一种基于核子料位计的中子辐射双准直实时料位测量系统的制作方法

1.本发明涉及料位测量技术领域，特别是涉及一种基于核子料位计的中子辐射双准直实时料位测量系统。


背景技术：

2.在很多工业生产过程中，经常要测量一些工业物料的料位高度，比如原煤仓、原煤斗、煤粉仓的煤位测量，渣仓、脱水仓的渣位测量，电除尘灰斗、仓泵和灰库的灰位测量，闪蒸釜、反应釜等反应装置的料位测量等。对于一些精度要求较高的料位检测，由于工艺条件，安全性和成本等诸多方面的限制，很难对此类反应设备中的料位做出精确的测量。料位测量的原理主要是根据某一物理量在相界面两侧的物理性质的差异或者当料位发生改变时引起相关物理量变化的原理来实现的。
3.料位计按照测量方式可分为：重锤式、雷达式、超声波式及射线式等。每一种料位计都有各自的特点和优势，对比这几种测量原理的仪表在理论及应用上的特点，核子料位计具备明显的优势。核子料位计不受粉尘、颗粒度、介电常数、温度、潮湿度、挂料、电磁波、噪音等因素影响，因此测量精度高。但是缺点在于设备安装需要专业人士，同时需要做好辐射防护措施，另外，核子料位计的造价昂贵，仪器工艺精度高。
4.传统核子料位计采用的放射源一般是化学源，如同位素
137
cs-γ源、am-be源等，它存在重大的安全环保隐患。另外，目前的料位计普遍采用的是间接测量的方式，例如电容式料位计通过测量电容值来推算料位高度，传统的核子料位计是利用射线与物质的作用建立函数关系来计算料位高度。这些间接测量的方式由于不是物料高度的直接反映，因此容易受到容器壁、发动机壳体等环境因素的影响，导致测量精度受到限制。这样对于高精度的料位测量，尤其是易燃易爆物的装载，传统的料位计很难满足实际需求。


技术实现要素：

5.鉴于上述状况，本发明提供一种基于核子料位计的中子辐射双准直实时料位测量系统，以解决现有技术存在安全环保隐患、料位测量精度低的问题，以更好的应对易燃易爆物的装载。
6.一种基于核子料位计的中子辐射双准直实时料位测量系统，包括放射源、探测器、屏蔽体以及电子处理系统，所述探测器与所述电子处理系统电性连接；
7.所述放射源和所述探测器位于待测物料的两端，且所述放射源和所述探测器处于同一平面，所述放射源采用可控源d-d中子管中子源，所述测量系统的测量过程是依据待测物料遮挡中子射线而导致探测计数率下降来实现料面位置的追踪测量。
8.根据本发明提供的基于核子料位计的中子辐射双准直实时料位测量系统，具有以下有益效果：
9.(1)本发明能够在现有浇注装备基础上实现实时的非破坏式连续测量(即不中断注料)和非接触测量(测量系统与填充物不接触)；
10.(2)防爆性能高，对强电的安全使用和其他防打火安全的高等级要求均能达到；
11.(3)辐射防护安全系数高。传统核子料位计采用的放射源一般是化学源，存在重大的安全环保隐患。本发明采用可控源d-d中子管中子源取代化学中子源，一方面放射源的源强可以通过调整靶压来进行调整，它能够针对不同的项目工程或测量环境选择合适的源强，另一方面可以避免放射污染物，不需要进行复杂的报废处理手续，而对于现场的辐射安全监测也不需要进行实时测量，仅仅在仪器通电测量过程中以及仪器关闭电源后一段时间内进行检测即可。d-d中子发生器具有中子产额高、中子能量高、安全性高和易于操作等特点，与物质中核素发生非弹性散射反应、俘获反应后产生能量较高的伽马射线。采用可控的d-d中子发生器进行料位测量，不仅能够省去核子料位计中的化学源，而且可降低容器壁、发动机壳体等环境因素的影响，提高测量精度；另外，通过屏蔽材料种类和厚度的优化设计，可以进一步提升辐射防护能力；
12.(4)整个测量过程是依据物料遮挡中子射线而导致探测计数率下降的原理来实现料面位置的追踪，是料位高度的直接反映，因此料位测量的精度高；
13.(5)本发明配合移动控制系统的能够实现自动化的人机分离工作方式，实现填充物浇注过程的自动化过程控制。
14.此外，作为一种可选的实施方式，所述电子处理系统包括前置放大器、主放大器、多道脉冲分析器、计数显示模块，所述探测器、所述前置放大器、所述主放大器、所述多道脉冲分析器、所述计数显示模块依次电性连接，所述放射源产生的核信号由所述探测器接收，并通过所述探测器转换为电信号，由所述前置放大器对电信号进行放大，再由所述主放大器对电信号进行增益，再由所述多道脉冲分析器进行甄别，最后通过所述计数显示模块显示计数率。
15.此外，作为一种可选的实施方式，所述放射源和所述探测器的数量均为两个，其中一个放射源位于另一个放射源的上方，其中一个探测器位于另一个探测器的上方。
16.此外，作为一种可选的实施方式，所述测量系统还包括步进电机，所述步进电机用于调整装料容器的位置，所述测量系统的工作过程如下：
17.同时开启上下两个放射源中的d-d中子发生器，监控上下两个探测器的收响应信号；未填充物料时，两个探测器收到的脉冲无明显变化；开始装载第一种物料，第一种物料未到下刻度线时，两个探测器收到的脉冲仍无明显变化；当第一种物料到达下刻度线时，下方的探测器收到的脉冲明显变化，上方的探测器收到的脉冲信号仍无明显变化，此时控制第一种物料停止填充，第二种物料开始填充；当第二种物料达到上刻度线时，上方的探测器收到的脉冲明显变化，此时控制第二种物料停止填充，并通过进步电机调整装料容器的位置，重复上述过程，以将不同种的物料依顺序填充进装料容器中。
18.此外，作为一种可选的实施方式，所述屏蔽体采用钨镍铁和氧化钆 聚乙烯物料。
19.此外，作为一种可选的实施方式，所述可控源d-d中子管产生的中子源的源强通过调整靶压来进行调整。
附图说明
20.图1是基于核子料位计的中子辐射双准直实时料位测量系统的结构示意图；
21.图2是电子处理系统的结构示意图；
22.图3是实施例1中10厘米厚度不同屏蔽材料的探测计数率比较图；
23.图4是实施例2中放射源液面测量系统准直原理示意图(w为准直窗口，d为准直厚度，r为有效测量响应范围)；
24.图5是实施例2中不同准直策略的比较图；
25.图6是实施例3中参数标定的示意图。
具体实施方式
26.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
27.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
28.请参阅图1，本发明提供了一基于核子料位计的中子辐射双准直实时料位测量系统，包括放射源10、探测器20、屏蔽体以及电子处理系统，所述探测器10与所述电子处理系统电性连接。
29.所述放射源10和所述探测器20位于待测物料的两端，且所述放射源10和所述探测器20处于同一平面，所述放射源10采用可控源d-d中子管中子源，所述测量系统的测量过程是依据待测物料遮挡中子射线而导致探测计数率下降来实现料面位置的追踪测量。
30.具体的，请参阅图2，所述电子处理系统包括前置放大器31、主放大器32、多道脉冲分析器33、计数显示模块34，所述探测器20、所述前置放大器31、所述主放大器32、所述多道脉冲分析器33、所述计数显示模块34依次电性连接，所述放射源10产生的核信号由所述探测器20接收，并通过所述探测器20转换为电信号，由所述前置放大器31对电信号进行放大，再由所述主放大器32对电信号进行增益，再由所述多道脉冲分析器33进行甄别，最后通过所述计数显示模块34显示计数率。
31.本实施例中，所述放射源10和所述探测器20的数量均为两个，其中一个放射源位于另一个放射源的上方，其中一个探测器位于另一个探测器的上方。
32.具体的，所述测量系统还包括步进电机，所述步进电机用于调整装料容器的位置，所述测量系统的工作过程如下：
33.同时开启上下两个放射源中的d-d中子发生器，监控上下两个探测器的收响应信号；未填充物料时，两个探测器收到的脉冲无明显变化；开始装载第一种物料，第一种物料未到下刻度线时，两个探测器收到的脉冲仍无明显变化；当第一种物料到达下刻度线时，下方的探测器收到的脉冲明显变化，上方的探测器收到的脉冲信号仍无明显变化，此时控制第一种物料停止填充，第二种物料开始填充；当第二种物料达到上刻度线时，上方的探测器收到的脉冲明显变化，此时控制第二种物料停止填充，并通过进步电机调整装料容器的位置，重复上述过程，以将不同种的物料依顺序填充进装料容器中。
34.本发明采用可控源技术：
35.传统核子料位计采用的放射源一般是化学源，存在重大的安全环保隐患。采用可
控源d-d中子管中子源取代化学中子源，一方面放射源的源强可以通过调整靶压来进行调整，它能够针对不同的项目工程或测量环境选择合适的源强，另一方面可以避免放射污染物，不需要进行复杂的报废处理手续，而对于现场的辐射安全监测也不需要进行实时测量，仅仅在仪器通电测量过程中以及仪器关闭电源后一段时间内进行检测即可。d-d中子发生器具有中子产额高、中子能量高、安全性高和易于操作等特点，与物质中核素发生非弹性散射反应、俘获反应后产生能量较高的伽马射线。采用可控的d-d中子发生器进行料位测量，不仅能够省去核子料位计中的化学源，而且可降低容器壁、发动机壳体等环境因素的影响，提高测量精度。
36.此外，本发明基于蒙特卡罗模拟技术对整个测量装置中的一些组件(例如屏蔽体、放射源、准直策略、探测器材料等)的选取需要进行优化设计，从而选择最合适的方案。而优化设计的方法则是从蒙特卡罗模拟和实验测量两方面来选择本测量装置所要用的各组件材料和结构的设计。
37.下面以不同的实施例对本发明进行说明：
38.实施例1
39.中子屏蔽材料选择。通过mcnp5程序对测量能量段的中子及不同屏蔽材料的中子透射性能进行计算，得出各材料的中子屏蔽性能；进行屏蔽体实验，将不同的中子屏蔽材料制成厚度为1cm的长方体样板，通过实验分别测试其中子屏蔽性能。
40.图3是实施例1中10cm厚度不同屏蔽材料的探测计数率，从图中可以看出对于快中子的屏蔽效果，钨镍铁和氧化钆 聚乙烯材料屏蔽效果最好。
41.实施例2
42.准直策略选择。双准直(collimated)放射源液面测量系统中不同准直策略下的效果由蒙特卡洛模拟得到。结合模拟分析结果，找出最适合的准直策略。
43.图4是实施例2中放射源液面测量系统准直原理示意图，图5是实施例2中不同准直策略的比较图。从图中可以看出，当准直窗口w比较大时，计数率也会变大，但位置灵敏度会下降，而当准直窗口w比较小时，虽然位置灵敏度会大幅上升，但计数率会降低，必然要求采用强度更大的放射源。因此，必须在源和探测器两端都要进行优化设计，且要综合考虑探测计数率和位置灵敏度两项指标来优化准直方案。
44.实施例3
45.液面临界处参数标定。将放射源和探测器放置于容器的两端，且处于同一水平平台上。同时优化放射源和探测器的准直设计后，在液面的两端，测量系统的相应参数在理想的状态下是一个0/1的结果。
46.图6是实施例3中参数标定的示意图。实际中，探测器探测得到的射线剂量等参数，是随液面高度变化的曲线，因此，要通过仿真计算和实验，对探测器的相应参数进行标定，以对应确定的液面高度。
47.综上，根据本发明提供的基于核子料位计的中子辐射双准直实时料位测量系统，具有以下有益效果：
48.(1)本发明能够在现有浇注装备基础上实现实时的非破坏式连续测量(即不中断注料)和非接触测量(测量系统与填充物不接触)；
49.(2)防爆性能高，对强电的安全使用和其他防打火安全的高等级要求均能达到；
50.(3)辐射防护安全系数高。传统核子料位计采用的放射源一般是化学源，存在重大的安全环保隐患。本发明采用可控源d-d中子管中子源取代化学中子源，一方面放射源的源强可以通过调整靶压来进行调整，它能够针对不同的项目工程或测量环境选择合适的源强，另一方面可以避免放射污染物，不需要进行复杂的报废处理手续，而对于现场的辐射安全监测也不需要进行实时测量，仅仅在仪器通电测量过程中以及仪器关闭电源后一段时间内进行检测即可。d-d中子发生器具有中子产额高、中子能量高、安全性高和易于操作等特点，与物质中核素发生非弹性散射反应、俘获反应后产生能量较高的伽马射线。采用可控的d-d中子发生器进行料位测量，不仅能够省去核子料位计中的化学源，而且可降低容器壁、发动机壳体等环境因素的影响，提高测量精度；另外，通过屏蔽材料种类和厚度的优化设计，可以进一步提升辐射防护能力；
51.(4)整个测量过程是依据物料遮挡中子射线而导致探测计数率下降的原理来实现料面位置的追踪，是料位高度的直接反映，因此料位测量的精度高；
52.(5)本发明配合移动控制系统的能够实现自动化的人机分离工作方式，实现填充物浇注过程的自动化过程控制。
53.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。