放射性物位计的选择及应用

姚鑫辉

摘 要：本文对放射性物位计的测量原理以及组成部分进行了详细的介绍，给出了常见的放射源、检测器的配置方案。最后结合实际项目对放射性物位计的选型、应用做了说明。

关键词：放射性物位计;物位测量;点状源 棒状检测器

放射性料位计作为一种非接触式的物位测量手段，适用范围比较广泛，特别适用于操作条件苛刻的场合。如高温、高压、强腐蚀、易结晶等工艺过程，几乎不受操作参数变化的影响。而且，其检测灵敏度较高，在使用过程中几乎免维护。本文主要从原理、结构等方面对放射性物位计进行介绍，并辅以实际案例，为放射性物位计的选型提供有效参考。

1 放射性物位计的基本原理及组成

1.1 基本原理

放射性物位计是利用放射源产生的γ射线，穿過被测容器及容器中的介质时，射线被不同高度的物料所吸收，通过测得被吸收而衰减的射线强度，就可以测得相应的物位。射线通过容器壁和物料呈指数规律衰减：

式中：K=e-μ1ρ1d1为设备结构系数，为已知常数;R0为放射源的剂量;R表示射线穿过容器壁和液体介质到达检测器的射线的剂量;μ1，μ分别为容器及液体介质的吸收系数;d1，h分别为容器壁厚及液位高度;ρ1，ρ分别为容器材质及被测介质的密度。射线强度R由检测器转换成脉冲信号，该脉冲信号经放大、整形，而后经过转换器转换和线性补偿处理，输出4～20mA信号。当转换器输出开关信号时，仪表可以作为物位报警开关。

1.2 组成

放射性物位计由以下几个部件组成：放射源、一次仪表即检测器和二次仪表。

1.2.1 放射源

常用的放射源有钴-60和铯-137，前者的射线能量远高于后者，但是钴-60的半衰期仅为5.3年，而铯-137的半衰期长达30年。只有在设备比较大，物料密度较大的情况下，铯-137不足以达到所需的灵敏度时，才使用钴-60作为放射源。

1.2.2 检测器

检测器是用来检测放射源发出射线的强度并将其转化成电脉冲信号。检测器有电离室型、盖革计数管型和闪烁晶体加光电倍增管型三种。电离室由于制造上的原因使用较少，盖革计数管γ射线的检测效率只有1%左右，而闪烁晶体的效率在20%～40%，计数率也较高。闪烁晶的检测原理是，γ射线打在晶体上，使其发出微弱的光线，光线强度正比于γ射线的剂量，光电倍增管将光信号放大并转换成电脉冲信号送到二次仪表的脉冲放大器。

1.2.3 二次仪表

二次仪表由脉冲放大器、补偿电路、转换显示单元和电源部分组成。脉冲放大器对检测器传来的电脉冲进行放大和整形。补偿电路对测量线性进行补偿，同时也对放射源随时间的强度衰减进行补偿。目前市场上的产品大都是一体化探测器，将检测器与二次仪表集为一体。

1.2.4 其他装置

放射源铅罐是用来盛装放射源，以使放射源在运输、安装及使用过程中射线不会照射到人体，保证人员安全。

2 放射性物位计的测量方案

由于放射源可以做成点状源和棒状源，检测器也有点状检测器和棒状检测器，通过选择不同形状的放射源和检测器的搭配，物位测量方案分为以下几种。

2.1 点状源--点状检测器

点状源安装在容器外的一侧或容器内部，点状检测器装在容器外的另一侧。只有当物位超过放射源和检测器的所在的平面时，检测器接收到的辐射强度才会发生变化，输出的信号才会发生变化。该种方案是物位开关的设计方案。

2.2 点状源--棒状检测器

点状源装在容器的外侧，棒状检测器装在容器的另一侧。此种测量的非线性由探测器内的电子线路进行补偿。这是最常见的物位连续测量方案，性价比高。由于放射源的射线发射角度的限制，当容器直径较小，而所需的测量范围较大时，一个放射源不足以满足测量范围要求，因而需要多个放射源。

2.3 棒状源--点状检测器

棒源和点检测器分别装在容器的两侧。棒源适用于较大的测量范围，并可加工成非线性，这样使测量的线性较好，即探测器接收到的信号与料位的变化成线性关系。在这种情况下，电子线路不在需要线性化，因此标定操作很容易。但是棒源造价高，所需的源盒较大。

2.4 棒状源--棒状检测器

如果测量范围太大，而且检测器至源的距离太大或者设备的壁太厚，应采用棒源和棒状检测器，在这种情况下，源与检测器的长度都应与测量范围相等。该方案的测量线性较好，但棒源和棒检测器一次性投资较高。

3 放射性物位计应用实例

3.1 放射性物位计的使用要求

在工业放射性物位计中，通常使用Ⅳ类源和Ⅴ类源。对于铯-137和钴-60，Ⅳ、Ⅴ类源的划分如表1所示。

在仪表选型设计过程中，还应该考虑仪表安装区域的人员活动情况。根据GBZ 125《含密封源仪表的放射卫生防护要求》，在不同场所使用时，距源容器5cm和1m处的剂量当量率应满足表2要求。

3.2 应用实例

在某聚丙烯装置项目中，排放仓的物位通过仓底的旋转阀来控制，需要对仓的物位进行测量。仓内的下部物料是来自反应器的聚丙烯粉料，容易挂壁;上部是氮气、未反应完的丙烯以及漂浮的聚丙烯粉尘。仓的直径为3.2m，内有搅拌器，所需的测量范围为5m。

项目采用放射性物位计进行料位测量。由于设备直径较大，需要测量的范围大，该料位测量采用了2个点状放射源和3个棒状探测器。两个放射源的活度分别为740MBq，属于Ⅴ类源。检测器为PVT闪烁体，其中两个探测器长度为2m，另一个为1.2m，可以覆盖5m的测量范围。探测器24VDC供电，输出4～20mA HART本安信号。

经计算得到的5cm和1m处的辐射剂量率如表3所示，接近于零。

4 结束语

放射性物位计作为一种非接触式的物位测量方法，通常用于其他测量方式无法解决的复杂工况。但是由于其辐射性对人员造成的安全威胁，其使用受到了国家法律和规范的严格限制。因此在选用此类物位计时，要严格遵守相关规范，在满足测量要求的条件下，尽可能使用低活度的放射源。

参考文献：

[1]陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].北京：化学工业出版社，2011.

[2] GBZ 125-2009.含密封源仪表的放射卫生防护要求[S].北京：中华人民共和国卫生部，2009.