放射性物位計(jì)的選擇及應(yīng)用

姚鑫輝

摘 要：本文對(duì)放射性物位計(jì)的測(cè)量原理以及組成部分進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，給出了常見的放射源、檢測(cè)器的配置方案。最后結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目對(duì)放射性物位計(jì)的選型、應(yīng)用做了說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：放射性物位計(jì);物位測(cè)量;點(diǎn)狀源 棒狀檢測(cè)器

放射性料位計(jì)作為一種非接觸式的物位測(cè)量手段，適用范圍比較廣泛，特別適用于操作條件苛刻的場(chǎng)合。如高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、易結(jié)晶等工藝過(guò)程，幾乎不受操作參數(shù)變化的影響。而且，其檢測(cè)靈敏度較高，在使用過(guò)程中幾乎免維護(hù)。本文主要從原理、結(jié)構(gòu)等方面對(duì)放射性物位計(jì)進(jìn)行介紹，并輔以實(shí)際案例，為放射性物位計(jì)的選型提供有效參考。

1 放射性物位計(jì)的基本原理及組成

1.1 基本原理

放射性物位計(jì)是利用放射源產(chǎn)生的γ射線，穿過(guò)被測(cè)容器及容器中的介質(zhì)時(shí)，射線被不同高度的物料所吸收，通過(guò)測(cè)得被吸收而衰減的射線強(qiáng)度，就可以測(cè)得相應(yīng)的物位。射線通過(guò)容器壁和物料呈指數(shù)規(guī)律衰減：

式中：K=e-μ1ρ1d1為設(shè)備結(jié)構(gòu)系數(shù)，為已知常數(shù);R0為放射源的劑量;R表示射線穿過(guò)容器壁和液體介質(zhì)到達(dá)檢測(cè)器的射線的劑量;μ1，μ分別為容器及液體介質(zhì)的吸收系數(shù);d1，h分別為容器壁厚及液位高度;ρ1，ρ分別為容器材質(zhì)及被測(cè)介質(zhì)的密度。射線強(qiáng)度R由檢測(cè)器轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)經(jīng)放大、整形，而后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換和線性補(bǔ)償處理，輸出4～20mA信號(hào)。當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸出開關(guān)信號(hào)時(shí)，儀表可以作為物位報(bào)警開關(guān)。

1.2 組成

放射性物位計(jì)由以下幾個(gè)部件組成：放射源、一次儀表即檢測(cè)器和二次儀表。

1.2.1 放射源

常用的放射源有鈷-60和銫-137，前者的射線能量遠(yuǎn)高于后者，但是鈷-60的半衰期僅為5.3年，而銫-137的半衰期長(zhǎng)達(dá)30年。只有在設(shè)備比較大，物料密度較大的情況下，銫-137不足以達(dá)到所需的靈敏度時(shí)，才使用鈷-60作為放射源。

1.2.2 檢測(cè)器

檢測(cè)器是用來(lái)檢測(cè)放射源發(fā)出射線的強(qiáng)度并將其轉(zhuǎn)化成電脈沖信號(hào)。檢測(cè)器有電離室型、蓋革計(jì)數(shù)管型和閃爍晶體加光電倍增管型三種。電離室由于制造上的原因使用較少，蓋革計(jì)數(shù)管γ射線的檢測(cè)效率只有1%左右，而閃爍晶體的效率在20%～40%，計(jì)數(shù)率也較高。閃爍晶的檢測(cè)原理是，γ射線打在晶體上，使其發(fā)出微弱的光線，光線強(qiáng)度正比于γ射線的劑量，光電倍增管將光信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)送到二次儀表的脈沖放大器。

1.2.3 二次儀表

二次儀表由脈沖放大器、補(bǔ)償電路、轉(zhuǎn)換顯示單元和電源部分組成。脈沖放大器對(duì)檢測(cè)器傳來(lái)的電脈沖進(jìn)行放大和整形。補(bǔ)償電路對(duì)測(cè)量線性進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)也對(duì)放射源隨時(shí)間的強(qiáng)度衰減進(jìn)行補(bǔ)償。目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品大都是一體化探測(cè)器，將檢測(cè)器與二次儀表集為一體。

1.2.4 其他裝置

放射源鉛罐是用來(lái)盛裝放射源，以使放射源在運(yùn)輸、安裝及使用過(guò)程中射線不會(huì)照射到人體，保證人員安全。

2 放射性物位計(jì)的測(cè)量方案

由于放射源可以做成點(diǎn)狀源和棒狀源，檢測(cè)器也有點(diǎn)狀檢測(cè)器和棒狀檢測(cè)器，通過(guò)選擇不同形狀的放射源和檢測(cè)器的搭配，物位測(cè)量方案分為以下幾種。

2.1 點(diǎn)狀源--點(diǎn)狀檢測(cè)器

點(diǎn)狀源安裝在容器外的一側(cè)或容器內(nèi)部，點(diǎn)狀檢測(cè)器裝在容器外的另一側(cè)。只有當(dāng)物位超過(guò)放射源和檢測(cè)器的所在的平面時(shí)，檢測(cè)器接收到的輻射強(qiáng)度才會(huì)發(fā)生變化，輸出的信號(hào)才會(huì)發(fā)生變化。該種方案是物位開關(guān)的設(shè)計(jì)方案。

2.2 點(diǎn)狀源--棒狀檢測(cè)器

點(diǎn)狀源裝在容器的外側(cè)，棒狀檢測(cè)器裝在容器的另一側(cè)。此種測(cè)量的非線性由探測(cè)器內(nèi)的電子線路進(jìn)行補(bǔ)償。這是最常見的物位連續(xù)測(cè)量方案，性價(jià)比高。由于放射源的射線發(fā)射角度的限制，當(dāng)容器直徑較小，而所需的測(cè)量范圍較大時(shí)，一個(gè)放射源不足以滿足測(cè)量范圍要求，因而需要多個(gè)放射源。

2.3 棒狀源--點(diǎn)狀檢測(cè)器

棒源和點(diǎn)檢測(cè)器分別裝在容器的兩側(cè)。棒源適用于較大的測(cè)量范圍，并可加工成非線性，這樣使測(cè)量的線性較好，即探測(cè)器接收到的信號(hào)與料位的變化成線性關(guān)系。在這種情況下，電子線路不在需要線性化，因此標(biāo)定操作很容易。但是棒源造價(jià)高，所需的源盒較大。

2.4 棒狀源--棒狀檢測(cè)器

如果測(cè)量范圍太大，而且檢測(cè)器至源的距離太大或者設(shè)備的壁太厚，應(yīng)采用棒源和棒狀檢測(cè)器，在這種情況下，源與檢測(cè)器的長(zhǎng)度都應(yīng)與測(cè)量范圍相等。該方案的測(cè)量線性較好，但棒源和棒檢測(cè)器一次性投資較高。

3 放射性物位計(jì)應(yīng)用實(shí)例

3.1 放射性物位計(jì)的使用要求

在工業(yè)放射性物位計(jì)中，通常使用Ⅳ類源和Ⅴ類源。對(duì)于銫-137和鈷-60，Ⅳ、Ⅴ類源的劃分如表1所示。

在儀表選型設(shè)計(jì)過(guò)程中，還應(yīng)該考慮儀表安裝區(qū)域的人員活動(dòng)情況。根據(jù)GBZ 125《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護(hù)要求》，在不同場(chǎng)所使用時(shí)，距源容器5cm和1m處的劑量當(dāng)量率應(yīng)滿足表2要求。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

在某聚丙烯裝置項(xiàng)目中，排放倉(cāng)的物位通過(guò)倉(cāng)底的旋轉(zhuǎn)閥來(lái)控制，需要對(duì)倉(cāng)的物位進(jìn)行測(cè)量。倉(cāng)內(nèi)的下部物料是來(lái)自反應(yīng)器的聚丙烯粉料，容易掛壁;上部是氮?dú)狻⑽捶磻?yīng)完的丙烯以及漂浮的聚丙烯粉塵。倉(cāng)的直徑為3.2m，內(nèi)有攪拌器，所需的測(cè)量范圍為5m。

項(xiàng)目采用放射性物位計(jì)進(jìn)行料位測(cè)量。由于設(shè)備直徑較大，需要測(cè)量的范圍大，該料位測(cè)量采用了2個(gè)點(diǎn)狀放射源和3個(gè)棒狀探測(cè)器。兩個(gè)放射源的活度分別為740MBq，屬于Ⅴ類源。檢測(cè)器為PVT閃爍體，其中兩個(gè)探測(cè)器長(zhǎng)度為2m，另一個(gè)為1.2m，可以覆蓋5m的測(cè)量范圍。探測(cè)器24VDC供電，輸出4～20mA HART本安信號(hào)。

經(jīng)計(jì)算得到的5cm和1m處的輻射劑量率如表3所示，接近于零。

4 結(jié)束語(yǔ)

放射性物位計(jì)作為一種非接觸式的物位測(cè)量方法，通常用于其他測(cè)量方式無(wú)法解決的復(fù)雜工況。但是由于其輻射性對(duì)人員造成的安全威脅，其使用受到了國(guó)家法律和規(guī)范的嚴(yán)格限制。因此在選用此類物位計(jì)時(shí)，要嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范，在滿足測(cè)量要求的條件下，盡可能使用低活度的放射源。

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