X射線稱重原理與實現方法

田 冰

（丹東弘元科技有限公司，遼寧 丹東118000）

X射線從發現至今無論是在近代物理理論方面或是工業控制上都得到了廣泛應用，特別是在醫學和無損探傷領域內的應用尤為顯著。本系統的設計使X射線應用技術在稱重領域有了開創性的應用，頗具深義。

在配料系統中，放射源在使用、運輸、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，但波長長的X射線容易被物質吸收且強度可控。因此，根據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原理，設計了一種適用于輕質物料測量的X射線秤。由于X射線秤產生的射線強度可控，對物料適應性強，應用范圍廣，在現有專利數據庫中未檢索到相關專利，具有獨創性、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射線秤在運輸和使用中都是有益的。由于X射線的產生可控，利于作業人員巡檢及維修時的防護，可以將射線對作業人員的損傷降低到最小。同時，現有的帶放射源核子秤由于粒子能量過高，在穿透輕質物料時被物料吸收而造成的強度減弱是很小的，故對于煙絲、塑料等輕質量的物料無法精確計量，對物料質量多少的反應也不靈敏，這是由于原子序數越低，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，使光發生偏轉或能量降低。原子序數越小，其軌道電子的結合力越小，發生康普頓散射幾率越大。當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系。

1 物理學原理

X射線秤設計的基本物理學原理如下：X射線是高速電子撞擊物質（原子核）所產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，工業規定其適用范圍為“厚度2～250mm，材質為碳素鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼、鎳及鎳基合金”。X射線發生器在穩定狀態下發射恒定強度的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，其射線強度將會減弱，該減弱關系在一定范圍內符合指數衰減規律，

式中，I0為穿透物質前X射線的強度；Ii為穿透物質后X射線的強度；um為物質的質量衰減系數；ρ為物質的密度；d為物質的厚度；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通過實驗來確定。

由于被測物料密度已知，故X射線強度衰減正比于X射線穿過的被測物料體積，有

即強度為I0的X光，透過被測物料后，強度變為Ii，V為被測物料的體積，從而可得出被測物料質量M，其中影響散射因子B的因素較多，如X射線的能量、屏蔽物質的原子序數、被測物體的厚度、測量環境和探測器的檢測效率等。對于同一種被測物質，K和C為常數，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發生光電效應和康普頓散射結果產生次級電子。次級電子又與物質繼續作用，損失能量，使物質分子激發處于激發態。激發態分子退激時發出熒光光子，熒光光子打在光電倍增管上產生光電子，電子經倍增后在陽極上產生電壓信號，電壓信號經變送裝置進入主機，同時測速傳感器也把信號送入主機，經主機計算分析，即可得出單位時間內的被測物料的質量，并通過上位機組態軟件在主機上顯示、記錄，保存?？傊米兯推鲗⑻綔y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采集卡進行采集得到數字信號，由主機完成載荷線性化，將載荷和速度相乘得到瞬時質量，再對時間積分即可得到被測物料總質量。

2 工程系統的實現方法

本系統由X射線發生器、X射線探測器、高壓發生器、X射線管冷卻裝置、信號變送裝置、測速傳感器及主機裝置構成。其機械結構如圖1所示。

圖1 機械結構示意圖

高壓發生器1產生高電壓供給X射線發生器2，加速電子能量產生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，經信號變送裝置5轉換成標準信號送于主機裝置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射線發生器2產生的熱量的交換。

系統電氣結構示意如圖2所示。

圖2 系統電氣結構示意圖

X射線整套系統的控制方法及實現詳見文獻［1］：X射線探傷機的控制裝置分為控制層以及設備層兩個層面，控制層包括主機裝置；設備層包括：現場控制PLC、冷卻裝置溫控表。通過串行通訊接口經通訊電纜接現場控制PLC，通過另一串行通訊接口冷卻裝置溫控表進行通訊連接。設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，現場控制PLC中存有設備層相應設備的控制程序。受控于現場控制PLC的動力裝置包括對射線發生器施以高電壓使其產生射線的高壓發生器；由步進電動機驅動自藕變壓器；自藕變壓器輸出的電壓經變壓器變壓、整流濾波后的電壓生成取樣電路；冷卻裝置中的壓力開關、流量開關；故障報警等。

系統電氣結構方框圖如圖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，且經臨床、病理、影像學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，差異無統計學意義（P＞0.05）[1]。

圖3 系統電氣結構方框圖

主機裝置除計算機外，還包括顯示、打印、控制等功能部件，發生器安裝于框架上部。發生器內部結構如圖4所示。

圖4 發生器內部結構圖

X射線探測器位于運送物料的皮帶下部，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，測速機構的輸出端與主機相連，起重要作用的信號變送裝置被裝在X射線探測器側面里。

圖5中顯示X射線穿過熒光粉矩陣時被轉換為光束，可見光束觸化光電管，產生電荷，然后此電荷被成正比例的儲存在電容器內，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射線探測器的結構來實現，從而避開了現有技術中α角的問題，可以只根據物料的厚度來確定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詳見文獻［2］。如圖6所示為X射線管冷卻裝置電氣結構圖［2］。

圖6中，第一交流接觸器KM1的兩個常開觸點設于泵電機M1的主回路中，在水／油泵電機M1的兩電源線之間設有油循環燈HL1。第二交流接觸器KM2的兩個常開觸點接至制冷壓縮機M2及其風扇M3的主回路中。在控制回路中，經選擇開關SB1分別并聯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M2的主回路，即當溫控表檢測到油溫（或水溫）溫度高于設定溫度時，主輸出端閉合，通過時間繼電器KT延時后，時間繼電器KT的常開觸點導通，接通制冷壓縮機M2工作；而當溫控表檢測到油溫（或水溫）溫度低于設定溫度時，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M2主回路，制冷壓縮機M2不工作。溫控表的報警輸出端接中間繼電器KA的線圈，當溫控表檢測到油溫（或水溫）溫度超過設定溫度時，報警輸出端觸點閉合，發出報警信號。在回油（或水）管路中串接了流量開關和壓力開關，其各自的信號線接至PLC的輸入端，即當回油（或水）管路中油（或水）流量沒有達到流量開關設定的流量時，流量開關的常開觸點不閉合，流量開關發出報警；當管路中油（或水）壓力高于壓力開關設定值時，說明管路中有堵塞，壓力開關也發出報警。這樣能使射線管內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構圖

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 設計特點和作用

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

（1）裝置在運輸過程中無輻射，安裝方便且適應惡劣環境條件，不需對輸送機進行任何改動；

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

（3）對于輕質量的物料可以通過調節X射線強度精確計量，反應靈敏，因此對物料適應性強，范圍廣；

（4）非接觸式測量，不受皮帶張力變化及皮帶機震動影響；

（5）在現有專利數據庫中未檢索到相關專利，具有獨創性、實用性和安全性，同時外觀兼具新穎性和美觀性；

（6）檢測數據齊全，能為用戶提供瞬時流量，輸送機負荷，年、月、日、班、時產量及總量累計，報表統計分析等數據及實現打印功能等；

（7）使X射線應用技術在稱重領域有了開創性的應用。

4 結 語

綜上所述，本系統通過X射線發生器、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或管道等運輸裝置上被測物料的負荷，再乘以速度得出物料流量及累計量。本系統適用于各種散裝固態物料的在線連續計量及配料控制，可廣泛應用于水泥、煤炭、煉焦、鋼鐵、礦山、發電、化工、食品等行業。并在本文投稿前已將發明專利申請上報于國家知識產權局，廠方根據該思想安排了相關的生產工作，以便本產品盡早投入市場，創造經濟效益。

［1］田 冰，孫明光.一種X射線探傷機的控制裝置：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］中國機械工程學會無損檢測分會.射線檢測［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［4］余長江，王吉先.射線探傷檢測裝置［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［5］奎 瑟.X射線光學在固體領域中的應用［M］.王 煜，李家寶，譯.北京：科學出版社，1985.

［6］王曉春，張希艷.材料現代分析與測試技術［M］.北京：國防工業出版社，2010.

［7］亞沃爾斯.X射線學基礎理論［M］.田 玉，譯.北京：地質出版社，1959.

［8］季達依哥羅基.X射線結構分析［M］.龔堯圭，譯.北京：科學出版社，1958.

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