1 引言

　　目前国内外高温高压密封容器的液位测量大多数采用的液位计, 有云母式、差压低置式, 电极式及双色式等。以上各种形式的液位计普遍都存在着一个突出问题,即实际上存在着较大的测量误差,不能真实反应液位的真实数值。此外, 每一种液位装置都不能单独满足水位运行时同时应具有的直观、连续及可供自动调节使用等多功能的需要, 而且都普遍存在着维护量大的问题。之所以存在上述问题, 其原因就在于传感器件与被测介质直接接触, 它必然会受到被测介质及其环境条件的影响。由于核物理方法可以实现非接触性测量, 因而传感器本身可不受被测介质及环境条件的影响, 从而避免上述问题的出现, 而能较好地适用于工业现场的要求。

　　2 工作原理

　　2.1 测量原理

　　I 为当测量筒内存有水和蒸汽时, 在测量时刻探测器所测得的计数率;I0为当测量筒内无水、无蒸汽时,探测器所测得的计数率;μm为水和蒸汽的质量吸收系数单位为cm2/g;

        L 为测量筒的内总长度, 单位为 mm;

　　d 代表为水位的高度,单位为mm;

　　ρ1--- 测量筒内水的密度;

　　ρ2- - - 测量筒内汽的密度。

　　在式(3)中,如果得出I0,μm,ρ2,ρ1的值后,只要测出某一液位时刻的I 值,即可计算出该时刻的液位值d。

　　2.2 测量方案

　　由于高压容器外壁都比较厚, 加之形状各异, 难以直接测量。设计中采取了如下方案:

　　如图2,右侧为实际测量环境下测量筒内水位情况:水位为d、水的密度为ρ1、汽的密度为ρ2;左侧为密封容器内的水位情况:水位为d/、水的密度为ρ1/、汽的密度为ρ2/。由于工作时左右两侧温度不同,造成d/, 设左右两侧空筒时的脉冲相等,皆为I0,则有:

2.3 数学模型

　　式(3)是在理想状态情况下推导出的基本原理公式, 如将其直接应用在工程上会引起很大的系统误差,必须进行误差补偿。误差补偿主要有以下几方面:

       (1) 本底:即当同位素容器关闭时,由自然界天然放射性造成的干扰脉冲;

　　(2) 辐射源的衰变:即辐射源将按自身固有的规律进行衰变, 则脉冲随时间也按其固有规律递减, 从而造成水位测量误差;

　　(3) 散射效应:当射线穿过测量筒时,存在着多次散射,由于水的密度和汽的密度不

        (4) 同所引起的散射效应也不

        (5) 同, 从而造成水位测量误差;

　　(6) 水、汽密度值取决于测量筒内的压力和温度,运行参数不

　　(7) 同将直接引起水位测量误差。

　　通过实验以及考虑到上述因素引起的测量误差所带来的影响, 我们经过理论推导和一些核物理实验, 在本系统中建立了下面的数学模型:

　　t--- 辐射源衰变补偿时间,即某一测量时刻距I0测量时刻的时间之差, 单位为天。

　　3 结构设计

　　样机结构设计的基本要求是体积小, 重量轻, 安装调试方便、防腐蚀、防震、密封、抗电磁干扰。

　　3.1 仪表构成

　　测量装置由放射源、放射源容器、测量筒、探测器、护套、主机和手持调试盒组成。放射源采用密封137Cs γ射线点源,外形尺寸ф8mm×9mm,射线能量661Kev,强度1010Bq,半衰期31 年;放射源容器外形尺寸ф190mm ×200mm,主要材料为铅,带有射线输出闸门。该容器主要功能为:(1)对出射线进行准直。(2)起到防护作用,容器外表面剂量小于1000 微仑。(3)便于放射源的固定和安装;测量筒的工作参数与被测容器相同, 两端带有上下两根连通管和安装法兰, 可方便的与被测容器连接, 支撑源容器和探测器;

　　探测器采用NaI 闪烁探测器,晶体尺寸ф50mm ×50mm,光电倍增管型号为 GDB44c;

　　主机为300mm ×200mm ×100mm 密封铸铝壳,其密封和散热性能良好。

　　放射源和探测器按射线穿透几何路径分别安装于测量筒两端;

　　数据处理部分置于主机密封壳体内, 通过壳体上的航空插头进行信号线、电源的引入 / 引出以及通过RS485 接口连接手持调试盒和计算机。

3.2 测量电路的设计

　　测量电路的设计要求是力求简单、适用、稳定、可靠、抗干扰能力强、温度性能好。

　　测量电路包括信号采集和数据处理两大部分。信号采集电路是将来自于探测器脉冲信号斩波、放大、甄别、整形和分频产生可进行数据分析处理的脉冲信号。数据分析处理部分由单片机来完成, 单片机采用C8051F410,主要实现输入信号的分析处理并由数模转换,显示液位值[2]。仪表电源提供四组电源+24V、+12V和两组5V 电源。+12V 供给分压电路及光电倍增管用高压电源,+24V 供压力传感器,两组5V 分别为机内、机外电源,为了提高仪表稳定性,内、外电源由光耦隔离。仪表的测量电路框图如图3 所示：

　　4 仪表干扰问题及解决方法

　　该测量方法确定后,研制中需要解决的主要问题是如何提高测量精度、温度稳定性和检测距离。

        4.1 统计误差

　　γ射线测量方法的精度主要受统计误差的影响[3],对于该系统,在量程一定的情况下,其统计误差取决于γ射线源活度的大小及探测效率的高低。活度增大其统计误差减小,但当活度增大到一定数值时,其探测器的探测率,受放大器死时间的影响,将非线性下降,限制了精度的提高。针对该问题研制了延迟线斩波法闪烁探测器。其原理如下:将探测器的输出信号分为两路,一路将信号反向、延迟、衰减后与另一路叠加, 如图4 所示

　　4.2 散射误差

　　式(9)中的B 叫做散射系数,也叫积累因子[4]。它表示在理想情况下探测器接收角以外的射线,通过散射引起的探测器接收的附加计数, 是一个大于1 的系数,其值的大小与射线的准直、种类、周围的环境、探测器的屏蔽等多种因素有关。

　　为了减小B 值, 研制过程中采取了以下措施:

　　4.2.1 射线准直接收

　　按距离为L=1000mm,接收直径D=50mm 的射线路径, 对辐射源容器发射通道做了准直。

　　4.2.2 采用了137Cs点源作为信号源该放射源源芯为φ5 ×5,外壳为φ8 ×9 的密封不锈钢包壳,其特点是比活度大,较容易实现准直和防护。

　　4.2.3 探测器的屏蔽设计

　　对探测器除接收窗以外,表面加装护套。该护套一方面对散射射线进行防护,又可以作为探测器安装的支撑和保护。该护套由铅加工而成,其防护指标K=60,即可将散射γ射线减小 60 倍。

　　4.4.4 B参数分段线性修正

　　通过实验测出 B 曲线如下图

　4.3 温度稳定性

　　在被测物质物理条件不变的情况下, 该装置工作环境温度变化将引起计数率变化, 这将加大测量系统误差。该变化是由电源电压, 器件参数, 放大器放大倍数等多种因素随温度变化的综合效应引起的,单一稳定某一因素或几个因素很难得到好的效果。通过实验发现其温度影响最终反应在脉冲幅度的变化上。实验中利用不同阻值和温度系数的热敏电阻分压提供一个随温度可变的甄别阈进行温度补偿。其方法简单可行,补偿效果较理想:在0-80℃范围内,其计数率I 的变化在4%左右, 仅占统计误差的万分之 6 。

　　4.4 多测量筒串联方法

　　为了在保证精度的条件下, 大幅度提高量程, 设计了多测量筒串联检测的方法如图8。

　　可根据精度和量程的具体要求简单的将几套相同的检测装置叠加, 几套装置可共用一套主机控制, 软硬件都无需大的改动。

　　6 结束语

　　核物理方法不同于以往常用的各种液位计测量原理的,属于非接触性测量。通过以上的分析证明此种方案切实可行,它具有直观、连续、安全、稳定、可靠等特点,特别适合高参数运行条件下的液位检测。通过不同的设计其精度和量程可以较好的满足实际要求。装置于2007 年10 月在内蒙丰镇发电厂锅炉高压汽包作了水位试验,该汽包的运行参数为:压力15MPa,温度300℃。经过三个月的现场运行证明, 该装置安全、可靠、准确、可闭环控制等特点完全满足发电锅炉高压汽包水位测量的要求。

　　参考文献:

　　[1]丁富荣等.辐射物理[M].北京:北京大学出版社,2004.

　　[2]童诗白等.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2001.

　　[3]王汝赡等.核辐射测量与防护[M].北京:原子能出版社,1985.

　　[4]复旦大学,等.原子核物理实验方法(上、下册)[M].北京:原子能出版社,1982.

　　作者简介:李北城(1953-),男,研究员级高工,研究方向:核电子学与过程控制。

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