CN101017126A - 双探测器在线密度测量方法和在线密度计 - Google Patents

Abstract

一种用于工业管道中料液密度在线检测的方法和在线密度计。采用点状探测器和线状探测器，既可以测量管道中心料液的质量厚度，又能反映料液截面的变化情况。用微机对两路射线信号进行运算处理，从而能够在料液没有充满管道、液面高度经常变化的情况下，准确测定料液的密度，采用本发明后，可以大大扩展密度计的应用范围，进而实现生产过程的自动化控制，提高企业经济效益。

Description

双探测器在线密度测量方法和在线密度计

技术领域

本发明涉及一种工业自动化检测方法和仪器。具体涉及一种料液密度的检测方法和仪器。

背景技术

现有技术为“电离辐射密度计”。仪器由一个γ射线放射源和一个γ射线探测器组成。放射源的屏蔽容器上设有圆锥形的输出孔，射出宽束γ射线。γ射线探测器采用闪烁探测器或电离室，探测器的大小适中，以便采用活度较低的放射源而达到较高的探测效率。当宽束γ射线穿过被测物料时，一部分射线被物料吸收而导致射线强度被衰减。透射射线强度I和初始射线强度I₀之间呈现近似于下式的函数关系：

I＝I₀·B·e^-μ·x·d                                            (1)

式中，d-物料密度；x-物料厚度；μ-物质对γ射线的质量吸收系数；B-宽束γ射线散射效应引起的积累因子。

当放射源和测量装置确定以后，物料对射线的吸收系数“μ”和积累因子就是固定不变的常数。物料对射线强度的衰减能力随着物料的厚度x和密度d的变化呈现正比关系。物料的厚度越大、密度越高，对射线的衰减能力就越强。当被测物料的厚度固定不变时，透射强度I和密度d之间存在单一对应关系，测到透射强度I，就可准确计算出物料的密度值d。

从吸收公式可导出密度计算等式。

$d=\frac{\mathrm{Ln}\left(I_0\right)-\mathrm{Ln}\left(I\right)}{\mathrm{\μ}\·X}+A---\left(2\right)$

式中，I₀-管道排空(没有物料)时检测到的射线强度；I-管道充满料液时的射线强度；X-管道内径；A-修正系数。

从吸收公式(1)可以看出，如果密度d没有发生变化，而厚度x发生了变化，同样会引起透射强度I发生变化，从而使仪表测量出的密度值发生变化，造成差错。因为只有一个探测器用来测量射线强度，无法断定射线强度I的变化是密度变化引起的还是厚度变化引起的。

为了保证密度测量的准确度，必须保证被测物料的厚度恒定不变。通常是将被测料液限制在工业管道中，并保证在仪表运行期间，管道内必须始终充满料液。这就是现有密度计必须满足的应用条件。

但是，在现实的工业生产过程中，在很多情况下料液都充不满管道。管道中料液的高度时刻在不停地变化着。这时，仪器就无法得到料液的真实密度值。在绝大多数的情况下，企业都不允许对工业管道进行改动。在就大大限制了现有密度计的应用范围。

从原理上讲，采用多探测器列阵组成的工业CT断层扫描技术，通过复杂的数学计算，有可能实现物料厚度变化情况下的密度检测。但这种方法的成本太高，每台CT仪器的造价要几百万元甚至几千万元，所以这种技术方案没有实用价值。

发明内容

本发明根据目前的“电离辐射密度计”存在的缺陷，提出一种可以在输液管道中的液位经常变化的情况下准确测定料液的密度和浓度在线密度测量的方法和仪表。

本发明为完成上述目的所采取的技术措施，一种双探测器在线密度测量方法和在线密度计，其特征在于：采用双探测器射线吸收方法，用点状探测器测量管道中心处料液对窄束射线的吸收效应；用线状探测器测量管道中料液的横截面变化对宽束射线的总体吸收效应。对两个探测器探测到的信号进行数学运算，就可求得料液的密度值。

双探测器在线密度测量方法的数学模型和计算方法如下：

点探测器接收到的射线计数和被测料液的质量厚度(密度和厚度的乘积)之间存在着良好的指数关系：

n₁＝n₁₀·e^-μ·d·H                                                (1)

式中：

n₁₀-管道排空时点探测器的计数率，脉冲/s

n₁-有料时点探测器的透射计数率，脉冲/s

H-管道中心处料液厚度，cm

d-料液密度，g/cm³

μ-γ射线和物料相互作用的质量吸收系数，cm²/g

放射源发出的射线束照射到线状探测器上，放射源和线状探测器之间形成一个扇面。将这个扇面分成许多个微小间隔，线探测器接收到的第i间隔内的计数率为：

n_2i＝n_20i·e^-μ·d·hi                                           (2)

式中：

n_2i-线探测器接收的第i间隔内的射线计数

n_20i-每间隔内的料空计数

hi-第i间隔的射线穿过料液的高度，cm

在管道中心处料液厚度为H时，电离室接收到的总计数表达为：

$n_2=n_{20i}\·{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^m{e}^{-\mathrm{\μ}\·d\·\mathrm{hi}}---\left(2\right)$

利用解析几何方法，可求得hi的表达式，

$\mathrm{hi}=\sqrt{R^2-{\mathrm{Li}}^2}+H-R$

式中：

R-管道内径

H-管道中心里料液厚度

L-第i间隔射线和液面交界处，离管道中心线的水平的距离

本发明给出密度测量的数学模型，如式(4)所示：

d＝A·L1^D/L2+B·L2+C                                    (4)

其中，

L1＝Ln(n₁₀)-Ln(n₁)；                                    (5)

L2＝Ln(n₂₀)-Ln(n₂)；                                    (6)

式中：

d-料液密度；

n₁₀-管道排空时点探测器检测到的计数率；

n₁-有料时点探测器检测到的计数率；

n₂₀-管道排空时线探测器检测到的计数率；

n₂-有料时线探测器检测到的计数率；

A、B、C、D-待定系数，

配置几种已知密度值的料液，对每种料液在不同厚度的情况下进行测量。对于每一种情况，都可测定到两个探测器的射线计数n₁和n₂；对测到的每组射线计数(对应两个探测器)，连同对应的已知的密度值，用回归分析法进行求解，就可得到公式系数A、B、C、D。

也可利用工业生产过程中的实际料液进行现场标定。在生产过程中，从工业管道内取出样品，记下取样时刻仪表显示出的两路计数率；将样品送到化验室，化验出样品的密度值；在料液的不同高度和不同密度的情况下、多次取样；对得到的计数率和密度值进行回归分析；求出系数A、B、C、D。

一种可实现上述测量方法的在线密度计，其特征在于：放射源(1)安装在管道(5)上面，放射源输出器采用扇形束射孔，线状探测器安装在管道下面，点状探测器紧靠线状探测器，安装在管道中心处。两个探测器的输出信号和仪表主机相连。

放射源可采用¹³⁷Cs、⁶⁰Co或²⁴¹Am。以扇形射线束向下照射，扇形射线束的宽度应能覆盖管道中料液的最大宽度。

线状探测器采用长型电离室。电离室灵敏体的长度应大于管道内径。射线束宽度、料液宽度和线状探测器灵敏体的长度，三者相互适应。

点状探测器可采用闪烁探测器或小型电离室。点状探测器灵敏体的长度应小于线状探测器长度的1/5。

仪表主机可由单片微处理机构成智能化主机来实现，也可由通用的工业PC机配上信号检测处理装置来实现。

主机应具备下述功能：

能够支撑两个探测器的工作，能接收来自两个探测器的信号；具有脉冲输入接口、模拟量输入接口、计数器电路、A/D转换器；微处理机具备对数和指数等运算功能，能实现测量方法所要求的公式运算和数据的输入、修改、显示、存储等功能。

本发明的有益效果是：在各种工业过程中，很多现实情况都不能满足现有密度计的应用条件。大多数情况下输液管道的料液都充不满，管道内液位不固定，经常变化。而现实也不允许对工艺管道进行改动，致使在这大量的现实情况下，现有的电离辐射密度计不能使用。采用本发明后，可以大大扩展密度计的应用范围，实现这些地方的密度在线检测，进而实现生产过程的自动化控制，提高企业经济效益。

附图说明

图1是本发明在线密度计在实施中安装连接示意图

图中：1放射源 2线状探测器 3点状探测器 4主机 5工业管道

具体实施方式

本发明的在线密度计，放射源1置有¹³⁷Cs放射源，活度50毫居，放射源输出器采用扇形孔，夹角为60°，以扇形射线束向下照射。安装在内径为400mm工业管道5上面，线状探测器2安装在管道5下面，线状探测器采用市售产品，灵敏体长度为500mm的电离室，电离室中设有弱电流放大器和V/F变换器，输出脉冲信号；点状探测器3紧靠线状探测器2，安装在管道5中心处，点状探测器采用市售产品，Φ40×40mm的NaI闪烁探测器，输出脉冲信号；两个探测器的输出信号和仪表主机4相连，主机是由89C252高性能单片微处理机构成的智能式主机；具有脉冲输入和电流输入接口，具有对数和指数运算功能；具有放射源衰变自动补偿功能；具有16位数字显示；8位状态检测、报警指示灯；20个按键操作。仪表还具有4～20mA电流输出，其数值和密度值相对应，可用于对生产过程进行自动控制。

双探测器在线密度测量方法：配制6种不同密度的料液，密度值分别为：1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0g/cm³。

将6种料液分别加入管道中。每种料液的高度又分为5种，分别为：12、14、16、18、20cm。

实际测量结果如下：

管道排空时测到两路排空计数：

N10＝43714脉冲/秒；

N20＝36149脉冲/秒；

测量每种情况下的两路计数率，进行回归分析，得到公式系数：

A＝1.22594876

D＝1.301554269

B＝0.349834619

C＝-1.367071164

密度测量的均方根误差：σ＝0.0068g/cm³。

密度相对误差：0.38％

Claims (5)

1、一种双探测器在线密度测量方法和在线密度计，其特征在于：采用两个探测器，用点状探测器测量管道中心处料液对窄束射线的吸收效应；用线状探测器测量管道中料液的横截面对射线总的吸收效应；对两个探测器探测到的信号进行数学运算，求得料液的密度值，其数据处理过程为：

L1＝Ln(n₁₀)-Ln(n₁)    (1)

L2＝Ln(n₂₀)-Ln(n₂)    (2)

式中：

n₁₀-管道排空时点状探测器的计数率，脉冲/s

n₁-有料时点状探测器的计数率，脉冲/s

n₂₀-料空时线状探测器的计数率，脉冲/s

n₂-有料时线状探测器的计数率，脉冲/s

密度d的计算公式为：

d＝A·L1^D/L2+B·L2+C  (3)

A、B、C、D为待定系数，可以用标定的方法求解公式系数。

2、按权利要求1所述的一种在线密度计，其特征在于：放射源(1)安装在管道(5)上面，放射源输出器采用扇形束射孔，线状探测器(2)安装在管道(5)下面，点状探测器(3)紧靠线状探测器(2)，安装在管道中心处。两个探测器的输出信号和仪表主机(4)相连。

3、按权利要求2所述的放射源，其特征在于：放射源输出器采用扇形束射孔。

4、按权利要求2所述的线状探测器，其特征在于：采用长电离室，电离室灵敏体的长度应大于管道内径。

5、按权利要求2所述的点状探测器，其特征在于：采用闪烁探测器或小型电离室；点状探测器灵敏体的长度应小于线状探测器长度的1/5。

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