姚鑫輝

摘 要：本文對放射性物位計的測量原理以及組成部分進行了詳細的介紹，給出了常見的放射源、檢測器的配置方案。最后結(jié)合實際項目對放射性物位計的選型、應(yīng)用做了說明。

關(guān)鍵詞：放射性物位計;物位測量;點狀源 棒狀檢測器

放射性料位計作為一種非接觸式的物位測量手段，適用范圍比較廣泛，特別適用于操作條件苛刻的場合。如高溫、高壓、強腐蝕、易結(jié)晶等工藝過程，幾乎不受操作參數(shù)變化的影響。而且，其檢測靈敏度較高，在使用過程中幾乎免維護。本文主要從原理、結(jié)構(gòu)等方面對放射性物位計進行介紹，并輔以實際案例，為放射性物位計的選型提供有效參考。

1 放射性物位計的基本原理及組成

1.1 基本原理

放射性物位計是利用放射源產(chǎn)生的γ射線，穿過被測容器及容器中的介質(zhì)時，射線被不同高度的物料所吸收，通過測得被吸收而衰減的射線強度，就可以測得相應(yīng)的物位。射線通過容器壁和物料呈指數(shù)規(guī)律衰減：

式中：K=e-μ1ρ1d1為設(shè)備結(jié)構(gòu)系數(shù)，為已知常數(shù);R0為放射源的劑量;R表示射線穿過容器壁和液體介質(zhì)到達檢測器的射線的劑量;μ1，μ分別為容器及液體介質(zhì)的吸收系數(shù);d1，h分別為容器壁厚及液位高度;ρ1，ρ分別為容器材質(zhì)及被測介質(zhì)的密度。射線強度R由檢測器轉(zhuǎn)換成脈沖信號，該脈沖信號經(jīng)放大、整形，而后經(jīng)過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換和線性補償處理，輸出4～20mA信號。當轉(zhuǎn)換器輸出開關(guān)信號時，儀表可以作為物位報警開關(guān)。

1.2 組成

放射性物位計由以下幾個部件組成：放射源、一次儀表即檢測器和二次儀表。

1.2.1 放射源

常用的放射源有鈷-60和銫-137，前者的射線能量遠高于后者，但是鈷-60的半衰期僅為5.3年，而銫-137的半衰期長達30年。只有在設(shè)備比較大，物料密度較大的情況下，銫-137不足以達到所需的靈敏度時，才使用鈷-60作為放射源。

1.2.2 檢測器

檢測器是用來檢測放射源發(fā)出射線的強度并將其轉(zhuǎn)化成電脈沖信號。檢測器有電離室型、蓋革計數(shù)管型和閃爍晶體加光電倍增管型三種。電離室由于制造上的原因使用較少，蓋革計數(shù)管γ射線的檢測效率只有1%左右，而閃爍晶體的效率在20%～40%，計數(shù)率也較高。閃爍晶的檢測原理是，γ射線打在晶體上，使其發(fā)出微弱的光線，光線強度正比于γ射線的劑量，光電倍增管將光信號放大并轉(zhuǎn)換成電脈沖信號送到二次儀表的脈沖放大器。

1.2.3 二次儀表

二次儀表由脈沖放大器、補償電路、轉(zhuǎn)換顯示單元和電源部分組成。脈沖放大器對檢測器傳來的電脈沖進行放大和整形。補償電路對測量線性進行補償，同時也對放射源隨時間的強度衰減進行補償。目前市場上的產(chǎn)品大都是一體化探測器，將檢測器與二次儀表集為一體。

1.2.4 其他裝置

放射源鉛罐是用來盛裝放射源，以使放射源在運輸、安裝及使用過程中射線不會照射到人體，保證人員安全。

2 放射性物位計的測量方案

由于放射源可以做成點狀源和棒狀源，檢測器也有點狀檢測器和棒狀檢測器，通過選擇不同形狀的放射源和檢測器的搭配，物位測量方案分為以下幾種。

2.1 點狀源--點狀檢測器

點狀源安裝在容器外的一側(cè)或容器內(nèi)部，點狀檢測器裝在容器外的另一側(cè)。只有當物位超過放射源和檢測器的所在的平面時，檢測器接收到的輻射強度才會發(fā)生變化，輸出的信號才會發(fā)生變化。該種方案是物位開關(guān)的設(shè)計方案。

2.2 點狀源--棒狀檢測器

點狀源裝在容器的外側(cè)，棒狀檢測器裝在容器的另一側(cè)。此種測量的非線性由探測器內(nèi)的電子線路進行補償。這是最常見的物位連續(xù)測量方案，性價比高。由于放射源的射線發(fā)射角度的限制，當容器直徑較小，而所需的測量范圍較大時，一個放射源不足以滿足測量范圍要求，因而需要多個放射源。

2.3 棒狀源--點狀檢測器

棒源和點檢測器分別裝在容器的兩側(cè)。棒源適用于較大的測量范圍，并可加工成非線性，這樣使測量的線性較好，即探測器接收到的信號與料位的變化成線性關(guān)系。在這種情況下，電子線路不在需要線性化，因此標定操作很容易。但是棒源造價高，所需的源盒較大。

2.4 棒狀源--棒狀檢測器

如果測量范圍太大，而且檢測器至源的距離太大或者設(shè)備的壁太厚，應(yīng)采用棒源和棒狀檢測器，在這種情況下，源與檢測器的長度都應(yīng)與測量范圍相等。該方案的測量線性較好，但棒源和棒檢測器一次性投資較高。

3 放射性物位計應(yīng)用實例

3.1 放射性物位計的使用要求

在工業(yè)放射性物位計中，通常使用Ⅳ類源和Ⅴ類源。對于銫-137和鈷-60，Ⅳ、Ⅴ類源的劃分如表1所示。

在儀表選型設(shè)計過程中，還應(yīng)該考慮儀表安裝區(qū)域的人員活動情況。根據(jù)GBZ 125《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護要求》，在不同場所使用時，距源容器5cm和1m處的劑量當量率應(yīng)滿足表2要求。

3.2 應(yīng)用實例

在某聚丙烯裝置項目中，排放倉的物位通過倉底的旋轉(zhuǎn)閥來控制，需要對倉的物位進行測量。倉內(nèi)的下部物料是來自反應(yīng)器的聚丙烯粉料，容易掛壁;上部是氮氣、未反應(yīng)完的丙烯以及漂浮的聚丙烯粉塵。倉的直徑為3.2m，內(nèi)有攪拌器，所需的測量范圍為5m。

項目采用放射性物位計進行料位測量。由于設(shè)備直徑較大，需要測量的范圍大，該料位測量采用了2個點狀放射源和3個棒狀探測器。兩個放射源的活度分別為740MBq，屬于Ⅴ類源。檢測器為PVT閃爍體，其中兩個探測器長度為2m，另一個為1.2m，可以覆蓋5m的測量范圍。探測器24VDC供電，輸出4～20mA HART本安信號。

經(jīng)計算得到的5cm和1m處的輻射劑量率如表3所示，接近于零。

4 結(jié)束語

放射性物位計作為一種非接觸式的物位測量方法，通常用于其他測量方式無法解決的復(fù)雜工況。但是由于其輻射性對人員造成的安全威脅，其使用受到了國家法律和規(guī)范的嚴格限制。因此在選用此類物位計時，要嚴格遵守相關(guān)規(guī)范，在滿足測量要求的條件下，盡可能使用低活度的放射源。

參考文獻：

[1]陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2] GBZ 125-2009.含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護要求[S].北京：中華人民共和國衛(wèi)生部，2009.