核密度測量裝置

摘 要：文章介紹了利用核物理測量原理，以點狀輻射源發(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)過程中自動化程度的要求越來越高，核密度計能夠?qū)崟r地對生產(chǎn)過程中的密度變化進(jìn)行檢測，能夠隨時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，減少運行人員工作量，通過自動控制回路，實現(xiàn)工藝過程的自動控制，有效的排除故障。如今核密度計已經(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這種裝置。而且國內(nèi)的核密度計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)自動地測量密度。且在安裝、調(diào)試、維護(hù)時，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，具有很好的社會效益和生態(tài)效益。核密度計對密度的精確可靠監(jiān)測，保持密度在正常范圍內(nèi)運行，合理控制密度的波動幅度，并達(dá)到閉環(huán)控制，對保證設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運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就會產(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，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，即可隨時計算出被測物質(zhì)的密度ρ。

2 核密度計的工作原理

2.1 核密度計檢測系統(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)需求的同時便于屏蔽防護(hù)；利用核物理測量原理進(jìn)行設(shè)計，以點狀輻射源發(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，對探測器得到的信號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。將輸出信號整形為矩形脈沖信號，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數(shù)頻率，用計數(shù)頻率來測量強(qiáng)度時，如果測量時間為T，脈沖數(shù)為n，則平均計數(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，采用定時計數(shù)方法來優(yōu)化原有算法，將測量時間分割成c個小定時單元Δt，在第i個定時單元Δti，其計數(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，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)需求的同時便于屏蔽防護(hù)。

（3）以微處理器為核心進(jìn)行運算，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，脈沖在線監(jiān)測及RS485接口，對工藝過程實行自動控制。

（4）設(shè)計的自動穩(wěn)峰技術(shù)，集成電路，以及貼片工藝設(shè)計，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）在信號處理與程序設(shè)計過程中，利用連續(xù)滑動平均、比較剔除等措施降低統(tǒng)計漲落對測量精度的影響。

隨著人們對γ射線的逐漸認(rèn)識，核密度計等先進(jìn)的儀表將會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.

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[3]姚海峰.同位素密度計的等效標(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.核料位計和核密度計在石油化工裝置中的應(yīng)用[J].石油化工自動化，2000（2）：58-62.