核子液位計(jì)檢測(cè)器使用及故障分析

王本京

(江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司檢維護(hù)分廠,江蘇 徐州 221000)

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，儀表自動(dòng)化測(cè)量技術(shù)也日益提高，為化工生產(chǎn)提供更多、更準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)，化工產(chǎn)品的質(zhì)量也由于生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平的提高而得到保障。在化工生產(chǎn)過程中有很多測(cè)量?jī)x表(差壓液位變送器，靜壓式液位計(jì)，雷達(dá)、浮筒、激光液位計(jì)等)不能用于高溫、高壓(或超低壓)、介質(zhì)粘稠、腐蝕、有毒、結(jié)晶、沉淀或掛料的設(shè)備上，而核子液位計(jì)不受化工生產(chǎn)中特殊特性的影響，是非接觸液位測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的一種，但作為一種測(cè)量設(shè)備也存在著使用和維護(hù)方面的問題，筆者就核子液位計(jì)在安裝、使用過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行了分析。

1.1 核子液位計(jì)檢測(cè)原理

根據(jù)核物理學(xué)中的比爾定律可知，γ射線穿過物體后會(huì)嚴(yán)格按照e指數(shù)衰減，核子液位計(jì)以該理論為基礎(chǔ)，用以測(cè)量容器內(nèi)介質(zhì)的物位(即厚度)[1]。

1.2 核子液位計(jì)的構(gòu)成

核子液位計(jì)的液位在DCS系統(tǒng)集中顯示。液位計(jì)由放射源、檢測(cè)器、變送器(電路轉(zhuǎn)換部分)組成。放射源采用Cs-137或Co-60兩種放射性同位素之一，其作用就是發(fā)出γ射線；檢測(cè)器是核子液位計(jì)的關(guān)鍵部件，主要檢測(cè)γ射線強(qiáng)度，光電倍增管(PMT)是一種具有極高靈敏度和超快時(shí)間響應(yīng)的光探測(cè)器件，射線在晶體內(nèi)產(chǎn)生光閃爍，光電倍增管將其轉(zhuǎn)換為電脈沖輸送到變送器內(nèi)[2]；變送器的作用是將檢測(cè)到的γ射線強(qiáng)度通過電子線路轉(zhuǎn)換成通用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳送到監(jiān)控系統(tǒng)。

2 核子液位計(jì)檢測(cè)器的故障分析

2.1 檢測(cè)器閃爍體彎曲

生產(chǎn)過程中，設(shè)備內(nèi)部溫度將近幾百度，雖然設(shè)備外壁經(jīng)過保溫處理，但保溫外層處仍有溫度向外輻射。用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量設(shè)備外壁溫度，顯示將近85～108℃，最高時(shí)達(dá)134℃。雖然爐壁與檢測(cè)器外壁有100mm的距離，但在測(cè)量檢測(cè)器外壁(僅變送器頭部)時(shí)仍然有30～50℃，夏天高溫時(shí)，甚至有40～55℃。2014年，在核子液位計(jì)日常檢查過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)某些設(shè)備上主、從檢測(cè)器中閃爍體(共4支)發(fā)生彎曲變形，這些檢測(cè)器從2011年投入使用至今已近三年半，熱電廠家交付的使用說明中指出核子液位計(jì)主、從檢測(cè)器中閃爍體晶體為PVT晶體，使用環(huán)境溫度不能超過60℃，而閃爍體晶體連續(xù)三年多的時(shí)間在自身受限的高溫區(qū)內(nèi)運(yùn)行，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，采用Thermo Measuretech model 9734 HHT的手操器對(duì)檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，正常情況下平均計(jì)數(shù)率應(yīng)為1 800CPS，但實(shí)測(cè)結(jié)果為11 000CPS以上，由此說明此檢測(cè)器已無法接收射線并進(jìn)行液位測(cè)量，處于損壞狀態(tài)。

如圖1所示，探測(cè)器與設(shè)備支架的探測(cè)器本身最高溫度在8月份，約為56℃；最低溫度在1月份，約為15℃，平均溫度為36.5℃。如圖2所示，探測(cè)器周圍環(huán)境最高溫度在8月份，約為134℃；最低溫度在1月份，約為78℃，平均溫度為102℃。

圖1 探測(cè)器與設(shè)備支架的探測(cè)器本身溫度

圖2 探測(cè)器周圍環(huán)境溫度

2.2 核子液位計(jì)檢測(cè)器光電倍增管損壞

2014年10月中旬，筆者所在公司的洗滌塔和排渣罐中的核子液位計(jì)均出現(xiàn)液位波動(dòng)較大及曲線不平穩(wěn)等現(xiàn)象。經(jīng)更換多套主板、放大板后仍不能排除此現(xiàn)象，將兩檢測(cè)器在未送電源的情況下解體檢查，發(fā)現(xiàn)光電倍增管端面出現(xiàn)發(fā)烏現(xiàn)象。組裝恢復(fù)后，通電檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在安靜的環(huán)境中出現(xiàn)不正常的嘯叫噪聲，且計(jì)數(shù)率大幅波動(dòng)，穩(wěn)定不下來。根據(jù)光電倍增管的原理結(jié)構(gòu)分析，故障原因可能有兩點(diǎn)。

2.2.1電源配置

由于光電倍增管需要高壓直流電源(500～800V)作為支持，且有潔凈的24V電源為其供電(圖3)。但在測(cè)量液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)供電電壓時(shí)發(fā)現(xiàn)，24V電源(+)D端對(duì)F端地測(cè)量有8V，24V電源(-)E端對(duì)F端地測(cè)量有16V，經(jīng)查找落實(shí)，發(fā)現(xiàn)線路傳輸無故障，而是DCS盤后配電出現(xiàn)問題。DCS盤后24V電源(-)B端沒有接共同接地銅排，而是直接輸出24V電源(-)，造成24V電源(+)A端和24電源(-)B端對(duì)地都有電勢(shì)值，這種接法雖然可用，但接地端若有干擾就容易造成電壓波動(dòng)，會(huì)直接影響光電倍增管的供電，從而損壞陰、陽(yáng)極器件，對(duì)于正常光電子的倍增收集影響很大，導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定。

圖3 原有電源供電方式

2.2.2光電倍增管元器件老化

在正常工作條件下，入射光強(qiáng)度過大或照射時(shí)間過長(zhǎng)，均會(huì)使光電倍增管出現(xiàn)光電流衰減、靈敏度驟減的現(xiàn)象，這是由過大的光電流使電極升溫導(dǎo)致光電發(fā)射材料蒸發(fā)過多而引起的。雖然在停歇一段時(shí)間后還可以全部或部分恢復(fù)，但光電倍增管靈敏度會(huì)逐步下降，即老化。過強(qiáng)的入射光會(huì)加速光電倍增管的老化損壞，光電倍增管端面發(fā)烏便是跡象之一。

3 解決方案

3.1 檢測(cè)器閃爍體彎曲解決方案

解決檢測(cè)器閃爍體彎曲變形的方案有：在核子液位計(jì)檢測(cè)器能正常接收放射量的允許范圍內(nèi)，加大工藝設(shè)備壁與檢測(cè)器外壁之間的距離，人為減少近距離熱輻射；在工藝設(shè)備壁與檢測(cè)器外壁之間增加一定寬度和厚度的保溫棉，減少熱量對(duì)檢測(cè)器的輻射；在檢測(cè)器外壁下部開孔，通入潔凈、干燥的儀表壓縮空氣，對(duì)閃爍體進(jìn)行冷卻降溫；在檢測(cè)器與爐壁的固定連接處加上絕緣隔熱材料，避免部分熱度從連接處進(jìn)行傳熱；在檢測(cè)器外壁加上原廠家的水套，通上冷卻水進(jìn)行降溫。

3.2 核子液位計(jì)檢測(cè)器光電倍增管損壞解決方案

解決核子液位計(jì)檢測(cè)器光電倍增管損壞的關(guān)鍵是解決放大板卡的潔凈供電問題，改善DCS盤后接電方式(圖4)，使24V電源(+)A端對(duì)24電源(-)B端有24V電壓差，24V電源(+)A端對(duì)C端地有24V電壓差，24V電源(-)B端對(duì)C端地有0V電壓差，且24V電壓穩(wěn)定無大的衰減到現(xiàn)場(chǎng)供電。這樣在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量液位計(jì)供電電壓時(shí)會(huì)有24V電源(+)D端對(duì)F端地測(cè)量有24V，24V電源(-)E端對(duì)F端地測(cè)量有0V。同時(shí)，對(duì)檢測(cè)器旋緊封閉蓋，將檢測(cè)器可能有漏入氣體的連接處進(jìn)行密閉，工作狀態(tài)下(通電時(shí))避免閃爍體被強(qiáng)光照射，預(yù)防光電倍增管出現(xiàn)光電流衰減及靈敏度驟減等老化現(xiàn)象。

圖4 改造后電源供電方式

4 結(jié)束語(yǔ)

由于核子液位計(jì)需要長(zhǎng)期處于連續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)，設(shè)備的長(zhǎng)周期運(yùn)行，是安全持續(xù)生產(chǎn)的必要保障。通過以上損壞的閃爍體和光電倍增管故障分析，對(duì)核子液位計(jì)檢測(cè)器的構(gòu)成、原理、使用和故障判斷有了新的認(rèn)識(shí)，對(duì)如何避免故障的再次發(fā)生總結(jié)出了方法，通過改造，延長(zhǎng)了檢測(cè)器的使用壽命，保障了核子液位計(jì)的正常測(cè)量，為安全、平穩(wěn)的化工生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

[1] 劉鳳.射線液位計(jì)的應(yīng)用[J].中國(guó)儀器儀表，2007，(8)：59～62.

[2] 王鳳英，戴耀東.電離輻射防護(hù)與安全基礎(chǔ)知識(shí)[M].南京：江蘇人民出版社，2008：224～226.