CN101975786A - 实验室用快速检测卤水中钾浓度的仪表及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种实验室用快速检测卤水中钾浓度的仪表及检测方法，在仪表支架上装有托盘、压力传感器，在压力传感器上置有试样容器，在托盘的下面，置有复合探测器，复合探测器是由塑料闪烁体、NaI(Tl)晶体、光电倍增管及探测器电路组成，复合探测器及压力传感器的信号输出端连接主机。使用上述实验室用快速检测卤水中钾浓度的仪表的检测方法是：取卤水样品倒入试样容器内，启动测量，压力传感器所承受压力的计数及复合探测器将所累计的塑料闪烁体接收β射线数量的计数及NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的计数传输到主机，主机通过下式计算钾元素的浓度，g/kg：

。本发明测量方法是同时测量K-40衰变辐射出的β射线和γ射线，两种射线的计数相互修正、补偿，提高测量精度。

Description

实验室用快速检测卤水中钾浓度的仪表及检测方法

技术领域

本发明涉及一种钾浓度的检测仪表及检测方法，具体说涉及一种实验室用快速检测卤水中钾浓度的仪表及射线计量检测方法。

背景技术

在盐湖卤水生产钾肥的过程中，首先需要对浓缩池中的湖水日晒蒸发浓缩为钾浓度在一定范围内的卤水，因此能够对浓缩池中的卤水的钾浓度进行定期或不定期检测，对提高生产效率，节约能耗具有重要的意义。

另外，从海水中提取淡化水后，剩余部分盐分浓度增加，被称之为“浓盐水”。目前1万立方米的海水可以产出5千立方米的淡化水，剩余浓盐水含盐量比普通海水要高出一倍。浓盐水经再提炼可用于生产原盐使用，剩余的卤水部分还可再用于提取钾、镁等元素，而这些成分可以作为化学肥料的原料应用于农业。目前我国仅青岛一市，2010年海水淡化的规模就达到每天18万至20万立方米，到2020年海水淡化规模将达到每天35万至40万立方米。

因此，对卤水开发利用过程中的卤水钾浓度进行检测，有着重要的意义。目前常规的做法是将生产工艺过程中的卤水取样带回实验室，通过各种手段来检测其中的钾浓度。

实验室检测水中钾元素浓度的方法，常用的几种分别为：火焰发射光度法、原子吸收分光光度法、离子色谱法、离子选择电极法等。但是这些方法在操作上都极为繁琐复杂，耗时也比较长。

发明内容

针对现有卤水中钾浓度的仪表及检测方法存在的缺陷，本发明提供一种检测速度快、检测精度高的检测卤水中钾浓度的仪表及检测方法。

解决上述技术问题所采取的具体技术措施是：一种实验室用快速检测卤水中钾浓度的仪表，其特征是：仪表的支架(3)上装有开有方形孔的托盘(4)，在托盘(4)方形孔一侧置有第一压力传感器(5)，在托盘(4)方形孔另一侧置有第二压力传感器(6)，在第一压力传感器(5)和第二压力传感器(6)上置有试样容器(1)，试样容器(1)上制有中空把手(2)，试样容器(1)下部成小方桶状部分则穿过托盘(4)的开孔，在托盘(4)的下面，置有五个复合探测器，分别为：第一复合探测器(8)、第二复合探测器(9)、第三复合探测器(10)、第四复合探测器(11)、第五复合探测器(12)，复合探测器分别对着试样容器(1)放置在托盘(4)上时伸进并露出在托盘(4)的下方部分的前、后、左、右的四个面以及下底面，复合探测器的结构是：复合探测器的外壳(21)装有塑料闪烁体(22)、NaI(Tl)晶体(23)、光电倍增管(24)及探测器电路(25)，在塑料闪烁体(22)的前端覆有铝膜(26)；在支架(3)上置有压力传感器处理电路(7)，复合探测器及压力传感器处理电路的信号输出端用屏蔽电缆连接主机(13)。

使用上述实验室用快速检测卤水中钾浓度的仪表的检测方法，其特征是：取卤水样品，倒入试样容器(1)内。当倒入的卤水样品的量达到一定的程度后，开始从把手(2)中的中空孔洞溢流排走多余的卤水样品，启动仪表主机(13)开始测量，当预先设定的测量时间到后，仪表主机(13)向压力传感器信号处理电路(7)、第一复合探测器(8)、第二复合探测器(9)、第三复合探测器(10)、第四复合探测器(11)、第五复合探测器(12)发出停止测量的命令；

压力传感器信号处理电路将累计的对应第一压力传感器(5)所承受压力的计数T1及对应第二压力传感器(6)所承受压力的计数T2传输给仪表主机(13)；

第一复合探测器(8)将电路所累计的对应塑料闪烁体接收β射线数量的计数N1及对应NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的计数M1传输到仪表主机(13)，第二复合探测器(9)将电路所累计的对应塑料闪烁体接收β射线数量的计数N2及对应NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的计数M2传输到仪表主机(13)，第三复合探测器(10)将电路所累计的对应塑料闪烁体接收β射线数量的计数N3及对应NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的计数M3传输到仪表主机(13)，第四复合探测器(11)将电路所累计的对应塑料闪烁体接收β射线数量的计数N4及对应NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的计数M4传输到仪表主机(13)，第五复合探测器(12)将电路所累计的对应塑料闪烁体接收β射线数量的计数N5及对应NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的计数M5传输到仪表主机(13)，仪表主机(13)根据接收到的计数，通过下式计算卤水中钾元素的浓度，g/kg：

$P=\frac{F+\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{Ai}\·{\mathrm{Ni}}^2+\mathrm{Bi}\·{\mathrm{Mi}}^2+\mathrm{Ci}\·\mathrm{Ni}\·\mathrm{Mi}+\mathrm{Di}\·\mathrm{Ni}+\mathrm{Ei}\·\mathrm{Mi})}{G\·T^2+H\·T+I}$

其中：

T＝T1+T2-T10-T20；

式中：P为卤水中钾的浓度，单位为g/kg；Ni为第i复合探测器输出的对应该探测器内塑料闪烁体接收β射线数量的累计计数；Mi为第i复合探测器输出的对应该探测器内NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的累计计数；T10为压力传感器信号处理电路输出的对应容器内为空状态下第一压力传感器所承受压力的累计计数，可以事先通过测量得到；T20为压力传感器信号处理电路输出的对应容器内为空状态下第二压力传感器所承受压力的累计计数，可以事先通过测量得到；T1为压力传感器信号处理电路输出的对应容器内盛满卤水样品状态下第一压力传感器所承受压力的累计计数；T2为压力传感器信号处理电路输出的对应容器内盛满卤水样品状态下第二压力传感器所承受压力的累计计数；Ai、Bi、Ci、Di、Ei、F、G、H、I为公式的待定系数，可通过大量的取样，采用非线性回归拟合获得。

本发明的有益效果：由于自然界中存在着大量的高能宇宙射线以及环境辐射本底，这些都会对单独的γ射线或β射线检测带来干扰，影响测量精度。

而本发明则采用一定厚度的铅板对NaI(Tl)晶体进行屏蔽，使得NaI(Tl)晶体接收到的γ射线主要来自探测腔体前方的卤水，减少了宇宙高能射线以及环境辐射本底对测量的影响。

铝膜的作用是将α射线屏蔽掉。而塑料闪烁体对γ射线不敏感，5mm的厚度足以吸收掉最高能量为1.33MeV的连续能谱β射线的99％，并且几乎对能量为1.46MeV的γ射线不起作用。而NaI(Tl)晶体对γ射线则同时具有较高的吸收效率和较好的能量分辨率。在设计上已经尽可能地避免了β射线与γ射线对测量的相互之间的干扰。

并且本发明所采用的测量方法是同时测量K-40衰变辐射出的β射线和γ射线，在计算过程中，两种射线的计数相互修正、补偿，使得测量更加全面，弥补了只单一测量其中某种射线而导致的测量片面性的不足。

另外，本发明充分考虑到了在自然条件下，温度变化以及卤水成分变化均会导致卤水的密度变化，通过每次测量同等体积卤水样品并将卤水样品的重量参与到最终的计算中去，修正了卤水密度改变对测量带来的误差。具体地说，当相同数量的钾原子分别存在于体积相同、但密度不同的卤水中时，两种液体的钾浓度(g/kg)是不同的，但是探测器所能检测到的K-40的β射线和γ射线的数目却是相同的。而在测量中采取了密度修正之后，则避免了这种由于卤水密度变化而对测量带来的误差。

附图说明

图1是本发明仪表结构示意图。

图2是图1的A-A视图。

图3是复合探测器结构示意图。

图中：1试样容器；2把手；3支架；4托盘；5第一压力传感器；6第二压力传感器；7压力传感器信号处理电路；8第一复合探测器；9第二复合探测器；10第三复合探测器；11第四复合探测器；12第五复合探测器；13主机；21外壳；22塑料闪烁体；23NaI(Tl)晶体；24光电倍增管；25探测器电路；26铝膜。

具体实施方式

结合附图详细说明本发明的仪表结构及其检测原理和检测方法。

目前，金属钾已发现的同位素从K-32到K-55一共有25种同位素，但是在自然条件下存在的钾，有三种同位素，分别是K-39、K-40、K-41。其中K-39和K-41为稳定性同位素，不具有放射性。而K-40则是非稳定性同位素，能够通过衰变放射出最高能量为1.33MeV的连续能谱β射线和能量为1.46MeV的γ射线。而K-40在天然钾中的丰度为0.012％，是一个恒定的量。这样我们可以通过测量卤水中的K-40的多少，进而推断出卤水中钾元素的浓度。

本发明的一种实验室用快速检测卤水中钾浓度的仪表，如图1、图2所示，试样容器1制成横截面积上大下小的四方桶状，并在上端制有一中空的把手2，当卤水被注入试样容器1内后，液面升到把手位置后，再多的卤水便会从把手的中空孔洞溢流出，保证试样容器1内所能盛装的卤水的最大体积是一定的。

仪表的支架3上装有开有方形孔的托盘4，托盘所开的方形孔的尺寸正好是容器1下部的外尺寸，在托盘的方形孔的边缘装有第一压力传感器5和第二压力传感器6。当容器1放置在托盘4上时，下部刚好可以从方形孔中穿过，容器1上部与下部由于尺寸变化而形成的小平台刚好压在第一压力传感器5和第二压力传感器6之上。在仪表支架上固定有压力传感器信号处理电路7。

第一压力传感器5和第二压力传感器6输出的是电压信号，其电压伏值与所承受的压力成正比。压力传感器信号处理电路7通过常规的电压/频率变换电路，分别将第一压力传感器5和第二压力传感器6输出的电压信号转化为频率与电压成正比关系的脉冲信号，并分别进行累计计数，传输给仪表主机13。

在托盘的下面，置有五个复合探测器，分别为：第一复合探测器8、第二复合探测器9、第三复合探测器10、第四复合探测器11、第五复合探测器12。这五个复合探测器分别对着试样容器1放置在托盘上之后在托盘的下方露出部分的前、后、左、右的四个面以及下底面。

复合探测器的结构如图3所示：

复合探测器的外壳21为一定厚度的铅制圆筒，目的是为了对环境本底及高能宇宙射线进行屏蔽。在铅制圆筒的内部，装有塑料闪烁体22、NaI(Tl)晶体23、光电倍增管24及探测器电路25。

在塑料闪烁体22的前端覆有厚度为0.02mm的铝膜26。塑料闪烁体22的厚度是5mm，在塑料闪烁体22的后端是厚度为5cm的NaI(Tl)晶体23，在NaI(Tl)晶体23的后端是光电倍增管24，在塑料闪烁体22与NaI(Tl)晶体23之间涂有光学硅油并紧密接触，在NaI(Tl)晶体23和光电倍增管24之间涂有光学硅油并紧密接触。在塑料闪烁体22、NaI(Tl)晶体23及光电倍增管24的外部，依照常规方式，由内到外依次包裹有镜面反光(或白色漫反射)薄膜以及黑色遮光薄膜。在光电倍增管24的后端是探测器电路25。探测器电路的作用是为光电倍增管提供工作高压以及对光电倍增管输出的信号进行处理。

铝膜的作用是将α射线屏蔽掉。而塑料闪烁体对γ射线不敏感，5mm的厚度足以吸收掉最高能量为1.33MeV的连续能谱β射线的99％，并且几乎对能量为1.46MeV的γ射线不起作用。而NaI(Tl)晶体对γ射线则同时具有较高的吸收效率和较好的能量分辨率。以上设计保证了复合探测器内，塑料闪烁体主要吸收卤水中K-40辐射的β射线，NaI(Tl)晶体主要吸收吸收卤水中K-40辐射的γ射线。

塑料闪烁体的发光衰减时间为1～3ns，发光光谱主峰位为423nm；NaI(Tl)晶体的发光衰减时间为230ns，发光光谱主峰位为420nm。由于塑料闪烁体和NaI(Tl)晶体的发光衰减时间差二个数量级，因此可以用一个脉冲形状甄别电路，分辨出该信号对应的是塑料闪烁体产生的还是NaI(Tl)晶体产生的，同时也能够从对应NaI(Tl)晶体产生的信号中甄别出哪些对应着由1.46MeV的γ射线作用在NaI(Tl)晶体产生的。

探测器电路将对应塑料闪烁体的信号以及1.46MeV的γ射线作用在NaI(Tl)晶体产生的信号分别累计，传输给仪表主机。该探测器电路，可以由行业内人士根据需要实现的相应功能以及常规的核电子学技术实现具体设计。

使用上述实验室用快速检测卤水中钾浓度的仪表的检测方法：

使用器皿舀取卤水样品，倒入试样容器1内。当倒入的卤水样品的量达到一定的程度后，开始从把手2中的中空孔洞溢流排走多余的卤水样品。可以通过任意的装置在把手2的下方盛接，但是该装置不得与把手2相接触，保证试样容器1除与第一压力传感器5和第二压力传感器6接触外，不与其它任何支撑物接触。

当有卤水样品从把手2的中空孔洞中溢流出后，可以操作仪表主机13开始测量。

仪表主机通过给第一压力传感器5、第二压力传感器6、压力传感器信号处理电路7、第一复合探测器8、第二复合探测器9、第三复合探测器10、第四复合探测器11、第五复合探测器12提供电源的方式，使得仪表开始工作。

当预先设定的测量时间到后，仪表主机13向压力传感器信号处理电路7、第一复合探测器8、第二复合探测器9、第三复合探测器10、第四复合探测器11、第五复合探测器12发出停止测量的命令；

压力传感器信号处理电路7将累计的对应第一压力传感器5所承受压力的计数T1及对应第二压力传感器6所承受压力的计数T2传输给仪表主机；

第一复合探测器8将电路所累计的对应塑料闪烁体接收β射线数量的计数N1及对应NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的计数M1传输到仪表主机；

第二复合探测器9将电路所累计的对应塑料闪烁体接收β射线数量的计数N2及对应NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的计数M2传输到仪表主机；

第三复合探测器10将电路所累计的对应塑料闪烁体接收β射线数量的计数N3及对应NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的计数M3传输到仪表主机；

第四复合探测器11将电路所累计的对应塑料闪烁体接收β射线数量的计数N4及对应NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的计数M4传输到仪表主机；

第五复合探测器12将电路所累计的对应塑料闪烁体接收β射线数量的计数N5及对应NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的计数M5传输到仪表主机；

仪表主机根据接收到的计数，通过下式计算卤水中钾元素的浓度g/kg：

$P=\frac{F+\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{Ai}\·{\mathrm{Ni}}^2+\mathrm{Bi}\·{\mathrm{Mi}}^2+\mathrm{Ci}\·\mathrm{Ni}\·\mathrm{Mi}+\mathrm{Di}\·\mathrm{Ni}+\mathrm{Ei}\·\mathrm{Mi})}{G\·T^2+H\·T+I}$

其中：

T＝T1+T2-T10-T20；

式中：P为卤水中钾的浓度；Ni为第4复合探测器输出的对应该探测器内塑料闪烁体接收β射线数量的累计计数；Mi为第4复合探测器输出的对应该探测器内NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的累计计数；T10为压力传感器信号处理电路输出的对应试样容器1内为空状态下第一压力传感器所承受压力的累计计数，可以事先通过测量得到；T20为压力传感器信号处理电路输出的对应容器内为空状态下第二压力传感器所承受压力的累计计数，可以事先通过测量得到；T1为压力传感器信号处理电路输出的对应容器内盛满卤水样品状态下第一压力传感器所承受压力的累计计数；T2为压力传感器信号处理电路输出的对应容器内盛满卤水样品状态下第二压力传感器所承受压力的累计计数；Ai、Bi、Ci、Di、Ei、F、G、H、I为公式的待定系数，可通过大量的取样，采用常规的非线性回归拟合来获得。

本实施例为采用两个压力传感器，采用适当个数的压力传感器并对公式中T的计算方法进行适当修改，实现相同的目的。具体修改为T＝∑(Ti-Ti0)，Ti为压力传感器信号处理电路输出的对应容器内盛满卤水样品状态下第4压力传感器所承受压力的累计计数；Ti0为压力传感器信号处理电路输出的对应容器内为空状态下第4压力传感器所承受压力的累计计数，可以事先通过测量得到。

本实施例为采用五个复合探测器，可通过适当调整容器的形状并在适合结构的配合下，而使得采用适当个数的复合探测器也可以达到相同的检测目的。

具体应用实例：

容器采用厚度为3mm的玻璃制成。其容积所成的横截面积上大下小的两个方形空间，其中下层的方形空间横截面积为10cm×10cm，深度为15cm；上层的方形空间横截面积为12cm×12cm。把手的中空孔洞为直径5mm的圆孔。

复合探测器的外壳为3mm的铅质圆筒。

塑料闪烁体为厚度5mm、直径10cm的圆饼形状。NaI(Tl)晶体为直径10cm、厚度5cm的圆柱体。塑料闪烁体及NaI(Tl)晶体从专业生产厂家订制。

光电倍增管采用北京滨松光子技术股份有限公司生产的CR165。

测量时间设置为3分钟。

通过对大量的已知其中钾浓度的卤水样品进行标定，通过非线性回归拟合算法，得到相关系数如下：

A1＝0.1754；B1＝0.0997；C1＝-1.3765；D1＝15.3870；E1＝-0.7789；

A2＝0.1324；B2＝0.1291；C2＝0.1786；D2＝12.3343；E2＝0.6529；

A3＝0.5791；B3＝-0.0327；C3＝-1.0365；D3＝8.7459；E3＝-0.0038；

A4＝0.3354；B4＝-0.0023；C4＝0.4756；D4＝10.9887；E4＝1.5528；

A5＝0.0244；B5＝0.0876；C5＝-2.0059；D5＝9.9287；E5＝-0.03598；

F＝0.0417；G＝-0.0098；H＝3.1794；I＝0.5596。

Claims (2)

1.一种实验室用快速检测卤水中钾浓度的仪表，其特征是：仪表的支架(3)上装有开有方形孔的托盘(4)，在托盘(4)方形孔一侧置有第一压力传感器(5)，在托盘(4)方形孔另一侧置有第二压力传感器(6)，在第一压力传感器(5)和第二压力传感器(6)上置有试样容器(1)，试样容器(1)上制有中空把手(2)，试样容器(1)下部成小方桶状部分则穿过托盘(4)的开孔，在托盘(4)的下面，置有五个复合探测器，分别为：第一复合探测器(8)、第二复合探测器(9)、第三复合探测器(10)、第四复合探测器(11)、第五复合探测器(12)，复合探测器分别对着试样容器(1)放置在托盘(4)上时伸进并露出在托盘(4)的下方部分的前、后、左、右的四个面以及下底面，复合探测器的结构是：复合探测器的外壳(21)装有塑料闪烁体(22)、NaI(Tl)晶体(23)、光电倍增管(24)及探测器电路(25)，在塑料闪烁体(22)的前端覆有铝膜(26)；在支架(3)上置有压力传感器处理电路(7)，复合探测器及压力传感器处理电路的信号输出端用屏蔽电缆连接主机(13)。

2.使用权利要求1的一种实验室用快速检测卤水中钾浓度的仪表的检测方法，其特征是：取卤水样品，倒入试样容器(1)内；当倒入的卤水样品的量达到一定的程度后，开始从把手(2)中的中空孔洞溢流排走多余的卤水样品，启动仪表主机(13)开始测量，当预先设定的测量时间到后，仪表主机(13)向压力传感器信号处理电路(7)、第一复合探测器(8)、第二复合探测器(9)、第三复合探测器(10)、第四复合探测器(11)、第五复合探测器(12)发出停止测量的命令；

压力传感器信号处理电路将累计的对应第一压力传感器(5)所承受压力的计数T1及对应第二压力传感器(6)所承受压力的计数T2传输给仪表主机(13)；

第一复合探测器(8)将电路所累计的对应塑料闪烁体接收β射线数量的计数N1及对应NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的计数M1传输到仪表主机，第二复合探测器(9)将电路所累计的对应塑料闪烁体接收β射线数量的计数N2及对应NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的计数M2传输到仪表主机(13)，第三复合探测器(10)将电路所累计的对应塑料闪烁体接收β射线数量的计数N3及对应NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的计数M3传输到仪表主机(13)，第四复合探测器(11)将电路所累计的对应塑料闪烁体接收β射线数量的计数N4及对应NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的计数M4传输到仪表主机(13)，第五复合探测器(12)将电路所累计的对应塑料闪烁体接收β射线数量的计数N5及对应NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的计数M5传输到仪表主机(13)，仪表主机(13)根据接收到的计数，通过下式计算卤水中钾元素的浓度，g/kg：

$P=\frac{F+\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{Ai}{\·\mathrm{Ni}}^2+\mathrm{Bi}{\·\mathrm{Mi}}^2+\mathrm{Ci}\·Ni\·\mathrm{Mi}+\mathrm{Di}\·\mathrm{Ni}+\mathrm{Ei}\·\mathrm{Mi})}{G\·T^2+H\·T+I}$

其中：

T＝T1+T2-T10-T20；

式中：P为卤水中钾的浓度，单位为g/kg；Ni为第i复合探测器输出的对应该探测器内塑料闪烁体接收β射线数量的累计计数；Mi为第i复合探测器输出的对应该探测器内NaI(Tl)晶体接收到1.46MeVγ射线数量的累计计数；T10为压力传感器信号处理电路输出的对应容器内为空状态下第一压力传感器所承受压力的累计计数，可以事先通过测量得到；T20为压力传感器信号处理电路输出的对应容器内为空状态下第二压力传感器所承受压力的累计计数，可以事先通过测量得到；T1为压力传感器信号处理电路输出的对应容器内盛满卤水样品状态下第一压力传感器所承受压力的累计计数；T2为压力传感器信号处理电路输出的对应容器内盛满卤水样品状态下第二压力传感器所承受压力的累计计数；Ai、Bi、Ci、Di、Ei、F、G、H、I为公式的待定系数，可通过大量的取样，采用非线性回归拟合获得。

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