放射源儀表在制漿工廠的應用

覃杰

摘 要：放射源儀表主要是利用γ射線具有較強穿透力的特點，配套檢測系統、分析系統、控制系統等，多應用于自動化控制、定量測量等方面，在制漿造紙過程中得到普遍應用，文章主要針對放射源儀表在在化機漿車間和堿回收車間的實際應用進行分析。

關鍵詞：放射源；γ射線；料位測量；輸送物料稱重測量；密度測量

隨著科學技術的發展，工業生產中為應對各種復雜工況，實現高溫、高壓、高粘度、強腐蝕、多粉塵等惡劣環境下重要參數的精確測量和自動控制，在石油、化工、冶金、電力、煤炭礦山、制漿造紙等行業中廣泛使用放射源儀表。作為一類非接觸式儀表，放射源儀表不受環境溫度、壓力、物料濃度等因素的影響，且兼有檢測靈敏度高、響應速度快、使用壽命長、性能穩定可靠等特點，這是其它測量儀表無可比擬的。制漿造紙企業中對放射源儀表的典型應用有料位測量、密度測量、輸送物料測量、紙張定量測量等。

1 料位測量

在化學機械漿生產線上，將用堿液浸漬處理過的纖維物料（木片、蔗渣、蘆葦等）送入磨漿機磨解成漿是非常重要的生產步驟，而使用物料緩沖倉（圖1）配合倉底部的喂料螺旋就可將這些物料均勻平穩的送入磨漿機進行連續生產。由于對緩沖倉內部的料位需要進行精確及連續的測量以實現自動控制，需要選擇一種響應速度快且性能穩定可靠的測量儀表。備選儀表有稱重式物位計、雷達物位計及放射源物位計等。由于倉底安裝有攪拌器及喂料輸送螺旋，振動較為劇烈，則稱重儀不適用，而物料加入方式為從緩沖倉頂部加入，形成較多蒸汽及粉塵的混合物，將使雷達波受到嚴重干擾，雷達物位計也無法穩定測量。而使用放射源物位計則是較好的解決方案。

放射源物位計基于γ射線穿過物料時強度減弱的物理規律實現料位測量，當一束γ射線穿過物料，其減弱規律為：I=I0e（-uρd），式中：

I-穿過物料后的射線強度；I0-穿過物料之前射線強度；μ-被測物料對所穿過的γ射線的線性吸收系數；ρ-物料密度；d-γ射線通過的物料厚度。

對于一定的幾何位置，經過物料的射線基本上被吸收，物料越高，閃爍晶體探棒接收到的射線越少（圖1）。物料高度LH與閃爍晶體探棒輸出的計數率n之間成線性關系：LH=Hmax（n0-n）/（n0-n1），式中：

n0-零點計數率，n1-滿度計數率，Hmax-量程

其中n0及n1、Hmax為常量，當閃爍晶體探棒輸出的計數率n值變化時即得到實時物料高度。

閃爍晶體探棒將接受的γ射線轉換為電脈沖信號并輸送至信號處理機，而信號處理機將來自探棒的脈沖信號轉換為料位顯示并將4-20mA模擬信號輸送至DCS控制系統，從而完成了整個測量過程。在實際使用中，放射源物位計基本上不受此工況下各種不利因素的影響，很好的完成了連續料位測量的工作。

2 輸送物料稱重測量

在制漿工廠中，用輸送皮帶輸送各種物料較為常見，如動力廠運送煤粉，化機漿車間運送木片等，而作為新型的物料傳輸計量裝置，核子秤可以用于對皮帶輸送機物料進行動態計量累計。如圖2為核子秤結構示意圖，它是基于γ射線穿過被測物質時，其強度的衰減與被測介質的組分、密度及射線方向上的厚度成指數函數關系這一原理來測量單位荷重的。根據公式I=I0e（-uρd）及公式ρds=q，可得

I=I0e（-uq/s），

式中s-皮帶上的物料寬度；q-皮帶單位長度上的物料重量。

通過測速機構測出皮帶速度v，將兩個信號相乘得到瞬時流量Q，再經積分運算或累加運算得到一段時間內輸送物料的累積流量W，用公式可表示為：

Q=q×v，W=∫q v dt

除用于皮帶輸送機外，核子秤還可以用于履帶式、鏈斗式、螺旋式等輸送機。由于其不受物料的物理化學性質、物料厚度磨損等因素的影響，可在潮濕、粉塵污染環境下可靠運行。且核子皮帶秤的秤體小巧，搬運及安裝工作量小，其對維護工作的要求也比較少。

3 密度測量

在制漿工廠的堿回收車間，需對管道內的綠液、濃白液等介質密度進行嚴格控制，目前大多數儀器，介質仍要與傳感器接觸，造成儀器精度下降及故障率偏高，而利用放射源密度測量系統則可實現非接觸及較高精度的連續測量，可以方便的安裝在現有管道上且不需停工。該密度計基于伽瑪射線穿過被測介質吸收后按指數衰減規律I=I0e（-uρd），式中I0、I分別為未穿及穿過介質射線強度，u為吸收系數，d、ρ分別為介質厚度和密度，只要精確測出I，I0，u，d即可測出被測介質密度。如圖3為密度計結構示意圖，由閃爍晶體計數器接收穿過管道的射線并轉換為電脈沖信號并輸送至信號處理機，經運算后直接顯示被測管道內的介質密度。基于以上原理，由于測量儀表與所測物料的非接觸性，使得這些高腐蝕性及高粘度的介質對測量不產生不利影響，從而保證了測量的高可靠性和較低的維護率。值得注意的是，在進行密度測量時，被測介質的溫度變化對介質的密度有直接的影響，為追求更高的測量精度，在溫度變化較劇烈時，應使用變送器內置的溫度補償功能。

4 放射源儀表合理選用

雖然放射源儀表具有非常多的優點，但如何安全合理的使用放射源儀表，使其發揮最大功效則需要從放射源儀表的選型做起。

4.1 放射源核素選擇

在工業應用中，60Co、137Cs、85Kr等都是常用的放射源核素，根據不同的工況來選擇適用的核素。如針對不同壁厚的容器或管道，靈敏度較高的137Cs適用于4mm以下厚的容器或管道場合，而由于60Co其γ射線能量較高則可用于厚壁容器。而從放射源核素使用壽命來說，137Cs半衰期較長（30年），而60Co半衰期僅有5.27年，在初始同等活度下，相對來說選用137Cs能夠使用得更久。

4.2 放射源活度選擇

眾所周知，放射源所發出的射線對人體有危害，放射源活度越大對人體潛在傷害會越大，但如果放射源活度不夠，也無法保證射線在穿過容器壁和物料后還保持一定的強度讓檢測器接收到，因此，放射源活度的選擇需要綜合考慮所測物料的形態、密度等性質和該物料容器或管道的直徑、材質厚度及探測器側的安全防護標準等參數。如在料位計和密度計使用時，使用60Co或137Cs，活度在10mCi-1Ci不等。

4.3 探測器選擇

探測器即為接收放射源射線并轉換為電信號的裝置，根據其對射線的接收原理可分為兩類：氣體電離室和閃爍晶體。

氣體電離室的工作原理是：惰性氣體被射線照射后電離形成電信號，經放大器放大后變為標準信號送至主機。

氣體電離室主要特點為：信號穩定，抗震性強，使用相對壽命較長，但其要求放射源活度大，且體積較大不利于安裝，信號靈敏度也較差。

閃爍晶體的工作原理為：閃爍晶體被電離形成光信號，經由光電倍增管變為電信號，再經過處理后形成標準信號送至主機。

閃爍晶體的主要特點為：信號靈敏度較高，要求放射源的活度小，甚至比氣體電離室要低十幾倍，從而使安全性大大提高，且其體積小易于安裝，不過由于晶體易碎，所以抗震性能較差。

對不同的使用工況可以根據兩種探測器的特點進行靈活選擇，在用于料位計和密度計時均應選擇體積小、信號靈敏的閃爍晶體類探測器，用于核子秤時由于環境震動較大，選擇氣體電離室為佳。

5 結束語

由于在生產工藝過程中選用了適合的放射源儀表，使得生產工藝質量標準十分可靠、準確，在生產過程中，對維持控制系統的穩定運行起到了顯著的作用，而放射源儀表極低的維護率及維護成本也為企業生產創造了較高的效益，隨著放射源儀表在制漿工廠更多的應用將會使企業生產工藝自動化更上一個新臺階。endprint

摘 要：放射源儀表主要是利用γ射線具有較強穿透力的特點，配套檢測系統、分析系統、控制系統等，多應用于自動化控制、定量測量等方面，在制漿造紙過程中得到普遍應用，文章主要針對放射源儀表在在化機漿車間和堿回收車間的實際應用進行分析。

關鍵詞：放射源；γ射線；料位測量；輸送物料稱重測量；密度測量

隨著科學技術的發展，工業生產中為應對各種復雜工況，實現高溫、高壓、高粘度、強腐蝕、多粉塵等惡劣環境下重要參數的精確測量和自動控制，在石油、化工、冶金、電力、煤炭礦山、制漿造紙等行業中廣泛使用放射源儀表。作為一類非接觸式儀表，放射源儀表不受環境溫度、壓力、物料濃度等因素的影響，且兼有檢測靈敏度高、響應速度快、使用壽命長、性能穩定可靠等特點，這是其它測量儀表無可比擬的。制漿造紙企業中對放射源儀表的典型應用有料位測量、密度測量、輸送物料測量、紙張定量測量等。

1 料位測量

在化學機械漿生產線上，將用堿液浸漬處理過的纖維物料（木片、蔗渣、蘆葦等）送入磨漿機磨解成漿是非常重要的生產步驟，而使用物料緩沖倉（圖1）配合倉底部的喂料螺旋就可將這些物料均勻平穩的送入磨漿機進行連續生產。由于對緩沖倉內部的料位需要進行精確及連續的測量以實現自動控制，需要選擇一種響應速度快且性能穩定可靠的測量儀表。備選儀表有稱重式物位計、雷達物位計及放射源物位計等。由于倉底安裝有攪拌器及喂料輸送螺旋，振動較為劇烈，則稱重儀不適用，而物料加入方式為從緩沖倉頂部加入，形成較多蒸汽及粉塵的混合物，將使雷達波受到嚴重干擾，雷達物位計也無法穩定測量。而使用放射源物位計則是較好的解決方案。

放射源物位計基于γ射線穿過物料時強度減弱的物理規律實現料位測量，當一束γ射線穿過物料，其減弱規律為：I=I0e（-uρd），式中：

I-穿過物料后的射線強度；I0-穿過物料之前射線強度；μ-被測物料對所穿過的γ射線的線性吸收系數；ρ-物料密度；d-γ射線通過的物料厚度。

對于一定的幾何位置，經過物料的射線基本上被吸收，物料越高，閃爍晶體探棒接收到的射線越少（圖1）。物料高度LH與閃爍晶體探棒輸出的計數率n之間成線性關系：LH=Hmax（n0-n）/（n0-n1），式中：

n0-零點計數率，n1-滿度計數率，Hmax-量程

其中n0及n1、Hmax為常量，當閃爍晶體探棒輸出的計數率n值變化時即得到實時物料高度。

閃爍晶體探棒將接受的γ射線轉換為電脈沖信號并輸送至信號處理機，而信號處理機將來自探棒的脈沖信號轉換為料位顯示并將4-20mA模擬信號輸送至DCS控制系統，從而完成了整個測量過程。在實際使用中，放射源物位計基本上不受此工況下各種不利因素的影響，很好的完成了連續料位測量的工作。

2 輸送物料稱重測量

在制漿工廠中，用輸送皮帶輸送各種物料較為常見，如動力廠運送煤粉，化機漿車間運送木片等，而作為新型的物料傳輸計量裝置，核子秤可以用于對皮帶輸送機物料進行動態計量累計。如圖2為核子秤結構示意圖，它是基于γ射線穿過被測物質時，其強度的衰減與被測介質的組分、密度及射線方向上的厚度成指數函數關系這一原理來測量單位荷重的。根據公式I=I0e（-uρd）及公式ρds=q，可得

I=I0e（-uq/s），

式中s-皮帶上的物料寬度；q-皮帶單位長度上的物料重量。

通過測速機構測出皮帶速度v，將兩個信號相乘得到瞬時流量Q，再經積分運算或累加運算得到一段時間內輸送物料的累積流量W，用公式可表示為：

Q=q×v，W=∫q v dt

除用于皮帶輸送機外，核子秤還可以用于履帶式、鏈斗式、螺旋式等輸送機。由于其不受物料的物理化學性質、物料厚度磨損等因素的影響，可在潮濕、粉塵污染環境下可靠運行。且核子皮帶秤的秤體小巧，搬運及安裝工作量小，其對維護工作的要求也比較少。

3 密度測量

在制漿工廠的堿回收車間，需對管道內的綠液、濃白液等介質密度進行嚴格控制，目前大多數儀器，介質仍要與傳感器接觸，造成儀器精度下降及故障率偏高，而利用放射源密度測量系統則可實現非接觸及較高精度的連續測量，可以方便的安裝在現有管道上且不需停工。該密度計基于伽瑪射線穿過被測介質吸收后按指數衰減規律I=I0e（-uρd），式中I0、I分別為未穿及穿過介質射線強度，u為吸收系數，d、ρ分別為介質厚度和密度，只要精確測出I，I0，u，d即可測出被測介質密度。如圖3為密度計結構示意圖，由閃爍晶體計數器接收穿過管道的射線并轉換為電脈沖信號并輸送至信號處理機，經運算后直接顯示被測管道內的介質密度。基于以上原理，由于測量儀表與所測物料的非接觸性，使得這些高腐蝕性及高粘度的介質對測量不產生不利影響，從而保證了測量的高可靠性和較低的維護率。值得注意的是，在進行密度測量時，被測介質的溫度變化對介質的密度有直接的影響，為追求更高的測量精度，在溫度變化較劇烈時，應使用變送器內置的溫度補償功能。

4 放射源儀表合理選用

雖然放射源儀表具有非常多的優點，但如何安全合理的使用放射源儀表，使其發揮最大功效則需要從放射源儀表的選型做起。

4.1 放射源核素選擇

在工業應用中，60Co、137Cs、85Kr等都是常用的放射源核素，根據不同的工況來選擇適用的核素。如針對不同壁厚的容器或管道，靈敏度較高的137Cs適用于4mm以下厚的容器或管道場合，而由于60Co其γ射線能量較高則可用于厚壁容器。而從放射源核素使用壽命來說，137Cs半衰期較長（30年），而60Co半衰期僅有5.27年，在初始同等活度下，相對來說選用137Cs能夠使用得更久。

4.2 放射源活度選擇

眾所周知，放射源所發出的射線對人體有危害，放射源活度越大對人體潛在傷害會越大，但如果放射源活度不夠，也無法保證射線在穿過容器壁和物料后還保持一定的強度讓檢測器接收到，因此，放射源活度的選擇需要綜合考慮所測物料的形態、密度等性質和該物料容器或管道的直徑、材質厚度及探測器側的安全防護標準等參數。如在料位計和密度計使用時，使用60Co或137Cs，活度在10mCi-1Ci不等。

4.3 探測器選擇

探測器即為接收放射源射線并轉換為電信號的裝置，根據其對射線的接收原理可分為兩類：氣體電離室和閃爍晶體。

氣體電離室的工作原理是：惰性氣體被射線照射后電離形成電信號，經放大器放大后變為標準信號送至主機。

氣體電離室主要特點為：信號穩定，抗震性強，使用相對壽命較長，但其要求放射源活度大，且體積較大不利于安裝，信號靈敏度也較差。

閃爍晶體的工作原理為：閃爍晶體被電離形成光信號，經由光電倍增管變為電信號，再經過處理后形成標準信號送至主機。

閃爍晶體的主要特點為：信號靈敏度較高，要求放射源的活度小，甚至比氣體電離室要低十幾倍，從而使安全性大大提高，且其體積小易于安裝，不過由于晶體易碎，所以抗震性能較差。

對不同的使用工況可以根據兩種探測器的特點進行靈活選擇，在用于料位計和密度計時均應選擇體積小、信號靈敏的閃爍晶體類探測器，用于核子秤時由于環境震動較大，選擇氣體電離室為佳。

5 結束語

由于在生產工藝過程中選用了適合的放射源儀表，使得生產工藝質量標準十分可靠、準確，在生產過程中，對維持控制系統的穩定運行起到了顯著的作用，而放射源儀表極低的維護率及維護成本也為企業生產創造了較高的效益，隨著放射源儀表在制漿工廠更多的應用將會使企業生產工藝自動化更上一個新臺階。endprint

摘 要：放射源儀表主要是利用γ射線具有較強穿透力的特點，配套檢測系統、分析系統、控制系統等，多應用于自動化控制、定量測量等方面，在制漿造紙過程中得到普遍應用，文章主要針對放射源儀表在在化機漿車間和堿回收車間的實際應用進行分析。

關鍵詞：放射源；γ射線；料位測量；輸送物料稱重測量；密度測量

隨著科學技術的發展，工業生產中為應對各種復雜工況，實現高溫、高壓、高粘度、強腐蝕、多粉塵等惡劣環境下重要參數的精確測量和自動控制，在石油、化工、冶金、電力、煤炭礦山、制漿造紙等行業中廣泛使用放射源儀表。作為一類非接觸式儀表，放射源儀表不受環境溫度、壓力、物料濃度等因素的影響，且兼有檢測靈敏度高、響應速度快、使用壽命長、性能穩定可靠等特點，這是其它測量儀表無可比擬的。制漿造紙企業中對放射源儀表的典型應用有料位測量、密度測量、輸送物料測量、紙張定量測量等。

1 料位測量

在化學機械漿生產線上，將用堿液浸漬處理過的纖維物料（木片、蔗渣、蘆葦等）送入磨漿機磨解成漿是非常重要的生產步驟，而使用物料緩沖倉（圖1）配合倉底部的喂料螺旋就可將這些物料均勻平穩的送入磨漿機進行連續生產。由于對緩沖倉內部的料位需要進行精確及連續的測量以實現自動控制，需要選擇一種響應速度快且性能穩定可靠的測量儀表。備選儀表有稱重式物位計、雷達物位計及放射源物位計等。由于倉底安裝有攪拌器及喂料輸送螺旋，振動較為劇烈，則稱重儀不適用，而物料加入方式為從緩沖倉頂部加入，形成較多蒸汽及粉塵的混合物，將使雷達波受到嚴重干擾，雷達物位計也無法穩定測量。而使用放射源物位計則是較好的解決方案。

放射源物位計基于γ射線穿過物料時強度減弱的物理規律實現料位測量，當一束γ射線穿過物料，其減弱規律為：I=I0e（-uρd），式中：

I-穿過物料后的射線強度；I0-穿過物料之前射線強度；μ-被測物料對所穿過的γ射線的線性吸收系數；ρ-物料密度；d-γ射線通過的物料厚度。

對于一定的幾何位置，經過物料的射線基本上被吸收，物料越高，閃爍晶體探棒接收到的射線越少（圖1）。物料高度LH與閃爍晶體探棒輸出的計數率n之間成線性關系：LH=Hmax（n0-n）/（n0-n1），式中：

n0-零點計數率，n1-滿度計數率，Hmax-量程

其中n0及n1、Hmax為常量，當閃爍晶體探棒輸出的計數率n值變化時即得到實時物料高度。

閃爍晶體探棒將接受的γ射線轉換為電脈沖信號并輸送至信號處理機，而信號處理機將來自探棒的脈沖信號轉換為料位顯示并將4-20mA模擬信號輸送至DCS控制系統，從而完成了整個測量過程。在實際使用中，放射源物位計基本上不受此工況下各種不利因素的影響，很好的完成了連續料位測量的工作。

2 輸送物料稱重測量

在制漿工廠中，用輸送皮帶輸送各種物料較為常見，如動力廠運送煤粉，化機漿車間運送木片等，而作為新型的物料傳輸計量裝置，核子秤可以用于對皮帶輸送機物料進行動態計量累計。如圖2為核子秤結構示意圖，它是基于γ射線穿過被測物質時，其強度的衰減與被測介質的組分、密度及射線方向上的厚度成指數函數關系這一原理來測量單位荷重的。根據公式I=I0e（-uρd）及公式ρds=q，可得

I=I0e（-uq/s），

式中s-皮帶上的物料寬度；q-皮帶單位長度上的物料重量。

通過測速機構測出皮帶速度v，將兩個信號相乘得到瞬時流量Q，再經積分運算或累加運算得到一段時間內輸送物料的累積流量W，用公式可表示為：

Q=q×v，W=∫q v dt

除用于皮帶輸送機外，核子秤還可以用于履帶式、鏈斗式、螺旋式等輸送機。由于其不受物料的物理化學性質、物料厚度磨損等因素的影響，可在潮濕、粉塵污染環境下可靠運行。且核子皮帶秤的秤體小巧，搬運及安裝工作量小，其對維護工作的要求也比較少。

3 密度測量

在制漿工廠的堿回收車間，需對管道內的綠液、濃白液等介質密度進行嚴格控制，目前大多數儀器，介質仍要與傳感器接觸，造成儀器精度下降及故障率偏高，而利用放射源密度測量系統則可實現非接觸及較高精度的連續測量，可以方便的安裝在現有管道上且不需停工。該密度計基于伽瑪射線穿過被測介質吸收后按指數衰減規律I=I0e（-uρd），式中I0、I分別為未穿及穿過介質射線強度，u為吸收系數，d、ρ分別為介質厚度和密度，只要精確測出I，I0，u，d即可測出被測介質密度。如圖3為密度計結構示意圖，由閃爍晶體計數器接收穿過管道的射線并轉換為電脈沖信號并輸送至信號處理機，經運算后直接顯示被測管道內的介質密度。基于以上原理，由于測量儀表與所測物料的非接觸性，使得這些高腐蝕性及高粘度的介質對測量不產生不利影響，從而保證了測量的高可靠性和較低的維護率。值得注意的是，在進行密度測量時，被測介質的溫度變化對介質的密度有直接的影響，為追求更高的測量精度，在溫度變化較劇烈時，應使用變送器內置的溫度補償功能。

4 放射源儀表合理選用

雖然放射源儀表具有非常多的優點，但如何安全合理的使用放射源儀表，使其發揮最大功效則需要從放射源儀表的選型做起。

4.1 放射源核素選擇

在工業應用中，60Co、137Cs、85Kr等都是常用的放射源核素，根據不同的工況來選擇適用的核素。如針對不同壁厚的容器或管道，靈敏度較高的137Cs適用于4mm以下厚的容器或管道場合，而由于60Co其γ射線能量較高則可用于厚壁容器。而從放射源核素使用壽命來說，137Cs半衰期較長（30年），而60Co半衰期僅有5.27年，在初始同等活度下，相對來說選用137Cs能夠使用得更久。

4.2 放射源活度選擇

眾所周知，放射源所發出的射線對人體有危害，放射源活度越大對人體潛在傷害會越大，但如果放射源活度不夠，也無法保證射線在穿過容器壁和物料后還保持一定的強度讓檢測器接收到，因此，放射源活度的選擇需要綜合考慮所測物料的形態、密度等性質和該物料容器或管道的直徑、材質厚度及探測器側的安全防護標準等參數。如在料位計和密度計使用時，使用60Co或137Cs，活度在10mCi-1Ci不等。

4.3 探測器選擇

探測器即為接收放射源射線并轉換為電信號的裝置，根據其對射線的接收原理可分為兩類：氣體電離室和閃爍晶體。

氣體電離室的工作原理是：惰性氣體被射線照射后電離形成電信號，經放大器放大后變為標準信號送至主機。

氣體電離室主要特點為：信號穩定，抗震性強，使用相對壽命較長，但其要求放射源活度大，且體積較大不利于安裝，信號靈敏度也較差。

閃爍晶體的工作原理為：閃爍晶體被電離形成光信號，經由光電倍增管變為電信號，再經過處理后形成標準信號送至主機。

閃爍晶體的主要特點為：信號靈敏度較高，要求放射源的活度小，甚至比氣體電離室要低十幾倍，從而使安全性大大提高，且其體積小易于安裝，不過由于晶體易碎，所以抗震性能較差。

對不同的使用工況可以根據兩種探測器的特點進行靈活選擇，在用于料位計和密度計時均應選擇體積小、信號靈敏的閃爍晶體類探測器，用于核子秤時由于環境震動較大，選擇氣體電離室為佳。

5 結束語

由于在生產工藝過程中選用了適合的放射源儀表，使得生產工藝質量標準十分可靠、準確，在生產過程中，對維持控制系統的穩定運行起到了顯著的作用，而放射源儀表極低的維護率及維護成本也為企業生產創造了較高的效益，隨著放射源儀表在制漿工廠更多的應用將會使企業生產工藝自動化更上一個新臺階。endprint