放射源仪表在制浆工厂的应用

覃杰

摘 要：放射源仪表主要是利用γ射线具有较强穿透力的特点，配套检测系统、分析系统、控制系统等，多应用于自动化控制、定量测量等方面，在制浆造纸过程中得到普遍应用，文章主要针对放射源仪表在在化机浆车间和碱回收车间的实际应用进行分析。

关键词：放射源；γ射线；料位测量；输送物料称重测量；密度测量

随着科学技术的发展，工业生产中为应对各种复杂工况，实现高温、高压、高粘度、强腐蚀、多粉尘等恶劣环境下重要参数的精确测量和自动控制，在石油、化工、冶金、电力、煤炭矿山、制浆造纸等行业中广泛使用放射源仪表。作为一类非接触式仪表，放射源仪表不受环境温度、压力、物料浓度等因素的影响，且兼有检测灵敏度高、响应速度快、使用寿命长、性能稳定可靠等特点，这是其它测量仪表无可比拟的。制浆造纸企业中对放射源仪表的典型应用有料位测量、密度测量、输送物料测量、纸张定量测量等。

1 料位测量

在化学机械浆生产线上，将用碱液浸渍处理过的纤维物料（木片、蔗渣、芦苇等）送入磨浆机磨解成浆是非常重要的生产步骤，而使用物料缓冲仓（图1）配合仓底部的喂料螺旋就可将这些物料均匀平稳的送入磨浆机进行连续生产。由于对缓冲仓内部的料位需要进行精确及连续的测量以实现自动控制，需要选择一种响应速度快且性能稳定可靠的测量仪表。备选仪表有称重式物位计、雷达物位计及放射源物位计等。由于仓底安装有搅拌器及喂料输送螺旋，振动较为剧烈，则称重仪不适用，而物料加入方式为从缓冲仓顶部加入，形成较多蒸汽及粉尘的混合物，将使雷达波受到严重干扰，雷达物位计也无法稳定测量。而使用放射源物位计则是较好的解决方案。

放射源物位计基于γ射线穿过物料时强度减弱的物理规律实现料位测量，当一束γ射线穿过物料，其减弱规律为：I=I0e（-uρd），式中：

I-穿过物料后的射线强度；I0-穿过物料之前射线强度；μ-被测物料对所穿过的γ射线的线性吸收系数；ρ-物料密度；d-γ射线通过的物料厚度。

对于一定的几何位置，经过物料的射线基本上被吸收，物料越高，闪烁晶体探棒接收到的射线越少（图1）。物料高度LH与闪烁晶体探棒输出的计数率n之间成线性关系：LH=Hmax（n0-n）/（n0-n1），式中：

n0-零点计数率，n1-满度计数率，Hmax-量程

其中n0及n1、Hmax为常量，当闪烁晶体探棒输出的计数率n值变化时即得到实时物料高度。

闪烁晶体探棒将接受的γ射线转换为电脉冲信号并输送至信号处理机，而信号处理机将来自探棒的脉冲信号转换为料位显示并将4-20mA模拟信号输送至DCS控制系统，从而完成了整个测量过程。在实际使用中，放射源物位计基本上不受此工况下各种不利因素的影响，很好的完成了连续料位测量的工作。

2 输送物料称重测量

在制浆工厂中，用输送皮带输送各种物料较为常见，如动力厂运送煤粉，化机浆车间运送木片等，而作为新型的物料传输计量装置，核子秤可以用于对皮带输送机物料进行动态计量累计。如图2为核子秤结构示意图，它是基于γ射线穿过被测物质时，其强度的衰减与被测介质的组分、密度及射线方向上的厚度成指数函数关系这一原理来测量单位荷重的。根据公式I=I0e（-uρd）及公式ρds=q，可得

I=I0e（-uq/s），

式中s-皮带上的物料宽度；q-皮带单位长度上的物料重量。

通过测速机构测出皮带速度v，将两个信号相乘得到瞬时流量Q，再经积分运算或累加运算得到一段时间内输送物料的累积流量W，用公式可表示为：

Q=q×v，W=∫q v dt

除用于皮带输送机外，核子秤还可以用于履带式、链斗式、螺旋式等输送机。由于其不受物料的物理化学性质、物料厚度磨损等因素的影响，可在潮湿、粉尘污染环境下可靠运行。且核子皮带秤的秤体小巧，搬运及安装工作量小，其对维护工作的要求也比较少。

3 密度测量

在制浆工厂的碱回收车间，需对管道内的绿液、浓白液等介质密度进行严格控制，目前大多数仪器，介质仍要与传感器接触，造成仪器精度下降及故障率偏高，而利用放射源密度测量系统则可实现非接触及较高精度的连续测量，可以方便的安装在现有管道上且不需停工。该密度计基于伽玛射线穿过被测介质吸收后按指数衰减规律I=I0e（-uρd），式中I0、I分别为未穿及穿过介质射线强度，u为吸收系数，d、ρ分别为介质厚度和密度，只要精确测出I，I0，u，d即可测出被测介质密度。如图3为密度计结构示意图，由闪烁晶体计数器接收穿过管道的射线并转换为电脉冲信号并输送至信号处理机，经运算后直接显示被测管道内的介质密度。基于以上原理，由于测量仪表与所测物料的非接触性，使得这些高腐蚀性及高粘度的介质对测量不产生不利影响，从而保证了测量的高可靠性和较低的维护率。值得注意的是，在进行密度测量时，被测介质的温度变化对介质的密度有直接的影响，为追求更高的测量精度，在温度变化较剧烈时，应使用变送器内置的温度补偿功能。

4 放射源仪表合理选用

虽然放射源仪表具有非常多的优点，但如何安全合理的使用放射源仪表，使其发挥最大功效则需要从放射源仪表的选型做起。

4.1 放射源核素选择

在工业应用中，60Co、137Cs、85Kr等都是常用的放射源核素，根据不同的工况来选择适用的核素。如针对不同壁厚的容器或管道，灵敏度较高的137Cs适用于4mm以下厚的容器或管道场合，而由于60Co其γ射线能量较高则可用于厚壁容器。而从放射源核素使用寿命来说，137Cs半衰期较长（30年），而60Co半衰期仅有5.27年，在初始同等活度下，相对来说选用137Cs能够使用得更久。

4.2 放射源活度选择

众所周知，放射源所发出的射线对人体有危害，放射源活度越大对人体潜在伤害会越大，但如果放射源活度不够，也无法保证射线在穿过容器壁和物料后还保持一定的强度让检测器接收到，因此，放射源活度的选择需要综合考虑所测物料的形态、密度等性质和该物料容器或管道的直径、材质厚度及探测器侧的安全防护标准等参数。如在料位计和密度计使用时，使用60Co或137Cs，活度在10mCi-1Ci不等。

4.3 探测器选择

探测器即为接收放射源射线并转换为电信号的装置，根据其对射线的接收原理可分为两类：气体电离室和闪烁晶体。

气体电离室的工作原理是：惰性气体被射线照射后电离形成电信号，经放大器放大后变为标准信号送至主机。

气体电离室主要特点为：信号稳定，抗震性强，使用相对寿命较长，但其要求放射源活度大，且体积较大不利于安装，信号灵敏度也较差。

闪烁晶体的工作原理为：闪烁晶体被电离形成光信号，经由光电倍增管变为电信号，再经过处理后形成标准信号送至主机。

闪烁晶体的主要特点为：信号灵敏度较高，要求放射源的活度小，甚至比气体电离室要低十几倍，从而使安全性大大提高，且其体积小易于安装，不过由于晶体易碎，所以抗震性能较差。

对不同的使用工况可以根据两种探测器的特点进行灵活选择，在用于料位计和密度计时均应选择体积小、信号灵敏的闪烁晶体类探测器，用于核子秤时由于环境震动较大，选择气体电离室为佳。

5 结束语

由于在生产工艺过程中选用了适合的放射源仪表，使得生产工艺质量标准十分可靠、准确，在生产过程中，对维持控制系统的稳定运行起到了显著的作用，而放射源仪表极低的维护率及维护成本也为企业生产创造了较高的效益，随着放射源仪表在制浆工厂更多的应用将会使企业生产工艺自动化更上一个新台阶。endprint

摘 要：放射源仪表主要是利用γ射线具有较强穿透力的特点，配套检测系统、分析系统、控制系统等，多应用于自动化控制、定量测量等方面，在制浆造纸过程中得到普遍应用，文章主要针对放射源仪表在在化机浆车间和碱回收车间的实际应用进行分析。

关键词：放射源；γ射线；料位测量；输送物料称重测量；密度测量

随着科学技术的发展，工业生产中为应对各种复杂工况，实现高温、高压、高粘度、强腐蚀、多粉尘等恶劣环境下重要参数的精确测量和自动控制，在石油、化工、冶金、电力、煤炭矿山、制浆造纸等行业中广泛使用放射源仪表。作为一类非接触式仪表，放射源仪表不受环境温度、压力、物料浓度等因素的影响，且兼有检测灵敏度高、响应速度快、使用寿命长、性能稳定可靠等特点，这是其它测量仪表无可比拟的。制浆造纸企业中对放射源仪表的典型应用有料位测量、密度测量、输送物料测量、纸张定量测量等。

1 料位测量

在化学机械浆生产线上，将用碱液浸渍处理过的纤维物料（木片、蔗渣、芦苇等）送入磨浆机磨解成浆是非常重要的生产步骤，而使用物料缓冲仓（图1）配合仓底部的喂料螺旋就可将这些物料均匀平稳的送入磨浆机进行连续生产。由于对缓冲仓内部的料位需要进行精确及连续的测量以实现自动控制，需要选择一种响应速度快且性能稳定可靠的测量仪表。备选仪表有称重式物位计、雷达物位计及放射源物位计等。由于仓底安装有搅拌器及喂料输送螺旋，振动较为剧烈，则称重仪不适用，而物料加入方式为从缓冲仓顶部加入，形成较多蒸汽及粉尘的混合物，将使雷达波受到严重干扰，雷达物位计也无法稳定测量。而使用放射源物位计则是较好的解决方案。

放射源物位计基于γ射线穿过物料时强度减弱的物理规律实现料位测量，当一束γ射线穿过物料，其减弱规律为：I=I0e（-uρd），式中：

I-穿过物料后的射线强度；I0-穿过物料之前射线强度；μ-被测物料对所穿过的γ射线的线性吸收系数；ρ-物料密度；d-γ射线通过的物料厚度。

对于一定的几何位置，经过物料的射线基本上被吸收，物料越高，闪烁晶体探棒接收到的射线越少（图1）。物料高度LH与闪烁晶体探棒输出的计数率n之间成线性关系：LH=Hmax（n0-n）/（n0-n1），式中：

n0-零点计数率，n1-满度计数率，Hmax-量程

其中n0及n1、Hmax为常量，当闪烁晶体探棒输出的计数率n值变化时即得到实时物料高度。

闪烁晶体探棒将接受的γ射线转换为电脉冲信号并输送至信号处理机，而信号处理机将来自探棒的脉冲信号转换为料位显示并将4-20mA模拟信号输送至DCS控制系统，从而完成了整个测量过程。在实际使用中，放射源物位计基本上不受此工况下各种不利因素的影响，很好的完成了连续料位测量的工作。

2 输送物料称重测量

在制浆工厂中，用输送皮带输送各种物料较为常见，如动力厂运送煤粉，化机浆车间运送木片等，而作为新型的物料传输计量装置，核子秤可以用于对皮带输送机物料进行动态计量累计。如图2为核子秤结构示意图，它是基于γ射线穿过被测物质时，其强度的衰减与被测介质的组分、密度及射线方向上的厚度成指数函数关系这一原理来测量单位荷重的。根据公式I=I0e（-uρd）及公式ρds=q，可得

I=I0e（-uq/s），

式中s-皮带上的物料宽度；q-皮带单位长度上的物料重量。

通过测速机构测出皮带速度v，将两个信号相乘得到瞬时流量Q，再经积分运算或累加运算得到一段时间内输送物料的累积流量W，用公式可表示为：

Q=q×v，W=∫q v dt

除用于皮带输送机外，核子秤还可以用于履带式、链斗式、螺旋式等输送机。由于其不受物料的物理化学性质、物料厚度磨损等因素的影响，可在潮湿、粉尘污染环境下可靠运行。且核子皮带秤的秤体小巧，搬运及安装工作量小，其对维护工作的要求也比较少。

3 密度测量

在制浆工厂的碱回收车间，需对管道内的绿液、浓白液等介质密度进行严格控制，目前大多数仪器，介质仍要与传感器接触，造成仪器精度下降及故障率偏高，而利用放射源密度测量系统则可实现非接触及较高精度的连续测量，可以方便的安装在现有管道上且不需停工。该密度计基于伽玛射线穿过被测介质吸收后按指数衰减规律I=I0e（-uρd），式中I0、I分别为未穿及穿过介质射线强度，u为吸收系数，d、ρ分别为介质厚度和密度，只要精确测出I，I0，u，d即可测出被测介质密度。如图3为密度计结构示意图，由闪烁晶体计数器接收穿过管道的射线并转换为电脉冲信号并输送至信号处理机，经运算后直接显示被测管道内的介质密度。基于以上原理，由于测量仪表与所测物料的非接触性，使得这些高腐蚀性及高粘度的介质对测量不产生不利影响，从而保证了测量的高可靠性和较低的维护率。值得注意的是，在进行密度测量时，被测介质的温度变化对介质的密度有直接的影响，为追求更高的测量精度，在温度变化较剧烈时，应使用变送器内置的温度补偿功能。

4 放射源仪表合理选用

虽然放射源仪表具有非常多的优点，但如何安全合理的使用放射源仪表，使其发挥最大功效则需要从放射源仪表的选型做起。

4.1 放射源核素选择

在工业应用中，60Co、137Cs、85Kr等都是常用的放射源核素，根据不同的工况来选择适用的核素。如针对不同壁厚的容器或管道，灵敏度较高的137Cs适用于4mm以下厚的容器或管道场合，而由于60Co其γ射线能量较高则可用于厚壁容器。而从放射源核素使用寿命来说，137Cs半衰期较长（30年），而60Co半衰期仅有5.27年，在初始同等活度下，相对来说选用137Cs能够使用得更久。

4.2 放射源活度选择

众所周知，放射源所发出的射线对人体有危害，放射源活度越大对人体潜在伤害会越大，但如果放射源活度不够，也无法保证射线在穿过容器壁和物料后还保持一定的强度让检测器接收到，因此，放射源活度的选择需要综合考虑所测物料的形态、密度等性质和该物料容器或管道的直径、材质厚度及探测器侧的安全防护标准等参数。如在料位计和密度计使用时，使用60Co或137Cs，活度在10mCi-1Ci不等。

4.3 探测器选择

探测器即为接收放射源射线并转换为电信号的装置，根据其对射线的接收原理可分为两类：气体电离室和闪烁晶体。

气体电离室的工作原理是：惰性气体被射线照射后电离形成电信号，经放大器放大后变为标准信号送至主机。

气体电离室主要特点为：信号稳定，抗震性强，使用相对寿命较长，但其要求放射源活度大，且体积较大不利于安装，信号灵敏度也较差。

闪烁晶体的工作原理为：闪烁晶体被电离形成光信号，经由光电倍增管变为电信号，再经过处理后形成标准信号送至主机。

闪烁晶体的主要特点为：信号灵敏度较高，要求放射源的活度小，甚至比气体电离室要低十几倍，从而使安全性大大提高，且其体积小易于安装，不过由于晶体易碎，所以抗震性能较差。

对不同的使用工况可以根据两种探测器的特点进行灵活选择，在用于料位计和密度计时均应选择体积小、信号灵敏的闪烁晶体类探测器，用于核子秤时由于环境震动较大，选择气体电离室为佳。

5 结束语

由于在生产工艺过程中选用了适合的放射源仪表，使得生产工艺质量标准十分可靠、准确，在生产过程中，对维持控制系统的稳定运行起到了显著的作用，而放射源仪表极低的维护率及维护成本也为企业生产创造了较高的效益，随着放射源仪表在制浆工厂更多的应用将会使企业生产工艺自动化更上一个新台阶。endprint

摘 要：放射源仪表主要是利用γ射线具有较强穿透力的特点，配套检测系统、分析系统、控制系统等，多应用于自动化控制、定量测量等方面，在制浆造纸过程中得到普遍应用，文章主要针对放射源仪表在在化机浆车间和碱回收车间的实际应用进行分析。

关键词：放射源；γ射线；料位测量；输送物料称重测量；密度测量

随着科学技术的发展，工业生产中为应对各种复杂工况，实现高温、高压、高粘度、强腐蚀、多粉尘等恶劣环境下重要参数的精确测量和自动控制，在石油、化工、冶金、电力、煤炭矿山、制浆造纸等行业中广泛使用放射源仪表。作为一类非接触式仪表，放射源仪表不受环境温度、压力、物料浓度等因素的影响，且兼有检测灵敏度高、响应速度快、使用寿命长、性能稳定可靠等特点，这是其它测量仪表无可比拟的。制浆造纸企业中对放射源仪表的典型应用有料位测量、密度测量、输送物料测量、纸张定量测量等。

1 料位测量

在化学机械浆生产线上，将用碱液浸渍处理过的纤维物料（木片、蔗渣、芦苇等）送入磨浆机磨解成浆是非常重要的生产步骤，而使用物料缓冲仓（图1）配合仓底部的喂料螺旋就可将这些物料均匀平稳的送入磨浆机进行连续生产。由于对缓冲仓内部的料位需要进行精确及连续的测量以实现自动控制，需要选择一种响应速度快且性能稳定可靠的测量仪表。备选仪表有称重式物位计、雷达物位计及放射源物位计等。由于仓底安装有搅拌器及喂料输送螺旋，振动较为剧烈，则称重仪不适用，而物料加入方式为从缓冲仓顶部加入，形成较多蒸汽及粉尘的混合物，将使雷达波受到严重干扰，雷达物位计也无法稳定测量。而使用放射源物位计则是较好的解决方案。

放射源物位计基于γ射线穿过物料时强度减弱的物理规律实现料位测量，当一束γ射线穿过物料，其减弱规律为：I=I0e（-uρd），式中：

I-穿过物料后的射线强度；I0-穿过物料之前射线强度；μ-被测物料对所穿过的γ射线的线性吸收系数；ρ-物料密度；d-γ射线通过的物料厚度。

对于一定的几何位置，经过物料的射线基本上被吸收，物料越高，闪烁晶体探棒接收到的射线越少（图1）。物料高度LH与闪烁晶体探棒输出的计数率n之间成线性关系：LH=Hmax（n0-n）/（n0-n1），式中：

n0-零点计数率，n1-满度计数率，Hmax-量程

其中n0及n1、Hmax为常量，当闪烁晶体探棒输出的计数率n值变化时即得到实时物料高度。

闪烁晶体探棒将接受的γ射线转换为电脉冲信号并输送至信号处理机，而信号处理机将来自探棒的脉冲信号转换为料位显示并将4-20mA模拟信号输送至DCS控制系统，从而完成了整个测量过程。在实际使用中，放射源物位计基本上不受此工况下各种不利因素的影响，很好的完成了连续料位测量的工作。

2 输送物料称重测量

在制浆工厂中，用输送皮带输送各种物料较为常见，如动力厂运送煤粉，化机浆车间运送木片等，而作为新型的物料传输计量装置，核子秤可以用于对皮带输送机物料进行动态计量累计。如图2为核子秤结构示意图，它是基于γ射线穿过被测物质时，其强度的衰减与被测介质的组分、密度及射线方向上的厚度成指数函数关系这一原理来测量单位荷重的。根据公式I=I0e（-uρd）及公式ρds=q，可得

I=I0e（-uq/s），

式中s-皮带上的物料宽度；q-皮带单位长度上的物料重量。

通过测速机构测出皮带速度v，将两个信号相乘得到瞬时流量Q，再经积分运算或累加运算得到一段时间内输送物料的累积流量W，用公式可表示为：

Q=q×v，W=∫q v dt

除用于皮带输送机外，核子秤还可以用于履带式、链斗式、螺旋式等输送机。由于其不受物料的物理化学性质、物料厚度磨损等因素的影响，可在潮湿、粉尘污染环境下可靠运行。且核子皮带秤的秤体小巧，搬运及安装工作量小，其对维护工作的要求也比较少。

3 密度测量

在制浆工厂的碱回收车间，需对管道内的绿液、浓白液等介质密度进行严格控制，目前大多数仪器，介质仍要与传感器接触，造成仪器精度下降及故障率偏高，而利用放射源密度测量系统则可实现非接触及较高精度的连续测量，可以方便的安装在现有管道上且不需停工。该密度计基于伽玛射线穿过被测介质吸收后按指数衰减规律I=I0e（-uρd），式中I0、I分别为未穿及穿过介质射线强度，u为吸收系数，d、ρ分别为介质厚度和密度，只要精确测出I，I0，u，d即可测出被测介质密度。如图3为密度计结构示意图，由闪烁晶体计数器接收穿过管道的射线并转换为电脉冲信号并输送至信号处理机，经运算后直接显示被测管道内的介质密度。基于以上原理，由于测量仪表与所测物料的非接触性，使得这些高腐蚀性及高粘度的介质对测量不产生不利影响，从而保证了测量的高可靠性和较低的维护率。值得注意的是，在进行密度测量时，被测介质的温度变化对介质的密度有直接的影响，为追求更高的测量精度，在温度变化较剧烈时，应使用变送器内置的温度补偿功能。

4 放射源仪表合理选用

虽然放射源仪表具有非常多的优点，但如何安全合理的使用放射源仪表，使其发挥最大功效则需要从放射源仪表的选型做起。

4.1 放射源核素选择

在工业应用中，60Co、137Cs、85Kr等都是常用的放射源核素，根据不同的工况来选择适用的核素。如针对不同壁厚的容器或管道，灵敏度较高的137Cs适用于4mm以下厚的容器或管道场合，而由于60Co其γ射线能量较高则可用于厚壁容器。而从放射源核素使用寿命来说，137Cs半衰期较长（30年），而60Co半衰期仅有5.27年，在初始同等活度下，相对来说选用137Cs能够使用得更久。

4.2 放射源活度选择

众所周知，放射源所发出的射线对人体有危害，放射源活度越大对人体潜在伤害会越大，但如果放射源活度不够，也无法保证射线在穿过容器壁和物料后还保持一定的强度让检测器接收到，因此，放射源活度的选择需要综合考虑所测物料的形态、密度等性质和该物料容器或管道的直径、材质厚度及探测器侧的安全防护标准等参数。如在料位计和密度计使用时，使用60Co或137Cs，活度在10mCi-1Ci不等。

4.3 探测器选择

探测器即为接收放射源射线并转换为电信号的装置，根据其对射线的接收原理可分为两类：气体电离室和闪烁晶体。

气体电离室的工作原理是：惰性气体被射线照射后电离形成电信号，经放大器放大后变为标准信号送至主机。

气体电离室主要特点为：信号稳定，抗震性强，使用相对寿命较长，但其要求放射源活度大，且体积较大不利于安装，信号灵敏度也较差。

闪烁晶体的工作原理为：闪烁晶体被电离形成光信号，经由光电倍增管变为电信号，再经过处理后形成标准信号送至主机。

闪烁晶体的主要特点为：信号灵敏度较高，要求放射源的活度小，甚至比气体电离室要低十几倍，从而使安全性大大提高，且其体积小易于安装，不过由于晶体易碎，所以抗震性能较差。

对不同的使用工况可以根据两种探测器的特点进行灵活选择，在用于料位计和密度计时均应选择体积小、信号灵敏的闪烁晶体类探测器，用于核子秤时由于环境震动较大，选择气体电离室为佳。

5 结束语

由于在生产工艺过程中选用了适合的放射源仪表，使得生产工艺质量标准十分可靠、准确，在生产过程中，对维持控制系统的稳定运行起到了显著的作用，而放射源仪表极低的维护率及维护成本也为企业生产创造了较高的效益，随着放射源仪表在制浆工厂更多的应用将会使企业生产工艺自动化更上一个新台阶。endprint