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放射性液位计原理及应用
德国伯托公司
LB440料位计说明书
上海伯托同位素技术服务中心
2003-1-1
1、引言
LB440料位计是利用γ射线通过物料时被物料吸收的原理来测量料位的。为了用最小的放射源得到最好的测量效果,每个测量系统都要进行独立的设计。因此,签署合同前必须先根据用户提供的条件做系统设计,以确定放射源与探测器的最佳配置。用户提供的参数应尽可能准确,以保证设计的可靠性。
测量系统所用的放射源已在生产车间按辐射防护标准进行封装并置于合适的屏蔽罐内。因此,测量系统所用的放射源对人员是安全的。按照辐射防护要求,本测量系统仅可由经过培训并持有证书的专业人员操作。
LB440料位计的硬件和软件设计保证了使用的灵活性,能用于不同形状的容器或设备,完成不同的测量任务。然而,对于不同的设备及不同的测量任务必须设置相应的参数,使系统能正常工作。为了保证测量的可靠性,参数不能任意修改。如果要对系统重新设置,应该由熟悉本系统的人员进行,因此,有关人员应仔细地阅读本手册。我们建议用一个参数表记录全部参数。
本手册对几种常用的的系统配置作了说明。请注意你的系统配置属于哪一种。
系统概述
γ射线穿过物料时被物料吸收,从而强度减弱,这个过程遵循一个物理定律。写成数学公式如下:
I=I0×e-μ×ρ×d
其中I0为穿过物质前的射线强度,I为穿过密度为ρ、路径为d的物料后的射线强度,μ为吸收系数,与放射源的类型有关,对于给定的放射源,μ可以认为是常数。
图1为测量原理图。
d
放射源 探测器
I/I0
ρ
图1:测量原理
由于测量系统与所测物料的非接触性,使得物料对测量不产生任何物理和化学上的影响,从而保证了测量的高可靠性及低维护量。
2系统配置
对于不同的测量任务,需要不同的系统配置。选择最佳配置就是选择最合适的放射源以及最合适的探测器。选择系统配置的主要依据是测量范围、测量部位的几何形状等。
图二是棒源/点探测器的基本配置图以及相应的标定曲线图。棒源的长度根据所需的测量范围而定。棒源的强度分布保证了测量的线性,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,电子线路不再需要线性化。因此,标定及操作很容易。
料位
棒源
探头
信号
图2:棒源配置示意图
图三是棒探测器/点源的基本配置图。棒探测器的长度根据所需的测量范围而定。如果所需的测量范围太大,则需要两个以上的棒探测器。如果一个点源不适宜就用两个或多个点源。测量的非线性由主机内的电子线路补偿。对于某个特定的测量系统的线性修正数据由EG&GBerthold提供。
料位
棒源
探头
信号
图3:棒探测器配置示意图
如果测量范围太大,而且探测器至源的距离太大或者设备的壁太厚,应选择棒源/棒探测器配置,如图四。在这种情况下,源与探测器的长度都应与测量范围相等。
测量的非线性由存储在主机内的修正数据修正。修正数据由EG&GBerthold提供。
料位
棒源
探头
信号
图4:棒源/棒探测器配置示意图
在测量范围很小的情况下,可以选择点源/点探测器配置,如图5。此时测量的的非线性纯由指数规律引起,通过主机内的软件就能得到修正。
料位
探头
放射源
信号
图5:点源/点探测器配置示意图
3LB440主机
主机置于一19英寸、3HE、21TE的框架内,包括CPU板与电源板。微处理器是32位的。面板上有六个触摸式键盘,其中三个是操作键,用于设置或修改参数,另外三个是功能键。面板上的显示窗内有4行显示。RS232接口也在前面板上。
图6:LB440面板示意图
接线端子在后面板上。包括电源接线端子、探头接线端子、电流输出接线端子、数字输入/输出接线端子。电流输出信号是隔离的,高、低限报警继电器、故障报警继电器的输出也是隔离的。一个机架内可以容纳一个主机、数个副机。副机用于与其余的探头连接并与主机通信。
系统对放射源的自然衰减进行自动补偿。
全部标定数据存储在可擦写存储器内,就是在电源出现故障时也不会丢失。
主机的显示窗内有4行显示,前三行是菜单内容,用于显示被选的参数或者当前的测量值。最后一行显示当前三个操作键的功能,或者,当仪表处于测量状态时,显示“run”。
(原理)
图7为菜单结构图。键〈more〉用于选择各菜单组,键〈sk1〉及键〈sk2>用于从菜单组中选择的子菜单。在子菜单中用〈more〉选择不同的条目,在子菜单的结尾,用〈done〉即可回到本子菜单所在的菜单组。菜单结构的详细说明见本手册的目录部分。
图7:菜单结构图
料位计的操作通过键盘来完成。键盘包括操作键及功能键。
操作键
操作键用于选择不同的菜单组和存取参数。在菜单的不同位置操作键有不同的意义。其意义由显示窗对应的符号决定。
操作键
功能
Sk1
与
Sk2
在某一菜单组中选择子菜单
more
进入下一个菜单组
操作键
功能
^^^
在子菜单中选择不同条目,或在光标所在的数上加“1”。
操作键
功能
<<<
循环移动光标
操作键
功能
+与-
在下一级子菜单中作循环选择
done
回到菜单组
图8:LB440显示窗
EG&GBerthold
LCD显示窗LB440
LEVELGAUGE
more
操作键
enter
Clearrun
功能键
图9:LB440键盘示意图
键盘
功能
存入(enter)
存入数据及移动光标至下一个位置或使光标在两个位置之间移动。
清除(clear)
清除数据
运行(run)
启动或终止测量,或直接返回至测量值显示状态,且在测量开始时直接进入测量值显示状态。
探测器为闪烁计数器,这是因为闪烁计数器探测γ射线的灵敏度较高,且它们的使用寿命与辐射场的强度无关。
图10:闪烁探测器原理图
探测器有两个不同的类型:
棒探测器
闪烁体采用塑料晶体。棒探测器的长度最大可达2米。根据所需测量范围的不同,可以选择长度合适的探测器。如果测量范围很大,可以用两个或两个以上的探测器。
点探测器
闪烁体采用NaI晶体。根据测量所需的灵敏度,可以选择不同尺寸的NaI晶体。晶体尺寸越大,灵敏度越高。
单位时间内光闪烁的数目与射线的强度有关。单个光闪烁的时间是很短的,所以,探测器需要有很高的分辩率。
光闪烁通过光电倍增管转换成电信号。为了得到高精度及长期稳定性,光电倍增管的高压工作点由集成电路自动调节,有关的数据储存在存储器内,当前的高压工作点可以在显示窗内显示。探测器由2线电缆供电,在这2线电缆上,同时也传输数据和信息。
计数器置于一坚固的不锈钢壳内,以防外力的损害。为了保证性能可靠和长使用寿命,不应使探测器受到冲击及震动。另外,环境温度不应超过50℃,不然需要水冷却系统。
更详细的说明见LB440技术文件。
图11:探测器接线盒示意图
探测器用2线标准非屏蔽电缆(2×1mm)与主机相连,电缆直径为6mm,对应的最大长度为750米。探测器接线盒内不能进水,所以接线后必须采取密封措施。如果环境温度>70℃,请使用防高温电缆。
主机的接线端子在后面板上,见本手册附录部分的主机接线图。
图12:主机接线端子图
注意!
电源应接在合适的电源引出端上。
遵守电的安全操作规程。
由于主机上没有电源开关,电源保险丝置于后面板上,取出很方便。
参阅本手册附录部分的接线图。有关接线端子说明如下:
探测器端子(2a/2c):
探测器与主机的连接采用2线电缆。探测器的防护类型为EExibIIb。为安全起见,线端应套上10mm长的塑料保护套管(见接线图)。
继电器2端子
继电器2用于高限或低限报警,由软件设置。报警点可以根据需要设定。继电器2也可用于监测探测器的温度。
继电器3端子
继电器3用于高限或低限报警,由软件设置。报警点可以根据需要设置。继电器2也可用于监测探测器的温度。
继电器1端子
继电器1用于故障报警。
停止测量端子
停止测量,用于特殊应用。
复位报警
用于由干扰辐射产生的故障报警的复位,并且重新开始测量。
RS485端子
用于主机与副机之间的数据传输和通信。
0/4-20mA电流输出端子
隔离信号,最大负荷500Ω。
电源端子
供电电源。电源类型请看后面板上的标牌。
注意!
打开电源前,请仔细检查接线,以免损坏仪表。
工业用的放射源都是密封的。放射性物质被密封在一不锈钢壳内,所以不会泄漏,这就排除了沾染的可能性。根据物理特性,被测物料也不可能被激活。
用于料位测量的放射源主要有下面几种:
Co-60具有相对高的能量,主要的能量有两种,分别为和。它用于设备壁厚较大的情形。半衰期大约为年。
Cs-137其主要的能量为。用于设备壁厚较小的情形。由于它具有较低的能量,因此具有比Co-60更好的测量效果,并且屏蔽容易。其半衰期大约为30年。
(按照NBS的规定,半衰期的意义是:放射源的强度减小一半所需要的时间。)
预置参数表见附录中的“CONFIGURATIONCHECKLIST”。用户需要对仪表进行最后的参数设置,以使仪表能正常工作。用<^^^>键修改参数,并用<enter>存入。
通用参数
键盘锁指令
可以任意选定一个一位至六位数的数作为锁指令,并用<enter>存入,则键盘被锁。此时,所有的参数都只能在显示窗内显示而不能修改。这就避免了未经允许的误操作。用同样的数作为***指令,用<enter>存入,键盘就被打开。
日期
以TT..的格式存入当前的日期。日期必须正确,因为其与放射源活度的自然衰减补偿有关。
时间
以HH..MM的格式存入当前的时间。时间几乎对放射源活度的自然衰减补偿无关。但可以通过检查时间来检验仪表的功能。
程序版本
显示仪表类型及程序版本。如果你的仪表有问题而需要与厂方接触时,请告知你的程序版本。
语言
有德语和英语两钟语言可供选择。通过<^^^>键实现。
打印参数
仪表可接打印机,打印机接口在面板上。所有的参数都能打印出来。打印样例见附录。
预置参数
厂方预置参数对应如下特例:点源/棒探测器配置,设备内径为1米,测量范围为1米。
标定模式
棒探测器标定
对应于点源/棒探测器及棒源/棒探测器配置。
指数标定
用于测量范围较小的情况,对应于点源/点探测器配置。
线性标定
对应于棒源/点探测器配置。
折线标定
用于特殊应用中的棒源/点探测器配置。
注意:选用何种标定模式根据系统配置而定。
出错模式
选择系统出错时的运行模式。如果选择“继续测量”,则系统自动清除出错信息。
测量参数
探测器编码
探测器编码与其形状和尺寸有关(编码见“技术参数”)。所以必须存入正确的编码。
放射源类型
选择测量所用的放射源类型。以正确地补偿放射源活度的自然衰减。
时间常数
系统根据时间常数计算测量值的平均值。为了减小统计误差,应选择尽可能大的时间常数,但它受料位变化速度制约。在特殊情况下,时间常数可能小于20秒。
快速转换
只有在设备尺寸较小和料位变化较突然的情况下,才需要快速转换功能,以便于信号的变化跟上料位的变化。用<ON>和<OFF>开启或关闭此功能。开动快速转换功能后,一旦料位发生突然变化,且变化幅度超过设定的σ值的倍数,则系统的时间常数就变为原先的十分之一,显示和电流输出信号随着快速变化。统计误差却比原来增加了三倍。如果料位重新变得稳定,则又变回到原来的时间常数。启用快速转换功能时,σ值的倍数至少应存入“4”甚至“5”,以保证统计涨落或小的料位变化不会引起时间常数的快速转换。我们建议在日常运行中摸索最佳的倍数值。
干扰辐射
只有当干扰辐射有可能对测量造成影响的时侯才使用此功能。用<ON>或<OFF>来开启或关闭此功能。设定一个σ值倍数值,当辐射干扰信号超过此值时,测量被停止.
这就提出了一个问题:测量一旦被停止,系统选择“停止测量”还是“继续测量”,如果选择”继续测量”,则有以下三种方法:
按<run>键。
由数字输入信号启动测量。
等延迟时间结束。
干扰辐射延迟时间
由干扰辐射产生的故障一般都是短时的。可以设定一个延迟时间,一旦超过延迟时间,测量又自动开始。
最大计数率
此参数用于检查系统的功能,如果计数率超过此值,系统就停止测量。为了排除假报警,应该设置一个在任何正常测量状态下都不会超过的数值。比如说,至少是零点计数率的两倍。如果这个功能对你的系统来说是不重要的,你可以存入
“0”,关闭此功能。
为了便于设置最大计数率,标定后可查询零点计数率。
最小计数率
最小计数率的设置用于抑制干扰。如果这功能对系统是不重要的,可存入“0”关闭此功能。
更换放射源
指示出放射源是否应该被更换。当存入“0”的时侯,计数率被自动计算。如果存入的数不等于“0”,则保持原有的计数率不变。系统标定前及更换放射源后,必须存入“0”。
报警值是初始计数率的30%。当自动计算得到的计数率小于报警值的时候,显示报警信号。但此时测量系统至少还可以工作6个月。
可以手动修改此值。
输出参数
电流输出
选择料位为“0”时的电流输出信号,0mA或者4mA。
电流输出范围
确定对应于料位测量范围的电流输出范围。典型的是:0/4mA对应料位“0”点,20mA对应料位满度。
电流输出错误
当系统出错时,输出信号模式选择。选择保持出错前的信号还是为预置的在0-22mA之间的值。
继电器2/3
这两个继电器有以下的功能:
低限报警(报警点可设置为0-100%之间的任意值)
高限报警(报警点可设置为0-100%之间的任意值)
探测器温度报警(报警点可设置为0-60℃之间的任意值)
根据高限和低限的不同,当测量值超出设置的报警值的时候,继电器被激励(线路断开),当测量值回复到报警值以内,且经报警延迟后,报警信号被解除。报警延迟大约为量程的5%。
接口
RS232
可选择以下设备与之连接:
打印机:用于打印所有参数
PC机:用PC计算机标定或存取参数。
PC机存取选择
有两种选择: