CN102768063A

CN102768063A - 一种x射线称重装置

Info

Publication number: CN102768063A
Application number: CN2012102787879A
Authority: CN
Inventors: 田冰; 孙明光; 訾峰
Original assignee: DANDONG AOLONG RADIATIVE INSTRUMENT Co Ltd
Current assignee: DANDONG AOLONG RADIATIVE INSTRUMENT Co Ltd
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2012-11-07

Abstract

一种Ｘ射线称重装置，在框架的上部装有Ｘ射线发生器、高压发生器和X射线管冷却装置，在框架的中部装有输送装置，在输送装置上装有测速传感器，测速传感器的信号输出端与主机装置信号输入端相连，在输送装置的下方装有X射线探测器，在X射线探测器中装有信号变送装置，信号变送装置的信号输出线连接主机装置。本装置在运输过程中无辐射，安装方便，而且使用时X射线强度可控，且装置周围辐射剂量很低。对物料适应性强，范围广，不受物料的物理化学性质的影响，不受输送机的振动、厚度、惯性、磨损等因素的影响。非接触式测量，检测数据齐全，可显示多种监测参数，并可给出多种模拟量或开关信号供用户使用。

Description

一种X射线称重装置

技术领域

本发明涉及一种计量称重装置，具体地说是一种利用X射线对物体重量进行称重的X射线称重装置。

背景技术

目前使用放射源钴60或铯137测量物料重量的核子秤虽说成本低但不环保，而且在实际应用时会涉及到许多手续，企业对放射源要有许可证，厂方需环保局备案，运输中也需要特别车辆运输，在设备老化后源处理回收也涉及很多问题。并且由于粒子能量过高在穿透轻质物料时，被物料吸收而造成的强度减弱是很小，所以对于烟丝、塑料等轻质量的物料无法比较精确计量，对物料质量多少的反应不灵敏。这是由于原子序数越低，康普顿散射越灵敏。入射X射线光子与原子外层轨道中结合松弛的电子相遇，这个电子因碰撞反冲而离开原子，并带走了一部分光子能量，使光发生偏转或能量降低。原子序数越小，其轨道电子的结合力越小，发生康普顿散射几率越大。当然康普顿散射还与入射X光子能量，入射X光子和物料表面之间的夹角等有关系。而且放射源对作业人员的损伤较大。

目前尚未有适用于轻质物料测量、X射线法产生的射线强度可控、对物料适应性强、范围广、对作业人员损伤小的X射线称重装置。X射线称重方法与放射源方法在具体技术方案上不同，不仅在称重装置上的结构不同，而且在软件处理方面也不同于伽马射线源的技术方案。

发明内容

针对现有核子秤存在的缺陷，本发明提供一种适用于轻质物料质量测量、X射线法产生的射线强度可控、对物料适应性强、范围广测量精确、对作业人员损伤小的一种Ｘ射线称重装置。

解决上述问题采取的具体技术措施是：

一种Ｘ射线称重装置，包括输送装置7、测速传感器8及主机装置6，其特征在于：在框架9的上部装有Ｘ射线发生器2，高压发生器1和X射线管冷却装置3分别与Ｘ射线发生器2相连接，在框架9的中部装有输送装置7，在输送装置7上装有测速传感器8，测速传感器8的信号输出端与主机装置信号输入端相连，在输送装置7的下方装有X射线探测器4，在X射线探测器4中装有信号变送装置5；信号变送装置5的电路连接关系是：此电路电源采用24VDC和-5VDC双电源，电路由输入信号调理电路和V-I变换电路组成，输入信号调理电路由磁珠、阻容器件以及运算放大器组成，V-I变换电路由仪表放大器、运算放大器、三极管、阻容器件组成，信号源0～1V接到U+与U-之间，通过磁珠L9、电阻R37和电容C52组成的低通滤波电路连接运算放大器U14，信号通过运算放大器U14连接仪表放大器U11输入的正端，仪表放大器U11的输出信号接在三极管Q3的基极，反馈电阻R15串接在三极管Q3的发射极处，电源+24VDC与-5VDC为运算放大器U14和运算放大器U12提供电源，仪表放大器U11和三极管Q3由+24VDC提供电源；信号变送装置5的信号输出线连接主机装置6。

本发明的有益效果：本发明适用于各种散装固态物料的在线连续计量及配料控制，广泛地应用于水泥、煤炭、炼焦、钢铁、矿山、发电、化工、食品等行业。本装置在运输过程中无辐射，安装方便，适应恶劣环境条件，不影响输送机的正常工作，也不需要对原有输送装置做较大的改动。不同于放射源实时产生高能粒子，而且本装置产生的X射线强度可控，保证作业人员的损伤人为可控，且装置周围辐射剂量很低。对于轻质量的物料可以通过调节X射线强度精确计量，反应灵敏，对物料适应性强，范围广，不受物料的物理化学性质的影响，不受输送机的振动、厚度、惯性、磨损等因素的影响。非接触式测量，不受皮带张力变化及皮带机震动影响。检测数据齐全，可显示多种监测参数，并可给出多种模拟量或开关信号供用户使用，为用户提供了瞬时流量，输送机负荷，年、月、日、班、时产量及总量累计，报表统计分析及打印等。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中主机系统控制框图；

图3为本发明中信号变送装置的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的结构。

一种Ｘ射线称重装置，如图1所示，具体结构是在框架9的上部装有Ｘ射线发生器2，Ｘ射线发生器2为美国瓦里安公司PaxPowerFPX产品系列，为高能射线管，且占用空间小。与Ｘ射线发生器2相配套的高压发生器1和X射线管冷却装置3分别与Ｘ射线发生器2相连接，高压发生器1产生高电压供给X射线发生器2，X射线管冷却装置3用于保证长时间工作情况下X射线发生器2产生的热量的交换，详细内容参见ZL 200720016446.9。在框架9的中部装有输送装置7，在输送装置7上装有测速传感器8，用于测定运动速度，测速传感器为德国FRE38系列绝对值旋转编码器，测速传感器8的信号输出端与主机装置6信号输入端相连，主机装置6为研祥工控机，其型号为IPC610/PC6006/2.8GHz/512M/80G/ 1USB。主机装置6包括液晶显示器、键盘、鼠标、打印机。在输送装置7的输送皮带下方装有X射线探测器4，X射线探测器4为美国瓦里安公司 PaxScan(R)3024M，使用周向射线管配长形X射线探测器，从而避开了现有技术中α角的问题，可以只根据物料的厚度来确定X射线管与探测器之间的距离。这样可以大大减小发生器与探测器之间的距离。在X射线探测器4中装有信号变送装置5，信号变送装置5为本发明自行设计，电路结构如图3所示，此电路电源采用24VDC和-5VDC双电源，实现了电信号的变送功能，满足电压与电流之间变换需求。电路由输入信号调理电路和V-I变换电路两部分组成，输入信号调理电路由磁珠、阻容器件以及运算放大器组成，用来提高信号质量和驱动能力；V-I变换电路由仪表放大器、运算放大器、三极管、阻容器件组成，将前级处理完成的信号送给仪表放大器U11的输入端，仪表放大器U11输出接在三极管Q3的基极，同时将反馈信号接到仪表放大器U11的输入端，从而构成闭环调节，通过精密电阻R15实现V-I变换。仪表放大器是一种精密差分电压放大器，它源于运算放大器，且优于运算放大器，仪表放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点。信号源0～1V接到U+与U-之间，通过磁珠L9、电阻R37和电容C52组成的低通滤波电路进入运算放大器U14，信号通过运算放大器U14送给仪表放大器U11输入的正端，运算放大器U14可以提高电路的驱动能力，仪表放大器U11将输出信号接在三极管Q3的基极，反馈电阻R15串接在三极管Q3的发射极处，将三极管Q3的发射极电位直接反馈回仪表放大器U11的输入负端，形成负反馈，同时将串接精密电阻R15后的电位通过运算放大器U12反馈给仪表放大器U11的正端，形成正反馈。电源+24VDC与-5VDC为运算放大器U14、运算放大器U12提供电源，仪表放大器U11和三极管Q3由+24VDC提供电源，通过选取R15为精密电阻，可以在IOUT端得到0～20mA电流，满足信号变换需求。运算放大器U14、运算放大器U12的型号为美国德克萨斯州的达拉斯的Texas Instruments（简称TI）公司的LM358，仪表放大器U11的型号为美国德克萨斯州的达拉斯的Texas Instruments（简称TI）公司的INA132U。探测器4的输出端接信号变送装置的输入端，信号变送装置输出的0－20MA信号连接主机装置6。X射线发生器2发出的X射线穿透输送装置7上被测物料后被X射线探测器4接收，经信号变送装置5转换成标准信号送于主机装置6处理，在主机装置6内装有上述信号数据处理的软件。上述各部件的电路连接方法均按产品说明书提供的电路图连接。主机装置6的系统控制如图2所示，可参照ZL200820010641.5相关内容，X射线探伤机的控制装置分为控制层及设备层两个层面，控制层包括主机装置、设备层的现场控制PLC、冷却装置温控表，通过串行通讯接口经通讯电缆接现场控制PLC，通过另一串行通讯接口与冷却装置温控表进行通讯连接；设备层包括各动力装置及检测装置，各动力装置接收控制层中现场控制PLC或冷却装置温控表输出的控制信号，并将检测信号反馈至控制层，现场控制PLC中存有设备层相应设备的控制程序。其中受控于现场控制PLC的动力装置包括对射线发生器施以高电压使其产生射线的高压发生器；由步进电机驱动高压原边的自耦变压器；自耦变压器输出的电压经变压器变压后整流滤波后的电压取样电路；设于冷却装置中的压力开关、流量开关及故障报警器等。

本发明的工作原理和测量方法是：

该装置的基本物理学原理为：X射线实际是高速电子撞击物质（原子核）所产生的高频短波长的电磁波， X射线能量决定了其穿透能力，原则上是高压发生器电压越高，电子在电场加速后的能量越大，所以穿透能力越强，工业规定其适用范围在厚度为2～250mm，材质为碳素钢、低合金钢、奥氏体不锈钢、镍及镍基合金。X射线发生器在稳定状态下发射恒定强度的X射线，X射线穿过传送皮带上的被测物料后，由于被测物料的吸收作用，其射线强度将会减弱，其减弱关系在一定范围内符合指数衰减规律，如公式1所示：

公式1

式中:

穿透物质前X-射线的强度;

穿透物质后X-射线的强度; 物质的质量衰减系数;

物质的密度; d 物质的厚度; B 散射因子。由公式(1)可得公式2:

公式2

简化公式2可得

公式3

由于被测物料密度已知，所以X射线强度衰减正比于X射线在穿过被测物料体积，通过公式4：

M=K

V 公式4

即强度为

的X光，透过被测物料后，强度变为

，被测物料的体积，为被测物料的吸收系数，可得出被测物料质量，其中影响散射因子B 的因素较多, 如X射线的能量、屏蔽物质的原子序数、被测物体的厚度、测量环境和探测器的检测效率等。对于同一种被测物质, K 和C 为常数, 通过实验来确定。

衰减后的X射线在探测器上由于X射线和萤石片探测器物质发生光电效应和康普顿散射结果产生次级电子，次级电子又与物质继续作用，损失能量，使物质分子激发处于激发态，激发态分子退激时发出荧光光子，荧光光子打在光电倍增管上产生光电子，电子经倍增后在阳极上产生电压信号，电压信号经变送装置后进入主机，同时测速传感器也把信号送入主机，经主机计算分析，即可得出单位时间内的被测物料的重量，并通过组态软件在主机上显示、记录，保存。即：利用变送器将探测器及光电倍增管输出电压信号及测速传感器输出的电压信号通过主机采集卡进行采集得到数字信号，由主机完成载荷线性化，将载荷和速度相乘得到瞬时重量，再对时间积分得到被测物料总重量。

由公式4得出物料重量码M _P，送入主机装置运算，同时安装输送机上的测速装置（旋转编码器）发送出代表皮带速度的脉冲电压信号，即速度脉冲M _V. M _P和M _V信号经流量运算得即时流量：

Q=K _N·M _V·M _P 公式5

式中：K _N为流量系数，再经积分运算得到累计流量

W=∫q _n dt 公式6。

本发明是X射线检测应用的延伸，在计量称重领域，X射线的应用尚属空白，而本发明的这一开创性应用，也必将因其优势而有深远的影响。

Claims

1.一种Ｘ射线称重装置，包括输送装置（7）、测速传感器（8）及主机装置（6），其特征在于：在框架（9）的上部装有Ｘ射线发生器（2），高压发生器（1）和X射线管冷却装置（3）分别与Ｘ射线发生器（2）相连接，在框架（9）的中部装有输送装置（7），在输送装置（7）上装有测速传感器（8），测速传感器（8）的信号输出端与主机装置信号输入端相连，在输送装置（7）的下方装有X射线探测器（4），在X射线探测器（4）中装有信号变送装置（5）；信号变送装置（5）的电路连接关系是：此电路电源采用24VDC和-5VDC双电源，电路由输入信号调理电路和V-I变换电路组成，输入信号调理电路由磁珠、阻容器件以及运算放大器组成，V-I变换电路由仪表放大器、运算放大器、三极管、阻容器件组成，信号源0～1V接到U+与U-之间，通过磁珠L9、电阻R37和电容C52组成的低通滤波电路连接运算放大器U14，信号通过运算放大器U14连接仪表放大器U11输入的正端，仪表放大器U11的输出信号接在三极管Q3的基极，反馈电阻R15串接在三极管Q3的发射极处，电源+24VDC与-5VDC为运算放大器U14和运算放大器U12提供电源，仪表放大器U11和三极管Q3由+24VDC提供电源；信号变送装置5的信号输出线连接主机装置6。