X射線稱重原理與實(shí)現(xiàn)方法

田 冰

（丹東弘元科技有限公司，遼寧 丹東118000）

X射線從發(fā)現(xiàn)至今無論是在近代物理理論方面或是工業(yè)控制上都得到了廣泛應(yīng)用，特別是在醫(yī)學(xué)和無損探傷領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用尤為顯著。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使X射線應(yīng)用技術(shù)在稱重領(lǐng)域有了開創(chuàng)性的應(yīng)用，頗具深義。

在配料系統(tǒng)中，放射源在使用、運(yùn)輸、管理及處理上很不方便。雖然波長(zhǎng)短的伽瑪射線穿透能力強(qiáng)，但波長(zhǎng)長(zhǎng)的X射線容易被物質(zhì)吸收且強(qiáng)度可控。因此，根據(jù)X射線更易被被測(cè)物料吸收、靈敏度較伽瑪射線源高的特點(diǎn)，本文利用X射線穿透被測(cè)物體時(shí)被吸收而減弱的物理學(xué)原理，設(shè)計(jì)了一種適用于輕質(zhì)物料測(cè)量的X射線秤。由于X射線秤產(chǎn)生的射線強(qiáng)度可控，對(duì)物料適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，在現(xiàn)有專利數(shù)據(jù)庫中未檢索到相關(guān)專利，具有獨(dú)創(chuàng)性、實(shí)用性和安全性，同時(shí)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(yùn)輸和使用中都是有益的。由于X射線的產(chǎn)生可控，利于作業(yè)人員巡檢及維修時(shí)的防護(hù)，可以將射線對(duì)作業(yè)人員的損傷降低到最小。同時(shí)，現(xiàn)有的帶放射源核子秤由于粒子能量過高，在穿透輕質(zhì)物料時(shí)被物料吸收而造成的強(qiáng)度減弱是很小的，故對(duì)于煙絲、塑料等輕質(zhì)量的物料無法精確計(jì)量，對(duì)物料質(zhì)量多少的反應(yīng)也不靈敏，這是由于原子序數(shù)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(jié)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(fā)生偏轉(zhuǎn)或能量降低。原子序數(shù)越小，其軌道電子的結(jié)合力越小，發(fā)生康普頓散射幾率越大。當(dāng)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(guān)系。

1 物理學(xué)原理

X射線秤設(shè)計(jì)的基本物理學(xué)原理如下：X射線是高速電子撞擊物質(zhì)（原子核）所產(chǎn)生的高頻短波長(zhǎng)的電磁波。X射線能量決定了其穿透能力，原則上高壓發(fā)生器電壓越高，電子在電場(chǎng)加速后的能量越大，故穿透能力越強(qiáng)，工業(yè)規(guī)定其適用范圍為“厚度2～250mm，材質(zhì)為碳素鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼、鎳及鎳基合金”。X射線發(fā)生器在穩(wěn)定狀態(tài)下發(fā)射恒定強(qiáng)度的X射線。X射線穿過傳送皮帶上的被測(cè)物料后，由于被測(cè)物料的吸收作用，其射線強(qiáng)度將會(huì)減弱，該減弱關(guān)系在一定范圍內(nèi)符合指數(shù)衰減規(guī)律，

式中，I0為穿透物質(zhì)前X射線的強(qiáng)度；Ii為穿透物質(zhì)后X射線的強(qiáng)度；um為物質(zhì)的質(zhì)量衰減系數(shù)；ρ為物質(zhì)的密度；d為物質(zhì)的厚度；B為散射因子。由式（1）可得

式中，K和C為被測(cè)物料的吸收系數(shù)通過實(shí)驗(yàn)來確定。

由于被測(cè)物料密度已知，故X射線強(qiáng)度衰減正比于X射線穿過的被測(cè)物料體積，有

即強(qiáng)度為I0的X光，透過被測(cè)物料后，強(qiáng)度變?yōu)镮i，V為被測(cè)物料的體積，從而可得出被測(cè)物料質(zhì)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(zhì)的原子序數(shù)、被測(cè)物體的厚度、測(cè)量環(huán)境和探測(cè)器的檢測(cè)效率等。對(duì)于同一種被測(cè)物質(zhì)，K和C為常數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)來確定。

在探測(cè)器上，衰減后的X射線由于與螢石片探測(cè)器物質(zhì)發(fā)生光電效應(yīng)和康普頓散射結(jié)果產(chǎn)生次級(jí)電子。次級(jí)電子又與物質(zhì)繼續(xù)作用，損失能量，使物質(zhì)分子激發(fā)處于激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)分子退激時(shí)發(fā)出熒光光子，熒光光子打在光電倍增管上產(chǎn)生光電子，電子經(jīng)倍增后在陽極上產(chǎn)生電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)變送裝置進(jìn)入主機(jī)，同時(shí)測(cè)速傳感器也把信號(hào)送入主機(jī)，經(jīng)主機(jī)計(jì)算分析，即可得出單位時(shí)間內(nèi)的被測(cè)物料的質(zhì)量，并通過上位機(jī)組態(tài)軟件在主機(jī)上顯示、記錄，保存。總之，利用變送器將探測(cè)器及光電倍增管輸出電壓信號(hào)及測(cè)速傳感器輸出的電壓信號(hào)通過主機(jī)采集卡進(jìn)行采集得到數(shù)字信號(hào)，由主機(jī)完成載荷線性化，將載荷和速度相乘得到瞬時(shí)質(zhì)量，再對(duì)時(shí)間積分即可得到被測(cè)物料總質(zhì)量。

2 工程系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

本系統(tǒng)由X射線發(fā)生器、X射線探測(cè)器、高壓發(fā)生器、X射線管冷卻裝置、信號(hào)變送裝置、測(cè)速傳感器及主機(jī)裝置構(gòu)成。其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

高壓發(fā)生器1產(chǎn)生高電壓供給X射線發(fā)生器2，加速電子能量產(chǎn)生X射線穿透輸送裝置7上被測(cè)物料后被X射線探測(cè)器4接收，經(jīng)信號(hào)變送裝置5轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送于主機(jī)裝置6處理；測(cè)速傳感器8可置于輸送裝置7的下方，用于測(cè)定運(yùn)動(dòng)速度；X射線管冷卻裝置3用于保證長(zhǎng)時(shí)間工作情況下X射線發(fā)生器2產(chǎn)生的熱量的交換。

系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)示意圖

X射線整套系統(tǒng)的控制方法及實(shí)現(xiàn)詳見文獻(xiàn)［1］：X射線探傷機(jī)的控制裝置分為控制層以及設(shè)備層兩個(gè)層面，控制層包括主機(jī)裝置；設(shè)備層包括：現(xiàn)場(chǎng)控制PLC、冷卻裝置溫控表。通過串行通訊接口經(jīng)通訊電纜接現(xiàn)場(chǎng)控制PLC，通過另一串行通訊接口冷卻裝置溫控表進(jìn)行通訊連接。設(shè)備層包括各動(dòng)力裝置及檢測(cè)裝置。各動(dòng)力裝置接收控制層中現(xiàn)場(chǎng)控制PLC或冷卻裝置溫控表輸出的控制信號(hào)，并將檢測(cè)信號(hào)反饋至控制層，現(xiàn)場(chǎng)控制PLC中存有設(shè)備層相應(yīng)設(shè)備的控制程序。受控于現(xiàn)場(chǎng)控制PLC的動(dòng)力裝置包括對(duì)射線發(fā)生器施以高電壓使其產(chǎn)生射線的高壓發(fā)生器；由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)自藕變壓器；自藕變壓器輸出的電壓經(jīng)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(guān)、流量開關(guān)；故障報(bào)警等。

系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)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(duì)象。全部患者均在我院接受住院治療，且經(jīng)臨床、病理、影像學(xué)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(duì)照組，各100例，其中，對(duì)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）[1]。

圖3 系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)方框圖

主機(jī)裝置除計(jì)算機(jī)外，還包括顯示、打印、控制等功能部件，發(fā)生器安裝于框架上部。發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

X射線探測(cè)器位于運(yùn)送物料的皮帶下部，其原理示意圖如圖5所示。測(cè)速傳感器位于運(yùn)送物料的皮帶上，X射線探測(cè)器中具有信號(hào)變送裝置，從信號(hào)變送裝置引出的信號(hào)線接入計(jì)算機(jī)，測(cè)速機(jī)構(gòu)的輸出端與主機(jī)相連，起重要作用的信號(hào)變送裝置被裝在X射線探測(cè)器側(cè)面里。

圖5中顯示X射線穿過熒光粉矩陣時(shí)被轉(zhuǎn)換為光束，可見光束觸化光電管，產(chǎn)生電荷，然后此電荷被成正比例的儲(chǔ)存在電容器內(nèi)，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(zhǎng)形X射線探測(cè)器的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從而避開了現(xiàn)有技術(shù)中α角的問題，可以只根據(jù)物料的厚度來確定X射線管與探測(cè)器之間的距離。這樣大大減小了發(fā)生器與探測(cè)器之間的距離。

圖5 探測(cè)器原理示意圖

X射線的冷卻裝置的控制方法及實(shí)現(xiàn)詳見文獻(xiàn)［2］。如圖6所示為X射線管冷卻裝置電氣結(jié)構(gòu)圖［2］。

圖6中，第一交流接觸器KM1的兩個(gè)常開觸點(diǎn)設(shè)于泵電機(jī)M1的主回路中，在水／油泵電機(jī)M1的兩電源線之間設(shè)有油循環(huán)燈HL1。第二交流接觸器KM2的兩個(gè)常開觸點(diǎn)接至制冷壓縮機(jī)M2及其風(fēng)扇M3的主回路中。在控制回路中，經(jīng)選擇開關(guān)SB1分別并聯(lián)溫控表電源及由同一啟動(dòng)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(dòng)按鍵SB2與第二交流接觸器KM2的線圈之間設(shè)有時(shí)間繼電器KT的常開觸點(diǎn)及第一交流接觸器KM1的另一常開觸點(diǎn)，時(shí)間繼電器KT的線圈接于溫控表的報(bào)警輸出端。溫控表的輸入端接有測(cè)量油溫（或水溫）的溫度傳感器。工作時(shí)，由第二交流接觸器KM2的常開觸點(diǎn)閉合，接通制冷壓縮機(jī)M2的主回路，即當(dāng)溫控表檢測(cè)到油溫（或水溫）溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，主輸出端閉合，通過時(shí)間繼電器KT延時(shí)后，時(shí)間繼電器KT的常開觸點(diǎn)導(dǎo)通，接通制冷壓縮機(jī)M2工作；而當(dāng)溫控表檢測(cè)到油溫（或水溫）溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，主輸出端斷開，時(shí)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(jī)M2主回路，制冷壓縮機(jī)M2不工作。溫控表的報(bào)警輸出端接中間繼電器KA的線圈，當(dāng)溫控表檢測(cè)到油溫（或水溫）溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，報(bào)警輸出端觸點(diǎn)閉合，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在回油（或水）管路中串接了流量開關(guān)和壓力開關(guān)，其各自的信號(hào)線接至PLC的輸入端，即當(dāng)回油（或水）管路中油（或水）流量沒有達(dá)到流量開關(guān)設(shè)定的流量時(shí)，流量開關(guān)的常開觸點(diǎn)不閉合，流量開關(guān)發(fā)出報(bào)警；當(dāng)管路中油（或水）壓力高于壓力開關(guān)設(shè)定值時(shí)，說明管路中有堵塞，壓力開關(guān)也發(fā)出報(bào)警。這樣能使射線管內(nèi)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(jié)構(gòu)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(hào)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(hào)變送裝置電氣示意圖

圖10 變送裝置電路原理圖

3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)和作用

由于波長(zhǎng)短的伽瑪射線穿透能力強(qiáng)，而波長(zhǎng)長(zhǎng)的X射線則容易被物質(zhì)吸收故X射線更易被被測(cè)物料吸收，靈敏度較伽瑪射線源方案高，本文設(shè)計(jì)了一種適用于輕質(zhì)量物料測(cè)量的X射線秤。其具有如下特點(diǎn)：

（1）裝置在運(yùn)輸過程中無輻射，安裝方便且適應(yīng)惡劣環(huán)境條件，不需對(duì)輸送機(jī)進(jìn)行任何改動(dòng)；

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

（3）對(duì)于輕質(zhì)量的物料可以通過調(diào)節(jié)X射線強(qiáng)度精確計(jì)量，反應(yīng)靈敏，因此對(duì)物料適應(yīng)性強(qiáng)，范圍廣；

（4）非接觸式測(cè)量，不受皮帶張力變化及皮帶機(jī)震動(dòng)影響；

（5）在現(xiàn)有專利數(shù)據(jù)庫中未檢索到相關(guān)專利，具有獨(dú)創(chuàng)性、實(shí)用性和安全性，同時(shí)外觀兼具新穎性和美觀性；

（6）檢測(cè)數(shù)據(jù)齊全，能為用戶提供瞬時(shí)流量，輸送機(jī)負(fù)荷，年、月、日、班、時(shí)產(chǎn)量及總量累計(jì)，報(bào)表統(tǒng)計(jì)分析等數(shù)據(jù)及實(shí)現(xiàn)打印功能等；

（7）使X射線應(yīng)用技術(shù)在稱重領(lǐng)域有了開創(chuàng)性的應(yīng)用。

4 結(jié) 語

綜上所述，本系統(tǒng)通過X射線發(fā)生器、探測(cè)器和測(cè)速裝置等測(cè)量X射線的吸收率計(jì)算出皮帶輸送機(jī)或管道等運(yùn)輸裝置上被測(cè)物料的負(fù)荷，再乘以速度得出物料流量及累計(jì)量。本系統(tǒng)適用于各種散裝固態(tài)物料的在線連續(xù)計(jì)量及配料控制，可廣泛應(yīng)用于水泥、煤炭、煉焦、鋼鐵、礦山、發(fā)電、化工、食品等行業(yè)。并在本文投稿前已將發(fā)明專利申請(qǐng)上報(bào)于國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局，廠方根據(jù)該思想安排了相關(guān)的生產(chǎn)工作，以便本產(chǎn)品盡早投入市場(chǎng)，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

［1］田 冰，孫明光.一種X射線探傷機(jī)的控制裝置：中國(guó)，200820010641.5［P］.2008－02－03.

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