放射性液位計在尿素裝置中的應用

摘 要：在工業自動化儀表中，測量物位的儀表種類很多，但是對于某些高溫、高壓、強腐蝕、劇毒、粘滯性、易結晶等介質，特別是高溫熔融金屬、粉塵等固體的物位測量，常規方法很難實現，而放射性儀表可以解決這類技術難題。本文介紹了放射性物位計的特點、工作原理、測量系統的組成，闡述了放射性物位計的選用原則，結合實際應用經驗對放射性液位的測量安裝方式和安全防護措施等問題進行了論述。

關鍵詞：物位測量；尿素裝置；放射源；探測器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.241

0 引言

在尿素裝置中，合成塔（R-101）和汽提塔（E-101）是尿素生產工藝過程中最為重要的核心設備，設備內均為高溫、高壓、易結晶，并且帶有強腐蝕性的介質。

選用何種類型的物位測量儀表才能在這種嚴苛的工況條件下準確測量設備內介質的物位呢？

1 概述

工業自動化儀表中的物位測量儀表種類較多，方法不同，各有各的適用場合。

對于某些高溫、高壓容器、強腐蝕、劇毒、有爆炸性、黏滯性、易結晶或沸騰狀態的介質，以及高溫融熔金屬、煤粉等固體，或特殊結構設備的物位測量，常規方法很難實現。

放射性液位計的測量是非接觸式的。無需在被測設備上開孔、打眼、進行改造，安裝十分方便。投入使用以后，基本不需要維護。因此，此類核輻射式物位測量儀能夠很好的解決以上工況的物位測量難題。

2 測量原理

放射性液位計測量原理利用同位素技術，基于射線吸收原理，放射性同位素 Co60 或 Cs137 衰變時可產生γ射線，γ射線穿透物質時，由于光電效應、康普頓效應和電子對的生成，γ射線將被物質的原子散射和吸收，造成γ射線衰減。其強度隨吸收物質的厚度（或高度）作指數規律的變化。實踐證明，射線的強度按指數規律減弱，有如下關系式：

I = I0e-μρd

式中，

I0是未經被測物料衰減時測到的射線信號，

I是經過被測物料衰減以后測到的射線信號，

μ是被測物料對射線的質量吸收系數，

ρ是被測物料的密度，

d是射線穿過被測物料的距離。

對于確定的測量對象，I0 和μ、ρ都是不變的常量，因此通過測量I，就可以得到射線穿過被測物料的距離d。

典型測量方式如圖1所示：

放射源和探測器分別安裝在被測設備兩側的設定地方（根據不同情況，放射源或探測器也可置于被測設備里面，或者安裝于設備的上下方）。探測器的主要組成部分是閃爍晶體、光電倍增管、高壓電路、前放電路。當待測物料高度發生變化時，在探測器一方，到達它的射線強度就會隨之變化。進入探測器里的γ射線被閃爍晶體接收，將它轉換成微弱的閃爍光子，再由光電倍增管將它轉換成電流脈沖信號，送給前放電路處理（放大、甄別、整形）。高壓電路負責提供光電倍增管工作所必需的直流高壓，范圍一般在800～1300V。探測器出來的電脈沖信號經專用電纜送到主機，由主機進行處理，最后給出對應于液位變化的顯示信號或者標準電流輸出信號。

3 測量系統的組成

放射性液位計一般由放射源、探測器和信號處理單元三大部分組成。放射源一般選擇同位素 Cs137 或 Co60。Cs137 半衰期為 30.17 年，穿透性差一些。Co60 半衰期為5.27 年，穿透性強。放射源的選擇要綜合考慮被測介質的密度、容器的材料和壁厚及直徑等因素，要求強度大的或被測介質密度低、測量范圍小的可選用 Cs137，大直徑厚壁容器要求穿透能力強的可選用 Co60。

放射源有點狀源和棒狀源之分。Cs137 一般為點源，也很難做成連續的棒狀源，而 Co60 既可做點源又可做棒狀源。點源常常需要大的輻射強度，要多考慮安全防護問題。棒狀源可盡可能減小所需的輻射強度但制造難度大，尤其是非線性分布的棒狀源。放射源均應是符合要求的密封源，一般外部安裝方式均有帶鎖且可開啟輻射窗口的射線屏蔽層（鉛屏蔽等），內插安裝時要設計有放射源保護套管。

探測器接受穿透介質后的剩余射線，常用類型有蓋革管、電離室和閃爍計數器，也分點狀接受器和棒狀接受器。

信號處理單元HZ-5203B型微機放射性液位計由天華化工機械及自動化研究設計院生產，由于使用了單片機，可以對被測信號大范圍地進行線性化處理；也可由一個轉換器分別帶 l～3只探測器，進行大范圍的測量。

4 安裝及應用

主機安裝于儀表控制室里，探測器部分和放射源部分安裝在被測設備內外兩側，主機和探測器之間用專用電纜連接，最遠傳輸距離500米。

（1）主機的安裝。液位計的主機采用盤裝式結構。

外形尺寸：144（寬）×96（高）×400 mm（長）。前面板布置如圖 2所示。

其中，數碼顯示管在測量狀態下用來顯示液位的具體高度，可以是絕對高度，也可出是相對高度；在標定、檢驗狀態下，數碼顯示管用來顯示各個項序號及其參數值。四個指示燈中，數碼管左側的兩個，當儀表處于測量狀態時，“測量”指示燈亮，當儀表處于標定、檢驗狀態時，“標檢”指示燈亮。數碼管右側的兩個指示燈中，當液位超出上限或低于下限時，“越限”指示燈亮，當出現標定參數設置錯誤等故障時，“故障”指示燈亮。下面的一排光柱可按照百分比模擬指示液位的位置。

（2）放射源的安裝。我公司放射源選用Cs137點源進行液位測量，采用內置放射源的測量方式，放射源容器固定在設備外部。測量時通過手柄將放射源推進盲管內，遇有設備檢修或其它需要搬移開放射源的情形時，通過手柄將放射源拉出，置于放射源容器內，放射源便處在完全的密封狀態下，進而進行相關操作。采用內置方式可減低使用放射源的強度，減低成本。

（3）探測器的安裝。探測器防爆等級為：ExdⅡCT5。探測器可以水平安裝，也可以豎直安裝。豎直安裝時，最好使法蘭蓋一端朝下，以避免進水。探測器自帶一小連接架，與現場制作的探測器支架連接，用螺栓將二者連接在一起。探測器外形如圖4所示。

5 實際應用中遇到的問題及解決措施

放射性液位計自安裝運行投用以來，一直安全使用，準確測量。但是在實際運行過程中也出現了一些故障現象。

（1）雷擊對二次儀表及現場探測器的影響。故障現象：當有雷擊現象出現時，強大的瞬時電流會突然擊穿探測器的光電倍增管，造成探測器不能把吸收到的γ射線轉換成為電流脈沖信號，導致二次儀表測量失真。同時，強大的電流也會損害二次儀表的工作電路板。解決措施：①進一步完善二次儀表及現場探測器的接地系統，使其接觸良好，工作可靠；②在二次儀表的供電回路中增設浪涌保護器，使系統的元器件不會受到強大電流的沖擊；③單獨為探測器提供獨立電源，不由二次儀表直接供電。處理結果：經過一系列的整改措施，測量系統受雷擊的影響大大減小，保證了放射性液位計測量的準確性。

（2）現場干擾信號影響測量的穩定性和準確性。故障現象：當現場出現干擾信號時（如探傷的X射線、強電磁場信號等），液位測量波動較大，影響尿素系統的穩定運行。解決措施：在探測器的周圍設置5㎜厚的鉛板，盡可能降低外界干擾信號對探測器的影響。處理結果：增設鉛板對外界的干擾信號有一定的屏蔽作用，液位的波動較之前相比有所減小，但是不能徹底解決這一問題。

6 放射源的安全使用

（1）使用的放射源出廠前必須經過有關職能部門檢測，容器表面及對周圍環境的輻射劑量，符合國家規定的安全標準。（2）購進含放射性同位素的儀表時，應事先向所在地環保部門辦理準購批件。（3）放射源的使用應遵照國標 GB4792及國務院449號令《放射性同位素與射線裝置安全和防護條例》的有關規定。（4）放射源應設有專職人員管理，嚴格收發手續，防止差錯和丟失事故。（5）廢棄不用的放射源，應按照規定由專門機構進行處理，不得隨意處置或者丟棄。

7 結束語

放射性液位計由于其自身的特點適用于高溫、高壓、強腐蝕、劇毒、粘滯性、易結晶等特殊場合的物位測量，解決了流程工業中的許多技術難題。根據測量條件和安全合理原則，選擇放射源的種類和強度，嚴格操作，精心維護，安全使用，使放射性液位計在大型化工生產中得到更加有效的應用。

參考文獻：

[1]郭誠.放射性物位儀表在工程設計中的應用[J].自動化與儀表，2002，17（05）：68-69.

[2]邰秀鳳.放射性物位計在物位測量中的應用[J].石油化工自動化，2007（06）：66-68.

[3]詹明生.放射性液位在尿素裝置中的應用[J].江西石油化工，1999（02）：50-5.

作者簡介：張俊峰（1986-），男，本科，助理工程師，主任工程師，主要從事儀表車間自動化儀表的技術管理工作。