放色性液位计的原理和应用

｜InstrumentWorldMagazine｜October201012放射性液位计的原理和应用自动化仪表综述MarketOverview放射性液位计测量原理利用同位素技术，通过核辐射检测进行工业测量的仪表称为核辐射仪表，亦称放射性仪表，可实现非接触测量。应用最普遍的有放射性液位计、密度计和厚度计。放射性液位计是基于“射线吸收原理”。放射性同位素Co60或Cs137衰变时可产生γ射线，γ射线穿透物质时，由于光电效应、康普顿效应和电子对的生成，γ射线将被物质的原子散射和吸收，造成γ射线衰减。实践证明，射线的强度按指数规律减弱，有如下关系式：I=I0e-μmρd（1）式中：I—衰减后的辐射强度；I0—入射时的辐射强度；e—自然对数的底；μm—物质质量吸收系数，与辐射源类型有关；ρ—物质密度；d—被穿透物质的厚度。由式（1）可得：利用上式，当被测物质密度ρ一定时，可测出被测物质物位（液位）的高度即被测物质的厚度d。若被穿透物质的厚度d固定时，便可测出被测物质工业自动化仪表中的物位测量仪表种类较多，方法不同，各有适用的场合。物位测量包括介质的液位、料位、界面的测量，一般是测量容器或设备内某一介质的高度或厚度、长度，应用最多的是液位测量。按物位测量仪表的工作原理划分，有直读式、浮力式、静压式、电气式、声波式、光学式、核辐射式等。对于某些高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾状态的介质，以及高温融熔金属、煤粉等固体的物位测量，或特殊结构设备（如带复杂搅拌器的反应器）的物位测量，常规方法很难实现，而核辐射式物位测量仪表可以解决这类技术难题。的密度ρ。采用核辐射检测器（闪烁计数器或离子室）检测穿透物质后的剩余γ射线，将其转换为电量的变化，并通过电子电路的处理，就可测出被测液位（厚度）。放射性液位计有着本身的特殊性和应用于特殊场合，非接触式物位测量，介质的温度、粘度、腐蚀、形态等物化特性对测量结果没有影响，有高可靠性和免维护特征，但其辐射的安全防护和辐射源的环境影响仍是需要特别注意的问题。放射性液位计的应用配置放射性液位计一般由核辐射源、检测器、信号处理单元三大部分组成。核辐射源一般选择同位素Cs137或Co60放射源。Cs137半衰期为30.17年，穿透性差一些；Co60半衰期为5.27年，穿透性强。放射源的选择要综合考虑被测介质的密度、容器的材料和壁厚及直径等因素，要求强度大的或被测介质密度低、测量范围小的可选用Cs137，大直径厚壁容器要求穿透能力强的可选用Co60。放射源有点状源和棒状源之分。Cs137一般为点源，也很难做成连续的棒状源；而Co60既可做点源又可做棒状源。点源常常需要大的辐射强度，要多考虑安全防护问题；棒状源可尽可能减小所需的辐射强度但制造难度ρd=1μmInIoI（2）大，尤其是非线性分布的棒状源。放射源均应是符合要求的密封源，一般外部安装方式加有带锁可开启辐射窗口的射线屏蔽层（铅屏蔽等），内插安装时要设计有放射源保护套管。检测器接受穿透介质后的剩余射线，常用类型有盖革管、电离室和闪烁计数器，也分点状接受器和棒状接受器。对于Co60棒状放射源的检测常用闪烁计数器。基于放射源和检测器的形态，放射性液位计的应用配置可参见图1。LB440放射性液位计LB440放射性液位计是德国BRETHOLD（伯托）公司产品。是在原有LB3121型（晶体管电路）、LB300-1型（集成电路）、LB323型（智能式）放射性液位计的基础上升级换代，采用32位微处理器、具有高运算性能和高精度的新型智能化仪表，非接触、连续测量。LB440主机和产生γ射线的辐射源（如Co60放射源）、检测辐射的点状闪烁计数器或长尺寸离子室一起实现其测量功能，如图2所示。BRETHOLD（伯托）公司产品已进入中国市场近40年，LB440以及其它型号放射性液位计有相当数量应用，特有的非线性分布的棒状源成功用于如文/李宝华萨姆森控制设备（中国）有限公司2010年10月｜仪表世界｜13大化肥尿素装置尿素汽提塔底液位和合成塔顶液位、聚丙烯装置第三反应器聚合釜液位、大聚酯装置预缩聚反应釜液位和终缩聚圆盘反应器液位等特殊场合。1.LB440主机LB440主机设计为19模式（3HE、21TE），安装在仪表机柜室或控制室，采用32位微处理器，数据存储在闪存中。面板有4行x20字符的LCD显示和6个薄膜按键、以及RS232接口。后部有接线端和RS485接口。可选115/230VAC±10%、24VAC、18-32VDC供电。LB440主机与闪烁计数器由2芯屏蔽电缆连接，采用ASK调制技术进行信号传输，接受检测的与液位高度反对应的γ射线数量的测量信号和控制闪烁计数器的工作高压。检测信号经微处理器处理，算出平均计数率，同时根据已存储的标准参数、算法和用户选择设置的条件参数计算出测量结果，再经D/A转换并隔离输出4~20mADC电流信号（负载500欧姆），还可输出液位开关信号（继动器接点）。对放射源辐射强度的自然衰减，内部时钟功能可以实现自动衰减补偿。仪表的设定和调校简单方便，各参数和测量结果在LCD上显示。仪表可设置权限密码。LB440还具有自诊断功能。LB440放射性液位计的测量精度为2%至3%，这主要与γ射线的统计涨落有关。2.放射源BRETHOLD的非线性分布的棒状Co60放射源，是将活化后的直径1mm的Co60丝按非线性分布缠绕在直径3mm的不锈钢棒体上，然后用7×1mm的不锈钢管进行密封焊接制成，通常每根棒长在1米左右，大的液位测量范围需要多根棒状源连接，或按需加无源的延长棒。如尿素合成塔顶液位测量范围2800mm，分为4节放射源棒【活度4255MBq（115mCi）】，顶部安装插入5600mm，需加2800mm长的无源延长棒；如聚酯终缩聚圆盘反应器液位测量范围1560mm，分为2节放射源棒【活度255MBq（6.9mCi）】，底部安装插入1854mm，需加290mm长的无源延长棒。内插安装时要装入被测设备上的保护管内，保存和运输要使用铅屏蔽（铅筒），均应符合国家相关的法规和标准。棒状Co60放射源呈非线性分布是考虑棒状辐射源与点接受器的距离之间的非线性，从而保证检测器接受端收到的γ射线强度变化与液位为近似直线关系，同时也使测量电路及软件简化。选择计算放射源强度与所选闪烁计数器及应用条件有关。放射源产生γ射线是全方位散射，检测器的接受窗口仅能接受到穿透设备和介质后剩余的很少一部分γ射线，按穿透路径所有物质折成钢当量进行衰减计算，以满量程时为基本衰减完为准，再按闪烁计数器灵敏度和空罐零液位时接受的最低允许γ射线数量并考虑两个半衰期的工作周期，得出适用的放射源辐射强度（活度）。3.闪烁计数器选用闪烁计数器，应考虑到接受灵敏度与放射源辐射强度的适配问题。高灵敏度的闪烁计数器可使放射源辐射强度选低一些。常选择LB4401-3型，晶体尺寸50x50，对应于300个测量脉冲的需要剂量为0.5μSv/h，这比LB4401-1型（25x25）和LB4401-2型（40x35）所需剂量小很多，即LB4401-3型灵敏度最高。需将闪烁计数器安装在与棒状Co60放射源上端同一水平线处，与放射源距离要按照设计计算数据，入射窗口要对准放射源，作用是将穿透被测液位的剩余γ射线检测并将信号传输给主机。闪烁计数器主要由闪烁晶体、光电倍增管、电子电路和壳体组成，50℃以上的现场环境需要在闪烁计数器外壳加冷却水夹套并保证冷却水不能中断。测量γ射线使用NaI（Ti）晶体，探测效率约为20~30%。当辐射γ射线进入闪烁晶体，使晶体中的原子受激，产生荧光，发光持续时间约为0.25微秒。利用光导和反射，大部分荧光光子收集到光电倍增管的光阴极上，打出光图2图1放射性液位计的应用配置棒状接受器和点源点接受器和棒状源标准安装方式（外装辐射源）大容器的安装方式（内插辐射源）棒源点检测器点检测器棒源点检测器（闪烁计数器）棒状辐射源（Co60放射源）液位液位穿透路径辐射强度液位报警连接电缆LB440主机0/4～20mA信号｜InstrumentWorldMagazine｜October201014自动化仪表综述MarketOverviewsk1；GeneralDate（常规模式）sk2：OperatingMode（工作模式）sk1sk2moresk1；Meas.Parameter（测量参数）sk2：OutputParam（输出参数）sk1sk2moresk1；Interfaces（通信接口）sk2：Calibrate（标定参数）sk1sk2moresk1；LiveDisplay（状态显示）sk2：ServiceMenu（维护菜单）sk1sk2morePassword（密码）：Locked（上锁）/Unlocked（未锁）Date&Time（日期和时间）Date（日期）：DD.MM.YYTime（时间）：HH.MMEG&Berthold（软件版本）LB440-1V2.06LEVELLanguage（语言）English（英语）Deutsch（德语）PrintParameter（打印参数）FactorySeting（出厂设定）注：同时按sk1和clear键，将复位到出厂时的设定缺省值，现场数据将全部丢失德OperatingMode（工作模式）linear（线性模式）polygon（非线性模式）roddetector（棒状检测器模式）exponential（指数模式）ErrorMode（故障模式）Stopmeasure（停止测量）/Continuemeasureinerrorcase（出错情况下继续测量）设定值设定值设定值English只读设定值设定值StopmeasureDetectorandIsotope（检测器和放射源种类）Code（代码）：0Isotope（放射源种类）：Co-60设定值TimeConstant（时间常数）Value（设定值）：20.0sec（秒）设定值简略…CurrentOutput（输出电流）Range（范围）：4-20mA0-20mA设定值4-20mACurr.OutputLimits（输出电流极限）0/4mA：0.0%20mA：100%Curr.OutputError（输出电流出错）Current（电流）：Hold（保持）/Value（数值）Value：mA简略…OperatingMode（工作模式）Linear（线性模式）简略…Empty（空罐）Level（物位）：0.0%PulseRate（脉冲计数率）：/s设定值Full（满罐）Level（物位）：100.0%PulseRate（脉冲计数率）：/s设定值其它模式简略…LB440Level（液位计）Level（液位）：101.5%menumoreLevel（当前液位）I-mean（平均计数率）=/smenumoreDetector（检测器）1HV-auto（自动高压）=VPulseRate（脉冲计数率）：/smenumoreDetector（检测器）1Det.Temp（检测器温度）=℃menumore简略…sk1：TestInput（测试输入）sk2：I/O-Test（I/O测试）sk1sk2moresk1：SetHV（设置高压）sk2：StatusRequest（状态调看）sk1sk2moresk1：ResetDetector(复位设置检测器)sk2：Plateau（坪特性）sk1sk2exitHighVoltage（高压）Value（数值）：VSaveDefault（存预置值）Value（数值）：VReadDefault（读预置值）Value（数值）：VDet.Temp（检测器温度）=℃HV（高压）=VPulseRate（脉冲计数率）=/s简略…简略…ResettingDetector（复位设置检测器）sk1：MeasurePlateau（坪特性测试）sk2：RequestPlateau（调看测试结果）sk1sk2简略…简略…sk1：AdjustCurr.Out（调整输出电流）sk1Current（电流值）1