d为物料厚度或高度, cm。

通过在模拟电路中多级电路分段模拟, 取得一个近似的线性关系, 采用单片机通过软件编程实现其功能。从式 (1) 可知, 物质的厚度越厚、密度越大, 其所测得的辐射强度减弱的就越厉害。所以, 利用射线能够穿透物质和在物质中有规律的减弱特性, 对物料数量和位置进行监测。

1.2 仪器设备

料位计主要由三部分组成, 即放射源、探头和主机;放射源一般用137Cs或60Co放射性同位素的比较多;探头由Na I (TI) 晶体和前置放大电路组成;主机由滤波成形电路 (主放) 及幅度甄别电路、反符合电路、计数电路、单板机和必要的辅助电路组成。料位监测系统基本组成及监测过程如图二所示。

并非所有的放射性同位素源都可以作为γ射线料位计的放射源。在选用放射源时, 应根据被测量介质对其能量、安全性能的要求, 以及源的寿命、价格、国内是否容易购买等多种因素进行选择。料位计要求γ辐射源有较强的穿透能力, 故必须使所用源有较高能量;还要求源的同位素理化性质稳定, 不与源包壳发生化学作用和腐蚀包壳材料。国内从测量效果、经济、安全等多方面因素考虑, 热力发电厂使用的放射源基本上为137Cs放射性同位素或60Co放射性同位素。137Cs放射源半衰期T1/2 (30.0a) 、60Co放射源半衰期T1/2 (5.27a) , 它们射线穿透能力均较强, 对装载的物料容器大、容器壁厚的灰罐料位测量较适用。源活度大小选用按以下公式进行估算, 即:

式 (2) 中, M为137Cs或60Co放射源活度, m Ci;n为脉冲计数率, cps;n本为探测器本底计数率, cps;L为放射源和探测器之间距离, m;K为探测器测量系数;k (μ, d) 为 γ 射线束通过材料为厚度d时的减弱因子;ξ 为源强宽裕系数。

根据该热力发电厂装载物料介质、贮灰罐容积大小和罐壁厚度等参数, 经计算选用的137Cs放射源出厂活度约为15m Ci。探头采用有较高探测效率的Na I (TI) 晶体探测器件, 和光电倍增管配合前置放大电路, 由于探头输出的脉冲信号幅度较小和信号较窄的原因, 采用滤波成形电路将放大和成形连在一起, 把射线能量变化转化为相匹配的脉冲幅度变化, 经电缆线把料位信号完整的输入车间控制室主机, 使车间技术人员通过主机及时了解贮灰罐灰位高度, 以便指令有关岗位工人将贮灰罐灰渣排入汽车车箱再运到指定的贮灰场堆放处置。

2 线路及其系统改造

由于该厂建厂时间较长, 料位监测系统线路老化, 需要整顿改造。具体改造内容如下:

2.1 放射源罐包装改造

给监测系统配套的放射源罐加工钢板盒包装。将放射源罐装入并用螺母固定在加工有门的钢板盒内, 再将钢板盒用螺母固定在贮灰罐侧的钢管支架上防止掉落。同时在源罐射线出口的钢板盒处留有出口缝隙, 使射线经由源罐射线出口→钢板盒射线出口→贮灰罐, 以便在料位计工作时射线不被钢板屏蔽。钢板盒门可以加锁, 以防无关人员对源开关随便开启, 防止放射源被盗。此项工作有防尘、防盗、防源破损屏蔽射线泄漏、防源掉落等安全作用。

2.2 探头信号传输改造

原线路由灰罐车间从单个探头接受器上引入到主机接口, 由于线路使用时间较长, 传输线已经零乱无序, 有的传输线已经开裂, 加之车间粉尘浓度高, 降低了屏蔽保护作用, 也给线路检修工作带来麻烦。为此, 我们在车间安装了电缆柜, 把主机和各个料位计探头电源通过电缆柜中间体连接起来, 并在各接点编号, 再由柜的引出点把传输线通过车间墙角设置的朔料管引入到生产值班室专用的料位计主机上, 改变原来车间线路紊乱现象。同时在主机外加装蜂鸣器叫声提示音报警装置, 警示某一贮灰罐烟尘灰渣需要尽快卸出, 以蜂鸣器叫声提示管理人员, 这样由多重报警系统强化管理。使主机上由液晶显示、灯光报警、通信三大功能增加到四大功能。

2.3 辐射剂量率监测点位布设

该厂原为定期在车间用量程范围较小的 γ 剂量率仪巡测, 检查车间人员活动区域范围辐射水平和用量程范围较宽的长柄 γ 剂量率仪测量放射源是否破损。为强化监督管理, 结合该厂泛射源安装位置高度, 我们将车间划为10×10m2网格, 在每个网格内距地面高度1m处架设固定的 γ 辐射剂量率探头, 测量信号经屏蔽线引入车间办公室, 主机显示监测点位环环境 γ 辐射剂量率水平。当发现环境中γ 辐射剂量率水平变化较大时, 技术人员进入车间进行监测, 了解原因。当车间灰罐数量较少时, 可以在车间安装一台固定式剂量报警仪, 即探头在车间, 报警显示装置在车间办公室, 此固定式剂量报警仪经济实用。另外经常用长柄 γ 剂量率仪测量放射源是否破损。所以整个车间的辐射剂量率监测系统确保了车间正常辐射水平。

3 测量结果

我们有代表性的选用几组车间常态化辐射环境质量监测数据, 如表一所示。说明改造后料位监测系统对车间距贮灰罐放射源1m处和车间地面1m高度处 γ 辐射剂量率数据传输系统性能更稳定, 监测数据可靠。

4 讨论

4.1 关于料位计的计量校正

当放射源的相对位置和强度确定以后, 射线在介质中的衰减符合指数衰减规律, 当贮灰罐中的灰渣位置高度发生变化时, 射线的 γ 辐射剂量率也会发生变化, 把被测量前后两种状态时的 γ 辐射剂量率进行对比, 就可以判断贮灰罐中灰渣高度变化情况。但是料位计的计量误差也不容忽视, 特别是对于小容量贮渣容器中料位测量更应注意精确测量问题, 产生测量误差的原因主要有三方面因素:一是由于放射源射线由包装体铅罐射线出口射出穿过贮灰罐后未能对准探头, 散射的射线经贮灰罐后到达探头的强度变弱, 致使贮灰罐中料位数据偏高。产生原因往往是安放放射源铅罐的支架固定不牢靠, 时间久了会发生射线出口方向与探头位置发生偏转;二是由于车间粉尘浓度高, 时间久了粉尘堵塞了铅罐射线出口, 影响射线到达探头的强度;三是60Co的半衰期为5.27a, 随着用户对料位计使用时间的增长, 必然由于源活度的减少而影响料位测量的准确性。所以, 给放射源铅罐再包装, 即将源罐放置在自制的钢板盒中, 再牢固的固定在贮灰罐附近支架上, 是克服以上第一种产生误差原因的重要措施, 也应经常检查和维修放射源及其铅罐使其正常运行, 以及定期对放射源活度做好计算和料位曲线修正是必不可少的工作。

4.2 关于放射源对环境的辐射影响

由于工作人员经常在车间巡视检查和进行设备检修, 因此从保护辐射工作人员和公众安全和健康角度考虑, 重要工作之一是要经常监测贮灰罐车间地面1m高度处的 γ 辐射剂量率, 以掌握车间辐射环境质量情况和监测点位的 γ 辐射剂量率变化情况, 后者为管理人员确定车间是否有放射源破损泄漏提供参数依据。过去, 该厂采用的办法是不定期用车间配备的 γ 剂量率仪进行车间巡测;此次, 我们把车间划分为10×10m2网格, 在每个网格内距地面高度1m处架设固定的 γ 辐射剂量率探头, 测量信号经屏蔽线引入车间办公室, 主机显示监测点位环境 γ 辐射剂量率水平, 提高了管理水平。经环境监测并结合工作人员个人剂量计监测结果, 正常情况下放射源对车间工作人员和公众影响较小, 其中工作人员个人年附加有效剂量最大值为3.42m Sv, 公众的年附加有效剂量在0.05~0.13m Sv之间, 均满足GB18871-2002[4]和环评中对工作人员5m Sv/a和对公众0.25m Sv/a的剂量管理要求。另外, 对车间面积较少的也可以在车间安装1~2 台固定式 γ 辐射剂量率仪, 其探头安装在车间, 主机安装在办公室, 操作简单, 经济适用。同时要求厂方制定计划, 定期用 γ 剂量率仪到放射源周围表面测量检查放射源是否破损, 这对于安装位置较高的放射源更为必要。

5 结束语

利用车间原有料位监测系统进行了线路改造, 避免了线路混乱经常造成的信号显示不正常和检修困难;增加了放射源保护措施和料位高度测量可靠性措施, 避免了贮灰罐灰渣高度位置与主机显示高度误差问题;结合车间放射源安装高度等实际情况, 在地面高度1m处布设了环境监测点位, 便于掌握车间辐射环境质量和判断附近放射源的屏蔽情况及是否有放射破损, 为及时检修提供依据支持;估算了车间工作人员和车间附近工作的公众个人年附加剂量, 其附加剂量较小, 符合国家有关要求。以上工作使该厂辐射管理工作更加规范化。

参考文献

[1]陈万金, 陈燕俐, 蔡捷.辐射及其安全防护技术[M].北京:化学工业出版社, 2006.

[2]赖万昌, 杨焕章, 肖鹏, 等.核子料位计的研究[J].核电子学与探测技术, 2008, 28 (04) :740-743.

[3]孙普男.减小核料位计统计涨落的方法[J].核电子学与探测技术, 2008, 28 (02) :399-401.

[4]GB18871-2002.电离辐射防护与辐射源安全基本标准[S].北京:中国标准出版社, 2002.

群控式料位开关测量系统 篇2

企业较多的设备中同时使用γ射线料位开关, 采用普通的转换器和探测器模式, 在操作和控制时有些凌乱, 标定时需要对不同的转换器进行单独操作, 另外要分别从转换器输出端接入报警装置, 而且由于使用转换器的数量比较多, 也增加了整个测量系统的故障率。采用PLC可以实现信号的集中采集、显示及报警, 从而减少转换器的数量, 降低了测量系统的故障率, 同时降低了整个系统的成本。

2 系统测量原理

设备安装料位开关是为了实现对工艺料位极限位置的控制, 如上限、下限。γ射线料位开关是通过以下原理实现对物料位置的测量。

γ射线料位开关物位测量是以γ射线与物质相互作用被吸收因而射线强度随吸收物质的厚度 (或高度) 变化这一规律为技术基础的。窄束的γ射线的吸收规律通常是指数规律, 即:

I=I0e-μh (1)

式中:I0, I——料位高度为0和h时探头处的射线强度;μ——物料对γ射线的线性吸收系数。基本测量原理如图1所示。

用探头检测出随料位变化的射线强度信号, 再经过核电子学处理, 最后转换成适当的电信号就可以用来显示料位。

这里我们把信号数字化, 认为在h=0时探测器接收到的数字信号为n0, 当h≠0时接收到的信号为n, 当h最大时接收到的信号为n1, 即当没有物料时读数为n0, 反之为n1, 中间状态为n。通过比较n与n0、n1的大小判断物料是否到达报警位置, 所以对PLC编程的目的便是实现PLC采集信号n和“预制值”的比较, 如图2所示。

3 系统组成

该料位监测系统选用S7-200系列的PLC, 以CPU226作为计算控制核心, EM235作为数据单元, TP170A触摸屏作为人机接口, 可以通过触摸屏作现场标定, HZ-0100型探测器作为信号检测单元, 对HZ-0100型探测器和TP170A分别配12 V和24 V开关电源, 采用HR-WP-X103型闪光报警器。

HZ-0100型探测器直接送出脉冲信号, 这里需要PLC能够从探测器直接读取脉冲信号, PLC作为可以从外界直接读取数字信号的计数器是高速计数器 (HSC) 。选择PLC的原则就是尽量选用HSC较多的PLC。S7-200有6个输入端, 6个输入端口都可以作为HSC的输入端。如:河南某企业采用23个HZ-0100型探测器, CPU226有HSC0～HSC5六个高速计数器可用 (CPU221和CPU222都只有4个高速计数器, 有两个输入端不能利用) , 使用4台PLC, 选CPU226性价比较高, 同时因为CPU226有16路输出 (这里根据该企业的要求在本系统报警输出的同时DCS也能够有报警输出) , CPU226可以分别将报警信号输出到报警器和DCS上。

4 程序设计

程序设计的功能是当物料位置达到工艺极限位置 (高限或者低限) 时系统报警, 当物料恢复工艺要求料位时报警取消。

根据HZ-0100型探测器的测量原理可知, 当射线穿透不同的物质时, 射线被吸收的剂量不一样, 即在不同的工艺料位下, 探测器接收到的射线强度不同, 反映到测量结果上就是在各个位置探测器接收到的射线的计数率不同。根据射线的这种性质, 对程序只需要测得设备中有物料和没有物料的两个状态的计数率即可, 然后通过与两个状态计数率大小的比较后输出报警便能完成料位开关的功能。整个程序流程如图3所示。

(1) PLC高速计数器计数的实现[1]。首先, 由于HZ-0100型探测器输出的脉冲信号不符合PLC高速计数器对脉冲15～26 VDC、30 Hz要求, 虽然高速计数器也能够从探测器读到数字脉冲, 但是相对于测量要求来说计数率偏低, 原因是与HZ-0100型探测器配合使用的转换器对脉冲的要求是-3～-5 V、3 μs。这样高速计数器只能读到很少的能达到要求的脉冲, 无法满足测量的需要, 改变这种现象的方法有两种:①加大放射源的活度, 以提高计数率。但是按照目前放射源的价格, 并考虑环境、运输、安装、安全防护等方面的问题, 增加放射源的活度是不可取的;②对探测器输出的波形做一下调整, 通过硬件电路改善脉冲参数以达到PLC的技术要求。我们选择第②种方法, 在使用PLC计数以前首先对探测器输出的脉冲信号作一下调整, 调整方案见图4。

注:W, Z, X, F——探测器的接线端子;R7——确定阈值620～1 000 Ω使得VD1绝对值为1.5 V;R6——确定脉宽T=3R6C2;R9——确定高压输出, 限压值5 V

另外, 因为光电倍增管的工作特性, 每一个光电倍增管都有对应坪区电压, 最终在一个较好的工作电压下工作, 这样就需要调节光电倍增管的工作坪区, 即要求有一个可以调整此电压的电路, 驱动板的另外一个作用就是调节光电倍增管的工作电压。

(2) 定义高速计数器的工作模式, 初始化计数器。

(3) 计数开始。

(4) 定义一个定时器。

(5) 定时时间到, 读取计数器当前值, 并存储。

(6) 判断测量值和预置值的关系, 确定报警方向。

(7) 计数器停止计数, 当前值清零, 重新启动计数器, 程序进入下一个循环。

5 现场数据分析

这里选用一个探测器的十次测量结果对系统的重复性进行分析, 如表1所示。

重复性是考核一台料位开关优劣的关健指标。这里所说的重复性是指用同一台开关 (这里用测量系统的一路探测器) 多次对同一个工艺位置进行测量所得结果的偏差。进行重复性实验时要尽量避免因样品缩分、分散等方面的影响。

重复性偏差计算公式:

undefined

式中:σ——xi的标准差;δ——重复性的相对误差;undefined——xi的平均值。

重复性偏差计算结果:0.16%, 可见系统仍然有很好的重复性。

6 应用范围

本系统可以用于各行业生产过程中料斗、储罐等容器内的物料自动上、下限报警。特别适用对以下设备进行物料上、下限的自动报警:聚合釜、反应釜、催化剂加料器、脱气仓、带滤器、气蒸罐、锅炉灰仓、煤仓、电除尘器灰斗等。

7 使用经验

因为γ射线自身的统计涨落特性, 致使在单位时间内探测器接收到的信号也存在涨落, 又因为其测量误差与其计数n有关, 其标准误差 (绝对误差) 为undefined, 其相对误差为undefined。为减小相对误差, 当放射源活度一定, 探测器探测效率也一定时, 为了增加计数以减小相对误差, 则要延长计数时间, 但是出于对料位开关实时测量的考虑, 时间又不能太长, 具体计数时间可根据实际的工艺条件确定[2]。

本系统也可以应用到料位测量的系统当中, 通过PLC的模拟输出模块输出4～20 mA信号, 当然程序上需要加强数据的处理, 改善系统的容错能力。目前该系统的应用主要针对料位开关, 系统数据处理的能力相对较弱, 对于通过HZ-0100型探测器采集来的数字信号, 系统在处理计数脉冲时只是做了一个延时, 用以减少因现场采集信号的突然变化导致的误报警, 对于料位测量系统需要改进的是在某一个给定的时间段内把现场采集的数字信号取平均值以保证测量的稳定性, 减小系统误差。另外, 对于料位测量系统测量结果的线性化也很重要, 由于γ射线本身的特性使得料位的测量结果不是线性的, 所以需要程序根据射线的一些特性作线性化处理。

参考文献

[1]台方.可编程控制应用[M].北京:中国水利水电出版社, 2001.

锅炉煤粉仓料位测量实践及应用 篇3

关键词：煤粉仓,料位计,介电常数,煤粉细度

1 概述

陕西神木化学工业有限公司一期三台75吨锅炉为哈尔滨锅炉厂生产的煤粉炉, 炉型成“n”型, 前部竖井为炉膛, 四周布满水冷壁, 为单汽包、自然循环、四角布置煤粉直流燃烧器, 采用中间储仓乏气送粉系统。二期使用四川锅炉厂生产的两台220t/h高压单锅筒、自然循环、集中下降管倒U型布置的固态排渣煤粉炉。两套装置共有5个煤粉仓。几年来, 煤粉仓料位测量一直是困扰我公司仪表测量的一个难题, 从最初的射频导纳物位计到机械重锤装置测量, 到目前使用的3台科隆缆式雷达物位计, 一直处于粉位测量的改良改造阶段。

2 煤粉仓粉位测量介绍和现状

粉仓是由钢板或砼浇注而成的, 贮存锅炉所用一定量的煤粉, 制粉系统送来合格的煤粉通过顶部进料口进入煤粉仓, 再通过叶轮给粉机送至排粉管, 由排粉机送至锅炉炉膛, 该仓分为上下两部分, 底部为锥形漏斗, 漏斗出口分别装有8台叶轮给粉机, 仓的上半部分为仓体, 长宽高为7.2米*6.5米*4米, 顶部有0.4米*0.5米两个下料口, 200*200的两个料位计安装孔。

煤粉的颗粒度小于80μm的占80%, 流动性好, 进入主体仓呈“△”型。制粉进料时粉尘大, 一般料位计难以克服进料粉尘的干扰。

在我公司2005年一期项目中, 三个煤粉仓各使用了一台射频导纳物位计。射频导纳物位计的工作原理基于电容器之电容量的变化。测量传感器探头与参考探头 (通常由罐壁担当) 构成电容的两极, 电容量由二者之间的被测物料特性决定;利用物料介电常数恒定时, 极间电容正比于物位的原理进行工作的。其特点是无可动部件, 与物料密度无关, 但要求物料的介电常数与空气介电常数差别大, 变化的介电常数在进行连续测量时要加以补偿, 且需用高频电路。由于原料煤湿度、灰分含量的差异, 造成煤粉的介电常数发生变化, 对仪表安装的要求极高, 所以出现指示波动、异常等现象, 并导致5次冒仓的事故。

因为射频导纳物位计无法提供可靠的监控数据, 为保障生产需要, 2006年4月改用机械重锤料位计, 虽然操作测量设备较原始, 却大大降低了工艺事故, 解决了冒仓、无数据参考的问题。但运行半年之后, 机械重锤式料位计故障率逐渐增大, 三台每年维修及更换备件可组成三台新的料位计, 其检修工作占锅炉仪表维修班的60%工作量, 为此, 2010年6月公司年度大修前夕, 我们本着提高自控监控水平, 即时、连续提供工艺监控数据, 降低劳动强度的原则, 于粉仓顶部重新开孔, 重定仪表安装位置, 图二仪表位置尺寸为新开孔安装位置, 试用科隆OPTIFLEX 1300 C三台缆式雷达料位计, 通过两个月的试用, 目前运行稳定良好。

3 科隆OPTIFLEX 1300 C缆式雷达物位计试用

我们使用科隆OPTIFLEX 1300 C缆式雷达物位计, 8mm不锈钢单缆。该雷达物位计采用的是Time Domain Reflectometry (简称TDR) 时域反原理。其工作方式是电子变送器与过程连接相连, 变送器通电后会产生高频脉冲并沿天线 (硬杆或软缆天线) 向下传送;当高频脉冲遇到被测介质表面时会产生反射, 该信号沿着天线反射回去并被电子变送器接收到, 变送器检测出该脉冲信号从发射到接收的时间间隔, 从而精确地计算出过程连接到被测介质表面的距离;通过给定的罐高, 减去所测量的距离值, 计算出物位的高度。

科隆OPTIFLEX1300C系列雷达物位计, 设计更先进, 采用了2GHz的脉冲频率;更高的脉冲频率带来更窄的脉冲宽度, 所以该系列仪表具有更高的分辨率和精度, 并能够检测更窄的界面。如:在典型的油水混合的界面测量中, 能够测量仅50mm的油层厚度;和科隆上一代的雷达物位计所能检测的最小厚度90mm相比, 该技术指标优化了将近1倍。不仅如此, 极佳的时间基准稳定性使该系列的仪表具有更佳的重复性, 从而具有更佳的可靠性。

针对仪表特点, 安装使用应遵循以下原则:

首先, 安装这种缆式雷达料位计需要在粉仓上方开孔, 开孔大小与粉仓顶部楼层厚度有关, 通常来说开孔大小要大于粉仓顶部楼层厚度, 我们试用的这个粉仓楼层厚度为180cm, 因此, 粉仓开孔大小为200cm, 同时, 开孔位置距离粉仓四周墙壁不得少于30cm, 以免测量信号受到墙壁的影响而影响测量精度。

其次, 在安装完成后, 在空罐情况下, 我们需要设置以下几个参数。因为在现场根据安装位置处的料仓高度, 进行了天线截短的处理;可以进入仪表快速设置菜单, 运行“自识别天线长度”的功能。根据仪表所自动检测到天线长度, 设为实际的天线长度。但是, 在运行该功能时, 必须确保空仓的状态;否则会出现误识别的情况。另外, 仪表还有“顶部干扰识别”功能, 该功能能够记录因安装所带来的干扰信号并屏蔽这些干扰信号, 保证物位测量的正常。

最后, 虽然是进口仪表, 但是因为有中文菜单, 所以参数设置会非常方便。进入仪表的快速设置菜单后, 仪表通过人机问答的方式, 引导用户设置参数。如:应用设置中的介质类型、介质数量等;安装参数中的安装方式、罐高、过程连接方式等;如:输出设置中的输出功能、4m A和20m A及错误时输出信号处理等完成这些快设置后, 仪表即能正常工作。

4 OPTIFLEX 1300 C揽式雷达料位计投入运行效果对比

公司期初采用射频导纳料位计和机械重锤料位计, 有测量数据波动, 干扰多, 故障率高, 轻则煤仓料位过满溢出, 造成冒煤事故;重则煤仓料位过低或排空会造成燃烧不稳甚至灭火停机的大事故, 甚至由于粉位控制的不理想, 监控不到位, 导致煤粉集热、燃烧、爆炸, 给生产带来极大威胁, 给维护检修带来极大的困难。OPTIFLEX 1300 C自我们6月份安装投运以来, 经过两个月的使用, 测量实时, 准确, 满足测量控制要求。图1为曲线图, 为三台雷达运行24小时内的实时曲线图。

结束语

科隆的这款缆式雷达物位计除了操作简单、免维护之外;还具备其它的一些功能。如物位和体积的转换, 自动检测介质的相对介电常数, 还有特殊的Tank Bottom Follow (简称TBF罐底跟踪测量模式等。这些功能的灵活运用都需要我们在实践中进一步去挖掘探索。

参考文献

[1]工业锅炉安全运行管理综合技术手册[M].北京:化学工业科技出版社, 2009, 4.

[2]张毅, 张宝芬, 草丽, 彭黎辉.自动检测技术及仪表控制系统.ISBN7-5025-6239-7/G.1609[M].北京:化学工业出版社.

[3]陕西神木化学工业有限公司.动力车间一二期锅炉主要装置说明改编.

射线料位计的故障及维护 篇4

济源钢铁公司炼铁分厂高炉采用无料钟上料,根据工艺需要,在高炉料罐底部采用射线料位计测量。料罐料位测量装置采用北京得天测控技术研究所γ射线料位计,铯137作为放射源,对环境及人体有一定危害,所以操作及维修人员掌握正确的使用及维护料位计方法十分必要。

1 工艺说明

高炉在料流调节阀上部对称性地装有一个放射源及一次接收探头(如图1所示),利用放射源产生一个恒定的γ射线,γ射线穿过下料口时,如遇到一定厚宽物质阻挡,将被物质吸收大部分粒子束,使另一侧一次接收探头收到的γ射线粒子束信号与没有物质阻挡时收到的γ射线粒子束有明显区别。

一次接收探头接收到放射源发出的粒子束后,产生相应电脉冲信号(与接收的粒子束成正比),通过2芯屏蔽线远传到室内二次显示仪表信号输入上(电压为3~5V)。

信号经二次显示仪表转换后,内部产生一个线性模拟量,根据人为预先设定好仪表的料空、料满值来进行料空、料满判断,并输出一个开关量信号到PLC上,根据这个信号程序判断料罐内是否有料。如果在下料时从有料变为无料,则可认为料罐内料已经完全进入高炉内部,从而产生周期进位条件,使受料斗内料批开始进入料罐,槽下再向受料斗备料,直至下一个料罐下料循环。

2 常见故障及排查方法

根据工艺要求,可以看出料罐料空或料满对高炉程序运行来说十分重要,因为这个信号是高炉周期循环备料的重要条件。常见故障:料罐信号不空或料罐信号不满。出现故障后,可先开、关几次下密封和料流调节阀,排除并确认没有发生料罐底部挤、堵料现象,然后再根据现场故障现象准确判断问题所在,避免影响高炉上料。

一般故障排查方法:检查是否有异物挡在料罐放射源或一次接收探头前;检查一次接收探头及二次显示仪表工作电源是否正常;检查信号传输线是否正常,有无接地、短路、干扰等;检查放射源粒子束线与接收装置是否在同一准心上;高炉检修出现故障需要检查放射源是否在关闭位置。

3 检修注意事项

(1)不要长时间站在与放射源粒子束线成垂直的平面上。

(2)来往通过放射源时不要超过粒子束线,尽量弯腰低头通过。

(3)检修一次接收探头时与操作工合作先把放射源关闭掉。

(4)停电检修后,再次上电,仪器正常工作前要有预热时间(探头2h,二次仪表不小于5s)。

4 射线料位计故障应急预案

当射线料位计出现故障且需要长时间检查时,可切换到通过时间来控制料罐空、满信号上料。切换步骤:

(1)在高炉槽下上料画面找到“料罐射线”及“料罐时间”切换按钮(空、满信号分别对应射线源控制及时间控制)。在“料罐时间”旁边对应的时间输入框,输入料罐放料时延时料空时间值。为安全起见,该值应比射线源控制时的料空时间稍长。

(2)在料罐未放料时按下“料罐时间”按钮,操作完成。

(3)射线正常后也可在料罐未放料时通过按下“料罐射线”按钮,切换到射线源控制料空。

5 射源使用注意事项

(1)铯-137是一种银白色、质软、化学性质极为活泼元素,遇水发生爆炸。金属铯的活性很强,在空气中燃烧会喷溅,产生浓密的碱性烟雾,伤害眼睛、呼吸系统和皮肤。因此在生产、贮存及运输时必须严格防止金属铯同空气或水接触。

(2)在射线料位计中铯137被装在一个用铅层作保护的铁壳容器中,容器上有一个射线阀门,阀门由一个手把操纵,当手把在开的位置时,射线可以从前方的一个10°圆孔中穿出来,在关的位置上,射线被封闭。

(3)核源在安装使用前射线阀门必须处于关的位置,用锁锁住以确保安全。核源要由专人负责保管。开启放射源前,应确保在放射范围内或在介质容器内没有人。放射源应由专人开启。

(4)正常使用条件下,核源壳体周围射线的微量泄露,在国家规定的范围之内,对人身没有任何伤害。

(5)放射源的外防护:时间、距离和屏蔽防护。在放射源附近作业时,照射时间愈长,工作人员所接受的剂量越大,为了控制剂量,有时一项工作需要几个人来接替完成,确保每个工作人员均在允许的剂量水平下完成操作,达到安全的目的。对于个人来说,这就要求操作熟练,动作尽量简单迅速,减少不必要的照射。

(6)所有的维护工作,如移动或更换放射源,只能由权威部门认可的管理部门或专人操作。必须符合当地法规或操作许可,并考虑各种现场因素,准备充分,确保尽可能快地更换或移动放射源。所有的工作都应在安全区域内完成(屏蔽),采取适当的措施(如设警戒区等),避免危害他人。

(7)如果放射源被意外损伤或发生其它不可预见的事件或放射源丢失,必须立即采取以下紧急措施:立即通知辐射保护部门;所有的员工必须立即撤离危险区,测量点附近区域应帖上标记,禁止入内;如果放射性物质进入被测介质,应立即停止生产,可能被污染的介质应被保护,在进行有关测试前,不能再使用;必须通知包括消防队员、保安员在内的所有人员,注意放射危害;紧急措施开始执行后,放射性保护人员必须立即通知当地有关责任部门。

(8)一旦不再需要使用放射性测量仪表,应立即关闭源盒内的放射性源,核源移动必须符合相关规则,将核源放置在带锁的房间内并通知责任部门,进入储存放射源的房间必须经有关部门批准,放射性保护人员应负责它的安全,源盒内的放射性源应尽可能快地回收。

6 结语

煤仓料位自动监控系统的研究 篇5

1 煤仓料位传感器

1.1 超声波式料位传感器。首先要探讨的是超声波技术, 通过对运行中的料位进行探测, 来感应数据变化, 并将这种变化传递回控制系统中, 实现最终的操控目的。该种技术能够实现连续变化量的监测。料位监测对精准度的要求十分严格, 任何误差都对影响到最终的使用安全性。监测期间还需要考虑颗粒的大小问题, 不同体积的颗粒在运行速率上会出现明显的变化, 探头监测到这一变化后, 会借助传感器将其传输到总控制中心, 实现最终的监测任务, 对位置误差进行调控。在煤仓顶部对着料面装有超声波发生器和接收器。发生器发出的超声波经空气层射至料面并被反射后, 被接收器接收, 由超声波发射到接收器接收所经历的时间乘以声速就可以计算出料位高度。超声波式能连续测量料位, 探头不与物料接触, 无粘着和被埋危险, 但对煤仓直径与深度比有一定的要求, 并要求煤仓形状规则, 内表面光滑, 但测量盲区较大, 因而可靠性差, 测量深度也有一定限度另外由于空气温度的高低会影响声波的传播速度, 所以还需测量温度以修正声速。超声波式料位传感器适合于测量粒度较大的块料料位。

1.2 核辐射式料位传感器。对煤炭颗粒进行辐射, 根据最终的结果判断监控物体所在位置, 这种技术是通过射线反馈来实现功能的, 传感器的先进程度也有明显提升。在使用阶段, 需要特别注意的是, 避免其他射线的干扰。否则所接收到的信息也会出现误差, 影响调控指令的发出。在此阶段需要特别注意的是物料之间是否存在粘连情况, 一旦发现要及时的分离, 以免对辐射穿透造成影响, 在分离期间要保障物块的完整程度。在系统运行过程中, 探讨并不是直接与物体接触的, 而是通过发射射线, 接收反射来实现工作目的的。由放射源Co-60 (半衰期5.26a) 和Cs-137 (半衰期32.2a) 发射的 γ 射线能够穿透容器壁和容器内的物料。在贮仓下侧装有 γ 射线接收器, 随着料面高度的变化, γ 射线穿过料层后的强度也不同, 接收器检测出射入的 γ 射线强度并通过显示仪表显示出料位高度。γ 射线式能作定点测量, 也能作连续测量, 探头不与物料接触, 无粘着和被埋危险, 能使用于封闭容器, 所以适用于危险物品以及高温高压等恶劣环境下的测量。但是防护要求高, 作连续测量时, 价格昂贵。

1.3 电阻式料位传感器。与上述两项技术相比较, 电阻传感器的导通原理更加简单, 技术原理也相对简单, 应用期间能够准确的定位位置, 所做出的调控也比较精准。虽然具有诸多优点, 但技术应用期间仍然面临着很多问题, 例如在使用过程中电流强度难以控制, 容易产生误差, 探头容易被电流击穿等现象。增大了监控系统的运行成本, 由于探测装置自身带有不稳定性, 因此使用过程中数据结果也很难与实际情况一致, 将误差数据投入到使用中, 对煤仓控制便失去了作用, 技术中存在的问题仍需要解决。电阻式结构简单, 安装容易, 但只能作定点和上限位监测, 而且探头与物料接触容易粘着物料, 造成误动作, 并容易损坏。

1.4 电容式料位传感器。与电阻相比较, 电容装置的敏感程度会有明显提升。物料经过电容的一极时, 探测装置会自动导通, 此时的物料是不断移动的, 但移动到另一端电极时, 便能够得到最终准确的数据, 该种监控方法过程比较简单, 所利用的原理也具有变动性。能够在短时间内完成检测任务呢, 数据传输过程不会出现错误, 这种检测方法也可以结合使用需求做出适当的调整。在监控过程中对物体的介电常数要求稳定, 一旦出现变动会对最终结果带来影响。因此系统使用方向也存在一些局限性, 不能应用在地下矿产的测量中, 深度需要控制在合理范围内。

1.5 重锤式料位传感器。同样是以电为能源来进行的, 但在控制原理上却有明显的变化, 是通过感受重力变化与移动来实现控制目标。虽然目前的测量方法中仍然会受到环境变化的影响, 但通过重锤式感应系统能够自动完成这一工作任务。传感器感受到重力变化后, 会将其传递到系统中, 系统再根据所得到的数据信息来进行分析运算, 能够判断物料的准确位置, 并对接下来的运行轨迹做出调控, 确保生产环节的稳定性。它能定时作连续测量, 测量深度大, 方法简单, 成本较低。

2 井下煤仓料位传感器的性能要求

自动监控系统中, 传感器是实现功能的重要模块, 需要定期的检修维护, 以提升工作任务的完成质量。检修期间发现误差也能及时调整, 否则会对使用带来负面影响。针对一些常见的干扰问题, 要及时采取解决措施, 例如电磁干扰与振动影响等。鉴于煤矿井下环境恶劣、温度较高、湿度大、粉尘大、测距较大、电磁干扰强, 故用于煤矿井下煤位测量的料位传感器应该具有良好的环境相容性、高可靠性、防爆、测量连续准确、易于维护或免维护等特点。

在这样的环境下, 使用超声波式、γ 射线式、电容式、电阻式等料位传感器测量煤位时, 测量精度, 设备工作稳定性和可靠性等都受到影响。而重锤料位计具有结构简单、适应恶劣环境、使用及维护方便等优点, 故以重锤式料位传感器作为煤仓料位监测装置是一种较好的选择。

但目前国内已有的重锤式料位传感器大多是机械式的, 包括显示部分整个结构很复杂, 因而工作可靠性较差、易出故障。所以对重锤式煤位传感器的设计研究具有极高的实用价值和广阔的应用前景。重锤式料位自动监控系统应克服如下几个问题:a.由于煤矿工作环境恶劣, 料位监控系统的电控部分必须加强抗干扰方面的设计;b.悬有重锤的钢丝绳易被从仓顶落下的煤块砸断;c. 重锤短时和物料接触, 有被埋的危险等。

结束语

经以上分析, 考虑到煤矿井下特殊环境, 鉴于重锤式料位测量法简单易行, 成本低, 故以重锤式料位传感器作为煤仓料位监测装置是一种较好的选择。本文分析了现有重锤料位传感器存在的问题, 指出了改进的方向。

参考文献

[1]孙利, 李庆昭, 潘守国.矿用雷达料位计的设计[J].工矿自动化, 2012 (2) .

基于相位差的雷达料位测量系统 篇6

随着工业生产过程的日益现代化,炉窑的液位或料位已经成为重要的检测与控制参数之一。传统的非接触式料位测量方法有机械探尺、视频监视、红外成像等手段。雷达料位测量系统主要应用于一些不能用常规仪表进行监测的特殊工况,安装简便,可靠性和准确度高,无机械磨损,可以长期稳定运行,因此可以在现场中广泛应用[1,2]。本文研制了一种测量距离在2~50米,适应在高炉等恶劣工况下的高精度雷达,文中设计了雷达测量系统的硬件组成,并对数字信号处理算法进行了改进。

1 系统结构

雷达料位测量系统包括雷达发射和接收电路、供电系统电路、滤波放大电路、人机界面等几个部分,系统组成框图如图1所示。

雷达料位测量系统工作时,通过数字信号处理器控制压控振荡器产生24GHz连续等幅高频等幅信号,该信号通过隔离器和环行器加至天线发射出去。经目标反射回来的回波信号与发射波信号在混频器中混频输出中频信号。中频信号的频率与目标距离相关,采用滤波网络和放大电路,对中频信号中可能存在的谐波、余波进行滤除,并对有用信号进行放大保持,确保将中频信号送往信号处理与显示模块。由于料位测量系统是单目标测量,理想情况下中频信号为一个固定频率的正弦波,所以料位的测量可归结为对正弦波频率的测量[3]。

2 系统硬件设计

2.1 雷达发射模块的设计

雷达波发射模块主要由ADF4107和VCO构成,结构框图如图2所示。ADF4107锁相芯片,能够实现本地振荡器。测量系统发射模块主要通过对VCO的控制来实现雷达波的发射,而对VCO的控制则采用DSP的McBSP口对锁相环进行控制来实现。系统设计雷达波发射频率为24GHz,由于ADF4107最高工作频率为7GHz,直接由ADF4107控制高频波的发射存在困难。这里设定ADF4107发射频率为6GHz,经过硬件放大实现24GHz雷达波。

在硬件设计中,雷达波发射模块增加了使能端,当需要发射雷达波时,通过I/O口使能该模块,否则禁止该模块工作,以降低整个系统的功耗。

2.3 滤波放大电路

高频头输出的信号主要包括:高频端子回波信号、两个扫频周期过渡时,电容放电引起的噪声、系统本身引入的噪声、目标物体周围各种设备引入的噪声等。因此,需要进行滤波,提取并放大有用信号。

经实验,本系统滤波器均采用4阶切比雪夫滤波器,其中高通滤波器截至频率为250Hz,低通滤波器截至频率20kHz。A/D模块采用F2812自带的12位模数转换模块。自动增益放大器采用AD公司的OP4177,通过其SPI接口与DSP进行通讯,通过软件设置电位计的值,实现自适应放大的目的,中频电路输出信号范围为40uV~400mV。

2.4 通讯模块及人机界面

由于本系统要求使用4~20mA的信号传送测量结果。使用HART协议数字通信的方式和控制设备交换仪表设置参数、中间测量数据、校准参数等信息。

人机界面设计主要包括LCD液晶的显示以及键盘的设计。在系统工作过程中,DSP需要完成人机交互、显示,并通过通讯模块将主要测量数据传输到现场设备。本系统选用的液晶显示模块采用内置T6963C控制器型液晶,由液晶显示控制器T6963C及其周边电路,行驱动器组,列驱动器组以及液晶驱动偏压电路组成。

3 改进相位差算法

对雷达中频信号的处理方法很多,相位差法是常用的方法之一。传统的相位差法[5]是通过频谱最高值的相位进行校正,其校正方法为:采两段信号,分别进行FFT,得到两组频谱数据,分别找出两组频谱数据中幅值最大的谱线,求出各自的相位值,然后将两相位值相减,得到公式(1)。

其中,φ1、f1、φ2、f2分别是第一段采样信号、第二段采样信号频谱最高值的相位、频率值,μ1、μ2分别是第二段采样信号相对于第一段采样信号的平移相对量及所加窗长相对量,T为所加对称窗的窗长,Δf为频率校正量,Δφ是两个频谱最高处相位的相位差。

则最高值谱线校正量

则次高值谱线校正量

频率校正量Δk与频谱最高值与频谱次高值的比值相关。比较最高值误差绝对值与次高值误差绝对值的比值与Δk的关系,结合matlab仿真结果得到:无噪声情况下的最高值误差绝对值与次高值误差绝对值比值曲线的规律类似于一个1/x函数,同时曲线过点(50,0),结合Δk自身的规律,现构造一个变量。曲线基本与最高值校正误差绝对值与次高值校正误差绝对值的比值吻合,所以确定为加权校正量,校正公式为:

4 工业实现与应用

仿真表明:有噪声境况下,加权校正结果误差比单纯使用频谱最高值或次高值得到的结果误差小。图4中显示为15.01k Hz-15.09k Hz频率段校正结果。

Matlab仿真结果表明:采样频率为102.4k Hz,采样点数为1024点,信噪比为30d B情况下,使用改进的相位差法得到的频率校正误差小于0.041mm,而传统相位差法在相同情况下的频率校正误差是小于0.115mm。

采用改进的相位差法,进行数字信号处理,结合硬件实验结果显示,本雷达料位系统的测量精度为1.5%,基本上满足了高炉料位测量的需要。但同时系统设计还存在一些需要改进的地方,如电源精度不高,导致系统工作不太稳定;微波发射装置发热量比较大,缺乏散热装置,给系统增加了热噪声,这些都使得实际测量误差大于仿真误差。

5 结束语

本文对常用的料位检测技术进行了分析研究,设计研制出一套基于DSP的雷达料位测量系统,并对系统进行了硬件设计及信号处理技术的研究。利用DSP的McBSP口对锁相环进行控制,实现的雷达波发射,采用倍频放大的方式获得24GHz的雷达发射波。中频信号经过滤波放大,及信号处理,通过人机界面进行显示。仿真表明信噪比30dB的情况下,改进的相位差法,精度可以达到0.041mm,比传统的性位差法提高了测量精度。实验表明该测量系统整体性能稳定,在测量实际距离时能实现1.5%的测量精度。该测量系统的研究为炉窑内的料位、液位测量提供了一个新的控制策略。

摘要：研究了一种低成本、高精度工业雷达料位测量系统,设计了雷达的发射装置、信号的滤波放大电路,以及人机界面。对雷达中频信号的处理,文中采用改进的相位差法,在传统的相位差法只取频谱最大值的相位信息的基础上,加入频谱次高值的相位信息,并将二者加权拟合,确定校正公式,得到更高的校正精确度。经过测试,该测量系统可以克服环境影响,实现稳定可靠的测量,满足工业现场料位测量的需要。

关键词：高炉,雷达,料面测量,相位差

参考文献

[1]Jin Liu,Xianzhong Chen,Zheng Zhang.A novel algorithm in the FMCW microwave liquid level measuring system[J].Measurement Science and Technology,2006,7:135-138.

[2]陈先中,张争.复杂工况下超声波液位测量系统的设计.传感器技术,2005,24(11):41-43.

[3]谭朔,郭伟.调频连续波近程测距系统研究.航船点子工程,2007,160(4):95-99.

[4]石红瑞,马智宏,郭利进.用BASIC智能模板实现PLC5与雷达液位计数据通讯.制造业自动化,2003,5:58-60.

长塑料闪烁体核子料位计的研制 篇7

1基本原理

典型的闪烁探测器由闪烁体、光导、光电转换器件和电源组成。核子料位计依据 γ 射线穿过物料后强度衰减的原理,通过测定射线强度的变化确定料位的高度。衰减服从指数规律,可用如下函数表示［3］

其中,I0和I是吸收前后的射线强度; ρ 是物料的密度( g /cm3) ; μ 为物料对 γ 射线的吸收系数( cm2/ g) ; d是被测物料的厚度( cm) 。

塑料闪烁体采用直径5 cm,长200 cm的圆柱体, 型号为HND - S2,由聚苯乙烯作基质,C核和H核数量比为1∶ 1. 12,密度为1. 05 g /cm3,折射系数为1. 59, 发射的光谱峰值为395 ~ 425 nm,相对蒽晶体的光输出效率约为50% ~ 60% ,该光谱峰值与光电倍增管响应光谱能良好配合。放射源采用Cs137,放射源与物料罐相对位置和放射剂量确定后,射线的衰减符合上述规律。

2系统实现

放射源发出的 γ 射线穿过物料时产生各种效应, 对 γ 射线来说是一种能量传递和损耗的过程。γ 射线的穿透能力很强,不易被物质完全吸收,对于一定能量的一束 γ 射线透过物料后,只有部分 γ 射线与物料发生作用。因此,γ 射线的辐射强度随物料的增加而减弱,根据探测到的信号强弱判别 γ 射线的衰减层度。 典型的核子料位计由3部分构成: 闪烁探测器模块、信号调理电路和MCU模块。根据放射源透过物料后 γ 射线的强弱不同来检测物料的高低,确定了一种理想的测量模型,该系统框图如图1所示。

线状放射源发出的 γ 射线垂直透过物料后发生衰减并入射到闪烁体中,与长塑料闪烁体作用发出光子, 光子在长塑料闪烁体内经历一系列反射、衰减过程,到达两端探测平面并被光电倍增管收集,而光的收集效率与发光点的位置、内部反射率、塑料闪烁体的长度有直接关系［4］。光信号通过光电倍增管、信号调理电路转化为电压脉冲信号,MCU模块采集电压脉冲信号, 建立起料位高度与脉冲频率间关系。

2. 1闪烁探测器模块

闪烁探测器模块由塑料闪烁体、光电倍增管、分压器构成。塑料闪烁体探测到 γ 射线发出光子,被光电倍增管转化为电学信号,分压器为光电倍增管提供电子倍增电压。闪烁探测器需两路高压输入,同时输出两路电流脉冲信号。

闪烁体的发光持续时间影响闪光的分辨和光子数目的多少。常用闪烁体可分为有机闪烁体和无机闪烁体两大类,有机闪烁体的发光持续时间为ns级,而无机闪烁体的发光持续时间为 μs级［5］。为了提高探测灵敏度和分辨率,本方案选择有机闪烁体。

光电倍增管是将极微弱的闪烁脉冲光转化为电信号的器件。γ 射线被长塑料闪烁体吸收产生光子,利用光导和反射层大部分荧光光子被收集到塑料闪烁体两端的光电倍增管光阴极上,并在光电倍增管光阴极发生光电效应,产生光电子。高压输入通过分压器为光电倍增管倍增极极间提供加速电场,电子在加速电场间加速后在倍增极的打拿极上产生二次电子发射, 光电子通过电子倍增多级放大,在阳极上形成电流脉冲。

2. 2信号调理电路

光电倍增管输出的脉冲信号无规律,且带负载能力弱。本方案中设计了一个射随器电路和幅值甄别电路,使探测器输出的脉冲信号被MCU有效检测。如图2所示射随器电路增加了电流脉冲信号的带负载能力,同时滤除微弱的噪声信号。

在上述射随器电路中,Q2三极管起恒流源的作用为Q1三极管提供稳定的静态工作点,C2电容交流耦合滤去小信号噪声,其与Q1三极管共同构成共集放大电路以增加信号的驱动能力。上述电路对原始信号处理后,输出给阈值甄别电路,阈值甄别电路采用了滞回比较器,以甄别有效电压脉冲信号,并将不规则的脉冲信号整形成TTL电平的脉冲信号给单片机。

2. 3 MCU模块

本方案的控制核心采用单片机。无规则的电压脉冲信号经过信号调理电路转化成0 ~ 5 V的脉冲信号, 核脉冲信号接单片机计数器引脚以完成对信号的脉冲计数。单片机对计数信号运算并转换成料位高度信号,通过RS485连接至上位机,在PC机上完成对料位高度的远程监控。

3基于塑料闪烁体的探测器特性分析

3. 1方案设计

模拟现场环境对塑料闪烁体的特性进行研究,并完成算法转换,建立起料位高度与闪烁探测器两端信号间的关系。在塑料闪烁体两端涂上耦合剂“硅油”, 以提高与光电倍增管光阴极间的光信号传输效率［6］, 同时在闪烁体的外部贴上黑纸并包上黑色胶带以降低由光反射带来的时间弥散［7］。光电倍增管部分、信号调理电路部分、电源部分、主控板部分依此分布在塑料闪烁体两端,并固定于不锈钢套管内以确保系统的稳定性,装配图如图3所示。主控板完成对核脉冲信号的处理,通过RS485连接至上位机,实现远程监控和数据采集。

3. 2塑料闪烁体性能测试和方案分析

高压坪曲线［8］和不同位置的探测效率是塑料闪烁体的重要性能参数,依据该两点完成了性能测试和数据分析,建立起了料位高度与计数信号间的关系。

3. 2. 1塑料闪烁体性能测试

探测器的坪特性是探测器的重要参量之一,分析探测器合适的工作电压可提高闪烁探测器的探测效率。甄别阈值固定在0. 4 V,改变高压分析两端脉冲计数率随高压的变化曲线。起始电压定为700 V,以50 V为单位测得塑料闪烁体上下两端的高压坪曲线如图4所示。

高压在800 ~ 900 V间计数率变化较小,坪区为800 ~ 900 V。从高压坪区和计数效率两方面考虑,推荐工作高压在坪区2 /3的高压点处,方案中工作高压定在850 V。

在粒子探测系统中,阈值处理是用来限制有效脉冲的幅度范围,使噪声幅度小于甄别域。完成对高压的确定,需分析塑料闪烁体两端的阈值( 0. 1 ~ 0. 9 V) 甄别曲线,对大于该阈值的脉冲信号计数。由于光电倍增管和塑料闪烁体两端光传导的差异,两端核脉冲信号的幅值存在一定差异,方案中上端阈值推荐0. 35 V、下端阈值推荐0. 62 V。

探究放射源与探测器的相对位置对探测效率的影响,建立起料位高度测量模型。放射源采用剂量0. 8 mci的Cs137,在200 cm长的塑料闪烁体外部套管上刻度,点状放射源紧贴塑料闪烁体外部套管并垂直入射,测量时长1 h,分析探测器两端信号与放射源相对位置关系如图5所示。拟合曲线符合理论指数规律

其中,a1= 0. 014 88,a2= 762 10,b1= 0. 077 33,b2= 0. 085 8,k为修正因子,x为放射源相对位置,y1和y2为闪烁体探测器上下两端的脉冲计数。

当射线的入射点距两端光电倍增管的信号收集点过远时,产生的大部分荧光在塑料闪烁体中的传输过程就被吸收,导致闪烁探测器的探测效率大幅降低［9］。 分析探测器两端信号与放射源相对位置的关系,两端信号的计数误差限为250,相对计数信号峰值25 000的相对误差限为1% 。依据拟合曲线: 当x > 66. 7 cm时,y2< 250; 当x < 125. 8 cm时,y1< 250,即点状放射源位于66. 7 ~ 125. 8 cm间的两端计数无效。

3. 2. 2基于塑料闪烁体的核子料位计方案

物料罐视为理想的长方体,探测器接收的 γ 射线有直接透过物料罐的,也有与物料作用后的。γ 射线遇到物料产生各种效应,这是一个能量的传递与损耗的过程,不同频率的 γ 射线与物料相互作用的效应各不相同［10］。γ 射线垂直入射物料与物料发生作用辐射强度呈指数规律衰减,比较物料罐前后 γ 射线辐射的强度发现其衰减了90% 以上。为便于模型的建立、 分析和运算,模型中忽略了与物料作用后的 γ 射线,建立探测系统的理想模型并做以下假设: 闪烁体探测器探测到的辐射强度主要受直接透过物料罐上端空罐部分的 γ 射线影响。根据图5中放射源的相对位置与探测效率的关系模拟理想点状放射源单方向垂直入射长塑料闪烁体的脉冲计数。工业现场采用线状放射源以提高探测系统的能量响应,对图5中点源模型进行积分运算模拟出料位高度与两端信号间的关系如图6所示。

塑料闪烁体下端对0 ~ 66. 7 cm料位变化反应灵敏,上端对125. 8 ~ 200 cm料位变化反应灵敏,两路求和计数的探测效率明显高于单端计数,长圆柱体HND - S2塑料闪烁体有效探测高度不超过140 m,这样避免了闪烁探测器出现探测盲区。料位高度和探测器两端求和计数关系如下

其中,K为修正因子,A1= 8. 9 × 105,A2= 0. 19,B1= 0. 086,B2= 0. 077,C = 2. 1 × 105为正常数,x为料位高度,Z为探测器两端求和计数。

4结束语

系统中塑料闪烁体相比常用的Na I( TI) 闪烁体探测效率更高,提高了料位计的探测精度,测量精度能控制到1% 以下。采用两路求和计数相比单端采集有效提高了探测效率,是一种高效率可靠的测量方法。光在塑料闪烁体内传导会衰减,靠近PMT处收集到光子数显著多于远离PMT处,当离PMT的距离使直接到达的光子数目很少时,收集的光子数随距离变化的趋势变缓,限制了长塑料闪烁体的探测高度上限,直径5 cm的长圆柱体HND - S2塑料闪烁体有效探测高度不超过140 cm。

摘要：介绍了一种基于长塑料闪烁体的核子料位测量系统。根据射线穿过物料后强度衰减的原理,通过测定射线强度的变化确定料位的高度,分析了闪烁探测器的硬件结构,对塑料闪烁体两端以指数规律衰减的计数求加。闪烁探测器采用两端带有光电倍增管的长塑料闪烁体,并通过射随器和滞回比较电路增加探测信号带负载能力、滤除噪声和信号甄别。根据HND-S2塑料闪烁体的性能测试结果,建立探测器两端信号与点状放射源相对位置的关系,通过对其积分运算确定现场线状放射源理想模型来测定料位高度,其测量精度高误差低于1%,可广泛应用于石油、化工、医药等行业中。