無源核子料位計(jì)信號的坪特性研究

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇無錫 214153)

1 工作原理及高壓偏置電路

無源核子料位計(jì)是一種非接觸式料位計(jì),目前正在逐漸替代火電廠中傳統(tǒng)的諸如射頻導(dǎo)納、電容等原理的接觸式料位計(jì)。無源核子料位計(jì)通過檢測灰斗或倉泵中粉煤灰固有的微量天然伽馬射線來計(jì)算灰位高度[1]。由于伽馬射線位于電磁波頻譜中的較高頻段,能量高、穿透力強(qiáng),所以在容器外部即可以檢測到,可以實(shí)現(xiàn)真正的非接觸式測量,大大提高了工作可靠性,并消除了由于掛灰而引起的誤報(bào)警。無源核子料位計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 無源核子料位計(jì)系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of passive nuclear level gauge system

其中,光電倍增管的高壓偏置電路采用電阻式分壓偏置電路[2],如圖2所示。其中,電容C兩端的電壓Uh為高壓電源提供的電壓,一般在500V～1000V之間可調(diào)。伽馬射線進(jìn)入閃爍體后會轉(zhuǎn)化成光脈沖;光脈沖中的光子進(jìn)入光電倍增管到達(dá)光陰極K轉(zhuǎn)化為光電子;光電子經(jīng)過各個(gè)倍增極D后形成可觀的光電流,并被陽極A所收集;光電流在電阻Ra上形成電壓脈沖,并送至后續(xù)的脈沖信號處理電路。在上述過程中,隨著高壓偏置電壓的增大,最后得到的電脈沖的幅值也越大,進(jìn)而影響到閾值甄別及計(jì)數(shù)電路的計(jì)數(shù)率[3]。

圖2 光電倍增管高壓偏置電路Fig.2 Photomultiplier tube high voltage bias circuit

2 計(jì)數(shù)率的坪特性

無源核子料位計(jì)在單位時(shí)間內(nèi)檢測到的伽馬射線的個(gè)數(shù)稱為計(jì)數(shù)率或脈沖數(shù)[1]。由于原始計(jì)數(shù)率具有統(tǒng)計(jì)漲落特性,所以一般都需要進(jìn)行一些統(tǒng)計(jì)處理,最常用的是滑動平均濾波[4],所以一般所說的計(jì)數(shù)率其實(shí)指的是經(jīng)過濾波處理后的平均計(jì)數(shù)率。

料位計(jì)在出廠前要將高壓偏置電壓設(shè)定為某一特定值。然而,由于生產(chǎn)條件所限,目前的光電器件,比如光電倍增管,即使是同一批生產(chǎn)的,其特性參數(shù)也具有一定的離散性[5]。而且,正如后面所要介紹的,計(jì)數(shù)率和高壓偏置電壓之間的關(guān)系曲線存在一個(gè)坪區(qū)(坪特性),在這兩個(gè)因素的共同影響下,每一臺料位計(jì)在出廠前都要進(jìn)行單獨(dú)的高壓值設(shè)置,而不能設(shè)置成統(tǒng)一的值。因此,對無源核子料位計(jì)坪特性的研究就具有了實(shí)際意義。

為了研究無源核子料位計(jì)的坪特性,將型號為FDAC-DIG的料位計(jì)置于一個(gè)環(huán)境相對穩(wěn)定的地方,并將其高壓偏置電壓從500 V 開始,以50 V 為步長逐步調(diào)整至1000V。每次調(diào)整后,待計(jì)數(shù)率穩(wěn)定后記錄其數(shù)值,得到表1所示的數(shù)據(jù)。將表1 中的數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖3 所示。

表1 計(jì)數(shù)率隨偏置電壓的變化Tab.1 Count rate changes with bias voltage

圖3 計(jì)數(shù)率-偏置電壓曲線Fig.3 Count Rate-bias voltage curve

由圖3可知,隨著高壓偏置電壓的升高,計(jì)數(shù)率逐漸增加,但增加的速率是變化的。可以大致根據(jù)曲線的斜率將上述曲線分為兩段:第一段為500V～750V之間的曲線,隨著偏置電壓的升高,計(jì)數(shù)率近似以線性規(guī)律快速增加;第二段為750V～1000V之間的曲線,隨著偏置電壓的升高,計(jì)數(shù)率雖然也在增加,但是非常緩慢。第二段曲線就是該特性曲線的坪區(qū),也就是計(jì)數(shù)率增長非常緩慢的曲線段。

其實(shí),如果繼續(xù)增大偏置電壓至一定程度,計(jì)數(shù)率還會出現(xiàn)一個(gè)更加陡峭的上升曲線段[6]。限于實(shí)驗(yàn)條件所限,圖中并沒有繪制出來。

3 溫度對坪特性的影響

上述數(shù)據(jù)和曲線是在室溫(25℃左右)下測得和繪制的。由于實(shí)際的無源核子料位計(jì)產(chǎn)品是工作在工業(yè)現(xiàn)場的,其環(huán)境溫度隨地區(qū)和工廠條件的不同而不同。一般而言,環(huán)境溫度在-10℃～40℃之間,因此,有必要對上述曲線坪特性的溫度特性進(jìn)行研究。

將無源核子料位計(jì)分別置于烤箱(50℃)和冰箱(-16℃)兩種環(huán)境下,測量其坪特性,所得數(shù)據(jù)如表2所示。將三種工作溫度下的計(jì)數(shù)率隨偏置電壓的變化曲線繪制在同一個(gè)坐標(biāo)系下,如圖4所示。

表2 計(jì)數(shù)率隨偏置電壓及環(huán)境溫度的變化Tab.2 Count rate changes with bias voltage and ambient temperature

圖4 不同溫度下計(jì)數(shù)率隨偏置電壓變化的曲線Fig.4 The curve of count rate changing with bias voltage at different temperatures

從以上曲線可以看出,溫度對計(jì)數(shù)率曲線是有顯著影響的。總體而言,隨著溫度的升高,計(jì)數(shù)率曲線向右側(cè)移動,并有一定的下降趨勢,坪區(qū)的起始點(diǎn)電壓逐漸升高。

在設(shè)置偏置電壓值的時(shí)候,主要有兩個(gè)方面的考慮:一方面,為了保證電路板的絕緣強(qiáng)度,應(yīng)該盡量降低偏置電壓的值,以提高可靠性和壽命;另一方面,要盡量提高偏置電壓的值,使得其在料位計(jì)的工作溫度范圍內(nèi)都處于計(jì)數(shù)率曲線的坪區(qū)內(nèi),以減小計(jì)數(shù)率的溫度系數(shù)。因此,在料位計(jì)的生產(chǎn)和出廠設(shè)置中,對高溫下的坪區(qū)特性曲線進(jìn)行測量是很有必要的。

4 結(jié)語

本文通過實(shí)驗(yàn)方法繪制了伽馬射線計(jì)數(shù)率隨光電倍增管高壓偏置電壓變化的曲線,并對其坪特性及坪特性的溫度特性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,坪區(qū)隨著溫度的升高會向右方移動,在料位計(jì)的出廠設(shè)置中,要對高溫下的坪特性曲線進(jìn)行測試,并綜合考慮絕緣強(qiáng)度來對高壓值進(jìn)行設(shè)置。