煤炭元素含量在线测量程序的设计

李 鑫，吕健雄，程道文，李万龙

(长春工业大学a.软件职业技术学院;b.基础科学学院，长春130012)

0 引 言

火电厂入炉煤的在线测量，煤炭交易的快速结算都急需一种快速测量煤炭内碳、氢、氧3种元素含量的方法和仪器。化学分析方法是一种小体积抽样测量方法，测量过程复杂，时间长，代表性差，很难满足煤炭工业快速发展的需求。中子感生瞬发伽马射线分析(NIPGA:Neutron Induced Prompt Gamma－Ray Analysis)方法具有可在线测量、分析速度快、测量精度高、代表性强等优点，是一种很有发展前途的煤炭元素含量在线测量方法［1－4］。基于NIPGA的煤炭元素含量测量装置一般包括中子源、伽马射线探测器、多道脉冲分析器以及中子探测仪等，测得的伽马射线数据储存在谱文件中［5］。煤炭元素在线自动测量时，硬件的控制以及利用谱文件计算元素含量都需要编写相关程序。C#是一种简单、安全、稳定的高级程序设计语言，是由C和C++衍生的，在继承其强大功能的同时去掉一些复杂特性，同时也综合了VB的可视化操作和C++运行的高效率，是开发煤炭元素含量在线测量程序的首选语言［6］。

1 煤炭元素含量在线测量仪

煤炭元素在线测量仪主要包括脉冲D－T中子发生器(产额为108n/s，中子能量为14 MeV)、BGO(Bi3Ge4O12)伽马射线探测器(直径和高分别为100 mm)、4 096道脉冲分析器(MCA:Multi－Channel Analyzer)、中子探测器和两个铅筒(中子发生器外的铅筒用于慢化中子，伽马射线探测器外的铅筒用于屏蔽干扰伽马射线)以及聚乙烯外壳(防护中子辐射)。煤炭放置在煤炭运输带上(见图1)，1～10分别是煤炭运输带、煤炭、铅筒、中子探测器、D－T中子发生器、铅筒、BGO伽马射线探测器、聚乙烯外壳、MCA和计算机。在中子产额为108n/s，测量时间为120 s时，BGO探测器测得的典型伽马能谱如图2所示，其中H、Pb、C以及O的特征伽马射线能量分别为2.22 MeV，2.62 MeV，4.43 MeV，6.13 MeV。

图1 煤炭元素在线测量仪示意图Fig.1 Diagram of on－line coal element contents analysis

图2 伽马能谱图Fig.2 Spectrum of gamma－ray

2 测量程序的设计

为实现煤炭元素含量在线测量的自动化，在计算元素含量前需要依次开启中子探测器、MCA、BGO伽马射线探测器和D－T中子发生器。D－T中子发生器开启后，C#程序每秒计算一次中子产额并根据产额调整中子发生器的离子源电流和加速器电压。当中子产额达到预设值时，MCA开始计数。当测量时间达到预设时间时，MCA停止测量，并将测量结果以谱文件的形式保存在特定的文件夹中，其流程如图3所示。由于自身电学、温度等特性，中子探测器、MCA、BGO伽马射线探测器从开启至稳定一般需要2 h。为缩短设备的稳定时间，无特殊情况不关闭其电源。D－T中子发生器开启后，测量程序每秒计算一次中子产额，并根据此值和预设值(φ)调节离子源电流或加速器电压，8 min后可使中子产额稳定在(1－5%)φ与(1+5%)φ之间。

图3 测量流程图Fig.3 Flowchart of detection

3 解谱程序的设计

C#程序开启后，程序中的FileSystemWatcher控件开始监测用以储存谱文件的特定文件夹，当有谱文件生成时，程序开始按照下列步骤解析此文件。

3.1 伽马射线计数的读取

BGO探测器测量的伽马能谱通过MCA处理后存储在扩展名为rsm的谱文件中，每道计数用32 bit存储。读取每道计数的程序代码如下。

3.2 伽马能谱的平滑

在解谱时，平滑可以减小统计误差［7］。但如果用于平滑的道数太多，很容易把特征峰拉平;如果用于平滑的道数太少，无法达到平滑效果。综合考虑，该程序用y'i=(－3yi－2+12yi－1+17yi+12yi+1－3yi+2)/35表示的五点二次平滑法对每道计数进行平滑。

3.3 特征伽马射线峰位的寻找

实验中，可通过调整伽马射线探测器的高压或MCA的放大倍数使元素特征伽马射线峰的峰位基本不变，但由于BGO晶体的温度特性、电源电压等因素的影响，峰位无法保持不变，需要寻峰程序确定特征伽马射线的峰位［8］。

由于统计误涨落，峰位漂移等因素的影响，峰位附近的计数有可能突然增大，超过峰位处的伽马射线计数。如果用计数最大值确定峰位，伽马计数突然增大的可能被误认为是峰位。为避免此现象的出现，在寻峰程序中，不是寻找单道计数的最大值，而是寻找11道计数和的最大值，并把中间这一道作为峰位。

由图2可以看出，Pb，C，H，O的峰位大约分别在1 350道，2 200道，1 150道和3 000道，峰位与峰谷间的距离大于50道，因此可以用下列程序寻找峰位。

3.4 伽马射线峰面积的计算

元素特征伽马射线的峰面积是指两个峰谷间所有计数之和，但在实际应用中发现，把峰位前23道与后21道间的计数之和作为峰面积计算元素含量，其误差最小［9］。

3.5 元素含量的计算

原子核与中子作用时，非弹反应和俘获反应都释放出瞬发伽马射线。在NIPGA中可选择产额高，受其他伽马射线干扰小的伽马射线作为该元素的特征伽马射线。因此，在测得的伽马能谱中可根据特征伽马射线的能量确定元素种类，利用特征伽马射线的总计数(也称为峰面积)计算该元素含量，公式如下［10，11］

其中，N为该元素特征伽马射线的相对峰面积，可用特征伽马总计数除以中子产额表示。该装置中，由于中子发生器和BGO伽马射线探测器周围铅筒质量较大，其特征伽马射线总计数与煤炭样品无关，只与中子产额有关，所以可用此计数代替中子产额。

根据60组标准煤炭样品中碳、氢、氧的含量及其特征伽马射线相对峰面积，利用线性回归程序，得出计算碳、氢、氧3种元素含量的公式［12］

其中AC，AH，AO分别是3种元素特征伽马射线的相对峰面积。

3.6 测量结果分析

以碳含量为54.96%的6号煤炭样品为例，分别用本程序和原有程序测量10次，碳含量的测量结果如表1所示。

表1 两种程序测量结果Tab.1 Contents of carbon determined by two programs

表1中的标准偏差是10次测量结果的标准偏差，体现了测量结果的重复性。由表1可以看出，该程序测量结果的重复性明显优于原有程序，原因是笔者用五点二次平滑法减小了每道计数的统计误差，用11道计数和寻找特征伽马射线的峰位减小了峰位的错寻率，用线性回归方程计算元素含量提高了计算精度，用自动测量程序控制相关硬件提高了设备的稳定性。表1中的绝对误差是测量值与化验值之差的绝对值，在实际应用中碳元素所允许的最大绝对误差为2.00%。由表1可以看出，该程序的测量结果都达到要求，而原程序只有5个测量结果达到要求。

4 结 语

在煤炭元素含量在线测量中，用C#编写的程序稳定、可靠，可方便地实现煤炭元素含量的自动测量，具有较高的应用价值。现场测试结果表明，程序自身问题引起的设备故障率几乎为零，每个伽马能谱的解析时间小于1 s，能满足煤炭元素含量在线测量的要求。

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