CN2594774Y - 全匹配式高精度核子秤 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种全匹配式高精度核子秤，由包括γ射线源、秤体支架、γ射线探测器、速度传感器的传感系统和信号处理系统，所述的γ射线源置于秤体支架的上方；γ射线探测器置于秤体支架的下方；在γ射线源和γ射线探测器之间有运载物料的皮带机通过；所述核子秤传感系统的γ射线源的γ射线工作区与γ射线探测器的接收窗口相匹配并吻合；用于梳理物料分布状态的导流装置安装在物料进入核子秤前的皮带机的上方。该核子秤传感系统与核子秤物理模型相匹配，核子秤数学模型与核子秤物理模相匹配，核子秤所称物料分布与核子秤物理模型相匹配的全匹配核子秤，并使用全密封核子秤秤体，消除了高温潮湿物料对称重精度的影响，使核子秤计量精度极大提高。

Description

全匹配式高精度核子秤

技术领域

本实用新型涉及的是一种全匹配式高精度核子秤。

背景技术

核子秤是利用γ射线穿过物质发生衰减的原理而制成的一种动态散装物料计控设备。

国内外市场销售的核子秤，无一例外的都是由γ射线源、秤体支架、γ射线探测器、速度传感器以及二次仪表等组成。当传送装置的输送带在核子秤的γ射线源和γ射线探测器之间通过时，一部分γ射线被物料吸收，一部分γ射线穿过物料进入γ射线探测器，物料越厚(多)被物料吸收的γ射线越多，而进入γ射线探测器的γ射线就越少。因此，γ射线探测器输出信号的强弱，可反映出物料的厚薄(多少)。

该过程根据γ射线衰减定律，有如下表达式：

  U＝U₀e^-μd……………………………………(1)式中：U₀—核子秤无物料通过时，γ射线探测器输出信号；

  U—核子秤有物料通过时，γ射线探测器输出信号；

  μ—γ射线吸收系数；

  d—物料厚度；

由方程式(1)可计算出物料厚度d， $d=\frac{1}{\mathrm{\μ}}q\…\…\…\…\…\left(2\right)$ 式中，q＝lnU₀/U，称为厚度因子

根据物料厚度d，宽度l和密度ρ，可计算出单位皮带长度上的物料负荷F，

F＝d×l×ρ…………………………………(3)

F＝K₀q ……………………………………(4)

K₀＝lρ/μ＝常数………………………………(5)根据皮带速度υ和物料负荷F，可计算出通过核子秤秤体的物料流量P，

P＝F·υ………………………………………(6)在t₁-t₂时间内，流经核子秤秤体的物料总重量W为， $W={\∫}_{t_1}^{t_2}F\·\mathrm{\υdt}=\underset{i=1}{\overset{l=n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\·{\mathrm{\υ}}_i\mathrm{\Δ}{t}_l\…\…\…\…\…\left(7\right)$

核子秤称重的关键参数是负荷F，方程式(4)和(5)是现有核子秤普遍采用的数学模型，从该模型确立的理论根据可知，它既将射线场定位在平行束上，也忽略了散射光子的影响。

实际上，核子秤大多采用点状放射源，而γ射线探测器又总是工作在近场。因此，γ射线是球面辐射，即扇形束，而非平行束。同时，由于背景物(包括秤体支架、输送带、物料及近旁物体等)的存在，γ射线探测器总是处在一个相当强的γ射线散射场中，因此，核子秤计量中，散射光子的影响是不可忽略的，中国专利CN1011912B在其公开的数学模型中虽然纳入了积累因子B，考虑了散射光子的影响，但该专利仍将射线场定位在平行束上。

中国专利CN2397481Y公开了使用了接近平行γ射线束的长线性放射源，其数学模型并没有进一步的匹配，这也影响了核子秤称量精度的提高。

中国专利CN2444235Y公开了一种多点源核子秤，其物理模型并没有进一步的匹配，制约了核子秤称量精度的提高。

其上所述方案，其物理、数学模型是粗糙的，必然带有较大的模型近似误差。

发明内容

已有的技术中，仅仅是对r射线场的考虑，并不断的改进，但是核子秤射线场物理模型与数学模型的匹配，是影响核子秤测量精度的重要因素之一，本实用新型的目的是要克服现有核子秤技术中的问题，提出一种全匹配式高精度核子秤，该核子秤是依据全匹配式提高核子秤测量精度的方法，其核心思想是根据r射线场选择匹配数学模型，以达到数学模型和物理模型的最佳匹配，而设计的核子秤，以实现对所称物料的高精度计量。

为实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：全匹配式提高核子秤测量精度的方法，其包括以下步骤：

(1)将被测物料由传送装置通过一相向设置的γ射线源和γ射线探测器；

(2)由传感系统(一次仪表)测出无物料时γ射线探测器的输出电压为U₀，

有物料时射线探测器的输出电压为U；

(3)测出物料经过γ射线工作区时的速度V；

(4)并对上述测得值由信号处理系统(二次仪表)进行数据处理输出结果；并且：

所述核子秤的信号处理系统的核子秤数学模型与核子秤物理模型相匹配；所述核子秤的传感系统(一次仪表)与核子秤的物理模型相匹配；通过一相向设置的γ射线源和γ射线探测器中γ射线工作区的被测物料的分布与核子秤物理模型相匹配。

区分平行宽束辐射场和扇形宽束辐射场的不同物理模型时，对其所用的数学模型的影响：

(1)当γ射线辐射场在其工作区为平行宽束的如上所述物理模型时，其如上所述数学模型为：

F＝Kq $K=K_0(1+\frac{\ln B}{q})=K_0+K_0\ln B\×\stackrel{\‾}{q}$ 其中：F—物料负荷；

  K—称重系数；

  q—厚度因子；

   q—q的倒数；

  B—积累因子，与γ射线光子能量、物料性质、厚度、γ射线源准直孔形状、γ射线探测器特性有关；

  K₀—常数；

  C—常数。

所述的K＝K₀+K₀lnB× q是用折线方程K＝b_n+k_n q来拟合的，拟合方程参数中的截距b_n和斜率k_n是通过实物标定确定的，标定程序为：

(1)、依负荷大小标定出F₁，F₂，…，F_n+1各负荷点相对应的称重系数K₁，K₂，…，K_n+1及厚度因子 q₁， q₂，Λ， q_n+1

(2)、根据(1)标定出的各参数，按直线方程确定各折线段的截距b_n和斜率k_n $b_n=K_n+\left[\frac{K_{n+1}-K_n}{{\stackrel{\‾}{q}}_{n+1}-{\stackrel{\‾}{q}}_n}\right]{\stackrel{\‾}{q}}_n$ $k_n=\frac{K_{n+1}-K_n}{{\stackrel{\‾}{q}}_{n+1}-{\stackrel{\‾}{q}}_n}$

从而得出数学模型。

(2)当γ射线辐射场在其工作区为扇形宽束的如上所述的物理模型时，其如上所述的数学模型为：

F＝Kq $K=K_0(1+\frac{\ln B}{q})(1-\mathrm{cp})$ 其中：F—物料负荷；

  K—称重系数；

  q—厚度因子；

  B—积累因子，与γ射线光子能量、物料性质、厚度、γ射线源准直孔形状、γ射线探测器特性有关；

  K₀—常数；

  C—常数。所述 $K=K_0(1+\frac{\ln B}{q})(1-\mathrm{cq})$ 是用折线方程K＝b_n+h_nq来拟合的。拟合方程参数截距b_n和斜率k_n是通过实物标定确定的，标定程序是：

(1)、依负荷大小标定出F₁，F₂，…，F_n+1各负荷点相对应的称重系数K₁，K₂，…，K_n+1及厚度因子q₁，q₂，，...q_n+1；

(2)、根据(1)标定出的各参数，按直线方程确定各折线段的截距b_n和斜率k_n $b_n=K_n+\left[\frac{K_{n+1}-K_n}{q_{n+1}-q_n}\right]\·q_n$ $K_n=\frac{K_{n+1}-K_n}{q_{n+1}-q_n}$

从而得出数学模型。

一种根据上述测量方法设计的全匹配高精度核子秤，由包括秤体支架、γ射线源、γ射线探测器、速度传感器的传感系统(一次仪表)和信号处理系统(二次仪表)所组成，γ射线源置于秤体支架的上方，γ射线探测器置于秤体支架的下方，在γ射线源和γ射线探测器之间有运载物料的传输装置通过，

并且：

所述核子秤传感系统的γ射线源的γ射线工作区与γ射线探测器的接收窗口相匹配并吻合；

在物料进入核子秤前的物料传输装置皮带机的上方有一导流装置。

在γ射线探测器的外表面有防止γ射线散射光子进入探测器的金属外套。

该导流装置可为定量管或导流槽，定量管的物料出口形状为矩形或梯形；导流槽的横断面形状也为矩形或梯形。

所述γ射线探测器外包有一个防γ射线散射光子的金属外套，所述金属外套可为铅质或钢质，该外套面向γ射线源的一面开有长方形接收窗口，γ射线源发出的γ射线通过该窗口进入γ探测器内，此窗口的宽度与γ射线探测器的直径相同，窗口的尺寸与γ射线工作辐射区相匹配。

所述传感系统中的秤体支架由顶板、两侧板、前后护板和底板组成一个密封空间，顶板、侧板、护板及底板之间用焊接、粘接或螺钉连接后用胶条密封，在底板下部的两端各安装一个可调的金属射线遮挡板，γ射线源射向γ探测器的γ射线束从该两板之间通过，此γ射线束的宽度与γ射线工作区相匹配。

核子秤的传感系统与核子秤物理模型相匹配；所述核子秤的信号处理系统的核子秤数学模型与核子秤物理模型相匹配；所述的皮带机上的物料分布与核子秤物理模型相匹配。

本实用新型采用的γ射线探测器的接收窗口恰好包含所称物料的宽度，并且其γ射线源的γ射线工作区也恰好含盖所称物料的宽度，γ射线工作区内的γ射线通过物料及γ射线探测器的接收窗口进入γ射线探测器，从而实现核子秤传感系统与核子秤物理模型相匹配。

核子秤所称物料在运载皮带上的分布形状，是影响核子秤称重精度的重要因素之一，不同射线场下的物理模型要求不同的物料分布相匹配。本实用新型在物料进入核子秤前的皮带上方，安装了导流装置。该导流装置可以是定量管，也可以是导流槽，对于γ射线场为平行宽束物理模型下，导流装置梳理出来的物料分布的最佳横截面为矩形，对于射线场为扇形宽束物理模型下，导流装置梳理出来的物料分布的最佳横截面为梯形。

不同的γ射线场物理模型对应不同的核子秤数学模型，本实用新型提供：

1、当核子秤采用线状γ射线源的尺度大于γ射线探测器的线长度时，γ射线辐射场可视为平行宽束物理模型，其最佳匹配数学模型是：

F＝Kq…………………………………………………(8) $K=K_0(1+\frac{\ln B}{q})=K_0+K_0\ln B\×\stackrel{\‾}{q}\…\…\…\…\…\left(9\right)$

式中：K—称重系数 $\stackrel{\‾}{q}=\frac{1}{q}$

B—积累因子，和γ射线光子能量、物料性质、厚度、γ射线源准直孔形状、γ射线探测器特性等有关。

从公式(9)中可知：称重系数K是厚度因子 q的线性函数，随 q的变化而变化。

公式(9)为线性方程，在实际应用中可用折线方程

K＝b_n+k_nq……………………………………(10)来拟合。

式中：b_n—截距

      k_n—斜率。

2、当核子秤采用点状γ射线源时，γ射线辐射场可视为扇形宽束物理模型，其最佳匹配数学模型为：………………………………………

F＝Kq $K=K_0(1+\frac{\ln B}{q})(1-\mathrm{cp})$

或K＝K′-K′cq………………………………………(12)式中K′＝K₀(1+lnB/q)

c＝常数；

q＝厚度因子；

从公式(12)中可知，称重系数K是厚度因子q的线性函数，随q的变化而变化。公式(12)为线性方程，在实际应用中可用折线方程

K＝b_n+k_nq…………………………………………(13)来拟合。

式中：b_n—截距

      k_n—斜率

称重系数K拟合方程参数的确定方法：

1、当射线在工作区域为平行宽束形状时K＝b_n+k_n q其步骤如下：

(1)首先实物标定：按负荷大小依次确定不同负荷F下，对应的厚度因子 q及称重系数K值。如表1所示。

(2)参数计算：利用直线方程确定各折线段方程参数。通过线性内插确定各折线段精确的K值。如表2和附图6所示。表1：

表2：

2、当射线在工作区域为扇形宽束形状时K＝b_n+k_nq

其步骤如下：

(1)首先实物标定：按负荷大小依次确定不同负荷F下，对应的厚度因子q及称重系数K值。如表3所示。

(2)参数计算：利用直线方程确定各折线段方程参数。通过线性内插确定各折线段精确的K值。如表4和附图5所示。表3：表4：

本实用新型的核子秤所采用的γ射线探测器外包有一个防γ射线散射光子的铅质或钢质外套，外套的形状可为圆形、方形或任何多边形。在外套面向γ射线源的一面开有长方形接收窗口，γ射线源发出的γ射线通过该窗口被γ探测器接收，窗口的尺寸与γ射线工作辐射区一致。从而进一步保证核子秤传感系统与核子秤物理模型相匹配。

本实用新型的核子秤秤体支架由顶板、两侧板、前后护板和底板组成一个密封空间，顶板、侧板、护板及底板之间用焊接、粘接或螺钉连接后用胶条密封，在底板下部的两端各安装一个可调的金属射线遮挡板，γ射线源射向γ射线探测器的γ射线束从该两板之间通过，此γ射线束的宽度与γ射线传输带物流上的工作区相一致。同时，此遮挡板以及秤体支架的前后护板遮挡了γ射线工作区以外的γ射线不能进入γ射线接收传感器附近，从而大大减少了γ射线散射光子对核子秤计量精度的影响。同时，该种秤体支架由于密封，也极大减少了高湿物料、潮气对核子秤计量精度的影响。

本实用新型的要点是提出全匹配核子秤的物理模型、数学模型、物料分布模型及其核子秤的结构和测量使用方法。

本实用新型的主要优点在于全匹配的核子秤计量精度高，适用的流量变化范围大，对于高温潮湿物料仍能进行精确计量。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型采用定量管的核子秤结构示意图；

图2为采用导流装置的核子秤示意图；

图3为核子秤传感系统的正视图；

图4为图3的A-A剖面图；

图5为扇形宽束模型下的称重系数K与厚度因子q的函数关系曲线；

图6为平行宽束模型下的称重系数K与厚度因子 q的函数关系曲线；

具体实施方式

下面通过具体实施例对本实用新型进一步描述：

如图1所示，该核子秤主要由γ射线源1、秤体支架2、γ射线探测器3、速度传感器4、信号处理系统(二次仪表)5等组成。γ射线源1可为线源、点源或多点源构成，它置于秤体支架2的上方，γ射线探测器3置于秤体支架2的下方，在探测器3的外面包有外套6，该外套为铅质或钢质。在面向γ射线源1的一面开有长方形接收窗口7，此窗口7的宽度与γ射线探测器3的直径相同，也即窗口7的尺寸与γ射线工作辐射区相匹配。同时该外套也大大阻止了γ射线散射光子进入到γ射线探测器3内，使核子秤计量更加稳定精确。在γ射线源1和γ射线探测器3之间有运载物料8的皮带机9通过，定量管(导流装置)10安装在物料进入核子秤前的皮带机9的上方，物料由定量管(导流装置)10上方的口进入到皮带机，根据定量管出口的形状(矩形或梯形)使物料按矩形或梯形分布进入核子秤。

所述的γ射线探测器3、速度传感器4分别于信号处理系统(二次仪表)5相连。γ射线探测器的输出电压为U。有物料时射线探测器的输出电压为U、速度传感器4测出物料经过γ射线工作区时的速度V；并对上述测得值由信号处理系统(二次仪表)进行数据处理输出结果。

图2是导流装置为导流槽结构的实施例。与上一实施例不同之处在于：采用导流槽代替定量管，导流槽11使进入核子秤前的物料按矩形或梯形分布，从而实现了物料分布与核子秤物理模型相匹配。

图3是核子秤传感系统的正视图，图4为图3的A-A剖面图，传感系统(一次仪表)包括秤体支架2、γ射线源1、γ射线探测器3、速度传感器4(图中未示)，γ射线源1置于秤体支架2的上方，γ射线探测器3置于秤体支架2的下方，从图中看出，核子秤秤体支架2为全密封。它由顶板12、两侧板13、前护板14后护板15和底板16组成一个密封空间，该密封空间与外界隔绝，可调的两个金属射线遮挡板17装于底板16的两端，γ射线源射1向γ探测器3的γ射线束在两个遮挡板17之间通过，该γ射线束的工作区宽度与γ射线探测器灵敏区的长度相一致，也即射线束的宽度与γ射线辐射工作区相匹配。

拟合方程K＝b_n+k_nq和K＝b_n+k_n q的方程参数b_n和k_n，通过实物标定确定，以扇形束核子秤为例。四折线方程通过五组标定数据来确定。实例如下：

(1)先以小负荷F₁＝3.010Kg/m进行标定。得到称重系数K₁＝24.82Kg/m和厚度因子q₁＝0.1212之后，依次加大负荷F，分别在负荷F₂，F₃，F₄，F₅下进行标定，取得与之对应的称重系数K₂，K₃，K₄，K₅和厚度因子q₂，q₃，q₄，q₅，见表5。

(2)根据标定参数求出折线方程系数b_n和k_n，见表6。

表5：

Kg/m
						厚度因子q	0.1212	0.2152	0.3133	0.4260	0.5704

表6：

折线段	1	2	3	4
					负荷区q	q≤0.2152	0.2152-0.3133	0.3133-0.426	q≥0.426
截距bn	23.84	22.34	20.69	19.01
					斜率kn	8.063	7.986	7.808	7.618

本实用新型所述的核子秤适用范围广，对于高温高湿的物料、物料流量变化大的场合均可进行高精度计量。它使核子秤的计量精度从现有的1.0级、0.5级提高到0.25级。该种核子秤是贸易结算的最佳选择。

Claims (5)

1、一种全匹配式高精度核子秤，由包括γ射线源(1)、秤体支架(2)、γ射线探测器(3)、速度传感器(4)的传感系统和信号处理系统(5)构成，其特征在于：所述的γ射线源(1)置于秤体支架(2)的上方；γ射线探测器(3)置于秤体支架(2)的下方；在γ射线源(1)和γ射线探测器(3)之间有运载物料(8)的皮带机(9)通过；所述核子秤传感系统的γ射线源(1)的γ射线工作区与γ射线探测器(3)的接收窗口(7)相匹配并吻合；用于梳理物料分布状态的导流装置(10)安装在物料进入核子秤前的皮带机(9)的上方。

2、根据权利要求1所述的核子秤，其特征在于：所述的γ射线源(1)可为线源、点源或多点源构成。

3、根据权利要求1所述的核子秤，其特征在于：所述的导流装置(10)为定量管或导流槽；定量管的物料出口形状为矩形或梯形，导流槽的物料出口横断面形状也为矩形或梯形。

4、根据权利要求1所述的核子秤，其特征在于：所述的核子秤秤体支架(2)由顶板(12)、两侧板(13)、前护板(14)、后护板(15)和底板(16)组成一个密封空间，该密封空间与外界隔绝，可调的两个金属射线遮挡板(17)装于底板(16)的两端。

5、根据权利要求1所述的和核子秤，其特征在于：在探测器的外面包有外套(6)，在面向γ射线源(1)的一面开有长方形接收窗口(7)，窗口(7)的宽度与γ射线探测器(3)的直径相同，窗口(7)的尺寸与γ射线工作辐射区相匹配。

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