无源核子料位计信号的坪特性研究

2021-06-01

数字技术与应用 2021年4期

(江苏信息职业技术学院,江苏无锡 214153)

1 工作原理及高压偏置电路

无源核子料位计是一种非接触式料位计,目前正在逐渐替代火电厂中传统的诸如射频导纳、电容等原理的接触式料位计。无源核子料位计通过检测灰斗或仓泵中粉煤灰固有的微量天然伽马射线来计算灰位高度[1]。由于伽马射线位于电磁波频谱中的较高频段,能量高、穿透力强,所以在容器外部即可以检测到,可以实现真正的非接触式测量,大大提高了工作可靠性,并消除了由于挂灰而引起的误报警。无源核子料位计的系统框图如图1 所示。

图1 无源核子料位计系统框图Fig.1 Block diagram of passive nuclear level gauge system

其中,光电倍增管的高压偏置电路采用电阻式分压偏置电路[2],如图2所示。其中,电容C两端的电压Uh为高压电源提供的电压,一般在500V～1000V之间可调。伽马射线进入闪烁体后会转化成光脉冲;光脉冲中的光子进入光电倍增管到达光阴极K转化为光电子;光电子经过各个倍增极D后形成可观的光电流,并被阳极A所收集;光电流在电阻Ra上形成电压脉冲,并送至后续的脉冲信号处理电路。在上述过程中,随着高压偏置电压的增大,最后得到的电脉冲的幅值也越大,进而影响到阈值甄别及计数电路的计数率[3]。

图2 光电倍增管高压偏置电路Fig.2 Photomultiplier tube high voltage bias circuit

2 计数率的坪特性

无源核子料位计在单位时间内检测到的伽马射线的个数称为计数率或脉冲数[1]。由于原始计数率具有统计涨落特性,所以一般都需要进行一些统计处理,最常用的是滑动平均滤波[4],所以一般所说的计数率其实指的是经过滤波处理后的平均计数率。

料位计在出厂前要将高压偏置电压设定为某一特定值。然而,由于生产条件所限,目前的光电器件,比如光电倍增管,即使是同一批生产的,其特性参数也具有一定的离散性[5]。而且,正如后面所要介绍的,计数率和高压偏置电压之间的关系曲线存在一个坪区(坪特性),在这两个因素的共同影响下,每一台料位计在出厂前都要进行单独的高压值设置,而不能设置成统一的值。因此,对无源核子料位计坪特性的研究就具有了实际意义。

为了研究无源核子料位计的坪特性,将型号为FDAC-DIG的料位计置于一个环境相对稳定的地方,并将其高压偏置电压从500 V 开始,以50 V 为步长逐步调整至1000V。每次调整后,待计数率稳定后记录其数值,得到表1所示的数据。将表1 中的数据绘制成曲线如图3 所示。

表1 计数率随偏置电压的变化Tab.1 Count rate changes with bias voltage

图3 计数率-偏置电压曲线Fig.3 Count Rate-bias voltage curve

由图3可知,随着高压偏置电压的升高,计数率逐渐增加,但增加的速率是变化的。可以大致根据曲线的斜率将上述曲线分为两段:第一段为500V～750V之间的曲线,随着偏置电压的升高,计数率近似以线性规律快速增加;第二段为750V～1000V之间的曲线,随着偏置电压的升高,计数率虽然也在增加,但是非常缓慢。第二段曲线就是该特性曲线的坪区,也就是计数率增长非常缓慢的曲线段。

其实,如果继续增大偏置电压至一定程度,计数率还会出现一个更加陡峭的上升曲线段[6]。限于实验条件所限,图中并没有绘制出来。

3 温度对坪特性的影响

上述数据和曲线是在室温(25℃左右)下测得和绘制的。由于实际的无源核子料位计产品是工作在工业现场的,其环境温度随地区和工厂条件的不同而不同。一般而言,环境温度在-10℃～40℃之间,因此,有必要对上述曲线坪特性的温度特性进行研究。

将无源核子料位计分别置于烤箱(50℃)和冰箱(-16℃)两种环境下,测量其坪特性,所得数据如表2所示。将三种工作温度下的计数率随偏置电压的变化曲线绘制在同一个坐标系下,如图4所示。

表2 计数率随偏置电压及环境温度的变化Tab.2 Count rate changes with bias voltage and ambient temperature

图4 不同温度下计数率随偏置电压变化的曲线Fig.4 The curve of count rate changing with bias voltage at different temperatures

从以上曲线可以看出,温度对计数率曲线是有显著影响的。总体而言,随着温度的升高,计数率曲线向右侧移动,并有一定的下降趋势,坪区的起始点电压逐渐升高。

在设置偏置电压值的时候,主要有两个方面的考虑:一方面,为了保证电路板的绝缘强度,应该尽量降低偏置电压的值,以提高可靠性和寿命;另一方面,要尽量提高偏置电压的值,使得其在料位计的工作温度范围内都处于计数率曲线的坪区内,以减小计数率的温度系数。因此,在料位计的生产和出厂设置中,对高温下的坪区特性曲线进行测量是很有必要的。