一种反射式水分仪的结构设计及标定

于福龙，李学辉，徐 锋，张 伟

（1.丹东东方测控技术股份有限公司，辽宁 丹东 118000；2.辽宁省科学技术馆，辽宁 沈阳 110167）

随着国家数字矿山到智慧矿山的推进，物料水分识别技术在矿山生产中得到了新的发展。尤其智能在线检测仪在矿山中的应用得到了广泛的推广。以国家战略为导向推进创新体系优化组合，国家政策推动了智慧化矿山相关技术的进步，也给矿业行业带来新的发展机遇，无人化和智能化，将人类社会快速推向智能化时代，国家大力发展5G+工业互联网，反射式水分仪立足于解决皮带输送中存在的送检实验室工序复杂、工人劳动强度大、工况环境恶劣、人为操作误差不可控等问题。融合了智能算法，基于中子对水分中的H元素敏感，H元素可以使中子发生慢化，而其他物质则几乎没有这一过程。反射式水分仪多应用于工业生产过程中对物料水分含量的在线检测，广泛适用于钢铁、煤炭、水泥、铸造、陶瓷等行业，并能配合其他检测仪表输出控制信号以实现生产过程闭环控制。

1 整体结构设计

文章设计的反射式水分仪，如图1整体机构方案图所示。其组成主要包括：放射源组件、探测器组件、支撑杆组件。

图1 整体结构方案图

1.1 放射源组件

根据现场安全使用放射源的规定，放射源需要精准控制到打开或关闭状态，同时还要采用超高分子聚乙烯作为放射源的保护屏障。转子是放射源的固定装置，旋转180°可以开启或关闭设备，转子的回转轴与防护体采用间隙配合，保证回转顺畅且不容易混进工作现场的杂质，防护体三设计时需要考虑整体配重与防护射线的平衡点，保证防护效果和施工员安全的前提下，尽量减小体积，避免在施工、维修时出现安全隐患。防护体二与防护体三配合通过长螺栓连接，当反射式水分仪处于不工作状态时，放射源的实际照射面位于整个设备的下方，这时需要防护体二、防护体三共同防护，保证现场环境的安全。放射源组件旋转定位机关，通过弹簧、键、指针、限位孔组成，该机关优点为：①限位准确，保证放射源每次打开、关闭到位，不产生安全隐患。②机构简单、可靠性高、操作简单。如图2机关组件图。

图2 机关组件图

1.2 探测器组件

探测器组件主要由，镉板为屏蔽主体，防护体一、反射体一作为支撑形成对四周的防护，探测器主件上方使用铝盖板密封，当特殊现场下皮带对设备有干扰或摩擦时，使用聚四氟材质防磨板起到保护作用。反射式探测器采用插入式安装，采用此种装配方法即使现场故障，需要更换该组件时，只要拆开侧方端盖将两个探测器取出更换即可。探测器为了方便快装、快拆才用侧边套入式，通过探测器与卡箍的间隙配合保证探测器在径向方向不能串动，轴向方向当探测器从侧方安装好后，先使用锁紧钉压紧防止本体回转，再使用堵头将探测器封堵，堵头采用聚四氟乙烯材质，其结构在保证防灰、防水效果的前提下，同时还可以保证放射源的射线无法通过探测器的反射分散到设备外部对人体或环境造成不可逆的伤害。如图3装配示意图。

图3 装配示意图

1.3 支撑杆组件

设备整体依靠两根圆形滑轨支撑在皮带架槽型钢上，放射源组件与探测器组件组装完毕调试通电无误后，通过滚轮滑动到皮带最低点，在工作点预先进行校核、置零，最后向下转动锁紧手柄，根据偏心圆原理设备会锁紧在固定位置，在圆形滑轨的轴向、径向锁紧无法串动达到工作状态，圆形滑轨两侧设计为开口滑槽结构，可以使其安装在U形螺栓安装板上，并限制轴向位置，在螺栓安装板上锁紧螺栓将圆形滑轨限位，最后将U型螺栓与U型螺栓固定板锁紧，所有关键部件安装完毕，整套设备在满足用户使用要求的同时，保证了出现重要零部件损坏、故障时，拆卸、维修的方便、快捷。圆形滑轨与U型螺栓的组合在成本控制上也有良好的表现。

2 结构设计优势

（1）该结构设计与传统水分仪相比较安装、维修流程快速准确，针对放射源安全性高，防护材料大部分选择聚四氟乙烯，既能保证维护人员的安全，又可以具备优秀的机械性能。

（2）探测器、放射源上下相结合的结构具备使用方要求的防水、防尘措施，可以杜绝样料粉末对内部元件的干扰，降低维护量，延长设备使用寿命。

3 仪表标定方法

（1）设备通电前要求安全接地，避免漏电造成设备及人身危险。设备通电期间，无绝缘保护措施情况下，严禁人员触碰重要控制柜内部器件。硬件调试及仪表正常检测应用过程中，放射源要处于开启状态。硬件电气检查用专业摇表测试接地电阻大小，要求小于4Ω。检查智能测控柜内部端子是否存在松动情况。供电独立电源电压测试。

（2）开启智能测控仪内的电源开关，智能测控仪开始工作。输出测试、通电测试、端子松动、零点标定、检查接地。

（3）万用表检测相关位置的电压是否正常。

（4）需要输出4～20 mA 信号给上位机，可以测量4～20 mA 输出是否正常（可根据仪器显示计算出电流值）。测量电流值——水分显示换算关系（水分仪量程对应 0%～100%）：Im=SF/100×16+4其中，Im——实测电流值（mA）；SF——水分显示值（%）。

（5）零点标定首先是设置平滑时间，一般是50 s即可，接下来测量探测器的零点计数和本底计数。测量方法如下：中子零点计数：源一打开，皮带上没有物料，皮带空转的情况下，按智能测控仪键盘的“回零”键60 s后，记录源一探测器的平均计数。中子本底计数：源一关闭时，按智能测控仪键盘的“回零”键50 s后，记录源一探测器的平均计数。Cs零点计数，源二打开，皮带上没有物料，皮带空转的情况下，按智能测控仪键盘的“回零”键50 s后，记录源二探测器的平均计数。Cs本底计数：Cs关闭时，按智能测控仪键盘的“回零”键50 s后，记录源二探测器平均计数。操作完成后，通过仪表使用手册中数据查询功能，查询两路计数在这段时间平滑计数，计算其平均值，作为两路计数的零点数据置入参数表中。

（6）取样流程，如图4取样流程图。

图4 取样流程图

4 结语

反射式水分仪是煤炭和水泥生产企业利用数字化检测手段提高产品品质的有效手段。煤炭和水泥生产环节的质量信息始终贯穿于企业经营运行的各个环节，及时掌握并利用这些信息，对加强企业的生产、运销、高效利用，提高企业的经济效益和管理水平具有重要意义。反射式水分仪可实时在线检测，能很好地解决煤炭和水泥企业对产品水分实时检测的难题，能更好地为煤矿、水泥等企业提高产品的品质，给企业带来减员增效的红利。