化工仪表电力热控系列培训资料六.docx
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化工仪表电力热控系列培训资料六
化工仪表、电力热控系列培训资料（六）
同位素料位计维护与维修
第一部分同位素料位计应用概况
一、种类：
同位素料位计是一种工业检测仪表，主要应用的有三种：
料位计、厚度计、密度计。
二、应用范围：
广泛地应用于化工、矿山、水泥、冶金、化肥、轻纺、食品、电力等部门。
三、料位计：
料位计应用数量最多，占同位互仪表的70%以上，主要应用于化肥厂，水泥厂、火电厂等。
四、料位计的方框图：
（1）、放射源和核辐射探测器组成参数变换器，其功能在于把被测量的解电参数X转变成为和被测参数有一定函数关系的电信号I（X）。
该信号被加到电转换器的输入端，经电子线路的处理后专变成为能推动二次仪表的电信号I2（X）。
参数转换器和电转换器统称为一次仪表。
二次仪表为显示仪表，记录仪器、控制仪器或计算机等。
五、料位计名称的由来：
同位素料位计是同位素工业仪表的一种，更确切的讲应为物位计更合适，因为不管被测对象是料位、液位、或是其他可变物体，都可统归于物体的位置测量。
六、同位素料位计的特点：
（1）它的检测是非接触式的。
（2）可对高压、密封、易燃、强腐蚀等特殊条件下的被测物进行连续自动检测。
（3）它能和微机及其他自控设备联网。
第二部分：
核辐射
一、原子核基础知识：
、
1、元素和原子核：
组成每种元素的基本单元是原子。
原子是具有元素一切物性的最小“微核”元素就是所有同种原子的总称。
2、放射性同位素：
（1）同位素：
具有相同质子数不同中子数年的同一种元素的原子，互称为同位素。
如：
（2）同位素有稳定的和不稳定的两种，不稳定的同位素，在没有任何外因的作用下，原子核的成分或状态会自动变化莫测，在变化的过程中放射出人眼看不见的射线，这种现象称放射现象，这种性能称放射性能，这种变化称为放射性衰变（或放射性蜕变）。
而具有放射性能的同位素称为放射性同位素。
（3）放射性同位素放射出来的α常见惯的有三种：
αβγ。
α射线（或称α粒子）是带正电的原子核流。
（带两个正电荷）
β射线（或称β粒子）是高速运动的电子流。
（带一个负电荷）
γ射线（或称γ光子）是从原子核中发射出来的电磁波。
速度等于光速（3*108米/秒），波长极短。
（不带电）
3、放射性衰变规律：
（1）放射强度：
放射性同位素的原子核在单位时间里衰变的数目称为放射性强度。
（或放射性活度）单位是居里（CI）。
（2）单位换算关系：
1居里（Ci）=1000毫居里（mCi）1毫居里（mCi）=1000微居里（μCi）
注：
新的单位为贝克勒尔（Becquerel），符号：
Bq.定义为：
每秒一次衰变。
（3）半衰期：
就是放射性强度衰减一半时所需的时间，符号放射性强度随时间减弱，吸从指数衰减规律：
I=I0e-λt
注：
I0为初始时的放射强度，I为经过时间t后的放射强度。
λ称为衰变常数：
λ=Ln2/T1/2=0.693/T1/2
上式可改写为：
I=I0e-0。
693t/T1/2
（4）几种同常见同位素的半衰期：
核素名称
元素符号
半衰期
钴--60
Co
5.263年
氪—85
Kr
10.76年
铯—137
Cs
30年
钡—133
Ba
10.9年
铕—152
Eu
13.2年
镭—226
Ra
1600年
铀—238
U
45亿年
碘--131
I
8.03天
钋—212
Po
3.04×10-7年
碳--14
C
5760年
二、γ射线与物质的相互作用
1、γ射线与物质作用的主要效应：
（1）光电效应：
γ光子穿过物质时，和物质中的原子发生碰撞，它可能把自己的能量交给原子核外的一个电子，这电子脱离原来的轨道而运运，而γ光子本身则被物质吸收，这种效应称为光电效应。
（2）散射效应：
（3）电子对效应
三、常见的γ射线源
γ射线性同位素虽然有许多，但是有的半衰期太短，有的来之不易，所以γ射线料位计所用的放射源，目前绝大多数为钴-60或铯-137，钴-60的半衰期为5.263年，铯-137的半衰期为30年。
所以，我们所用放射钴-60一般五年，就要换新源。
第三章：
核辐射探测器
一、计数管：
1、种类：
常用的有J408γ和J306βγ。
2、用途：
主要用于电厂和水泥厂所用的开关型料位计的探测器。
3、工作特性：
（1）优点：
A灵敏度高，B脉冲幅度大C稳定性高D使用方便，成本低（开关量控制）。
（2）缺点：
A分辨时间长B探测效率低C有乱真计数。
二、闪烁计数器：
闪烁计数器包括：
闪烁体，光电倍增管，和相应的输出电路。
1、闪烁体
（1）按化学性质分类，可分为无机的和有机的两大类，按物质形态来分，可分为固体（固体和粉末）、液体、气体、塑料等类型。
（2）γ射线料位计中常用的闪烁体为无机闪烁晶体，如碘化钠闪烁晶体或碘化铯闪烁晶体。
（3）碘化钠晶体：
型号：
ST-101发射波长：
4100A主要用途：
测量γ射线能谱。
形状特征：
圆柱形、铝盒、铝入射窗。
尺寸：
φ40χ40（mm）
2、光电倍增管：
（1）组成部分：
光阴极，倍增极，阳极。
（2）原理：
利用光电效应把入射光转换为光电子，从而把微弱的光转换成电流脉冲。
而光电子经倍增管极依次逐级倍增，最后，电子收集在阳极上，产生很大的电流脉冲。
（3）暗电流，本底脉冲及噪声：
由于光阴极和倍增极的热电子发射，电极间绝缘材料的漏电以及其它一些因素，即使光电倍增管完全不见光，在加上工作电压之后，阴极上仍有微弱电流流过，这微弱电流称为暗电流。
暗电流实际上是微小脉冲的累计效果，这种微小电脉冲就是光电倍增管的本底脉冲或称噪声。
（4）使用环境：
在加上工作电压时，一定不能暴光，否则即烧坏。
（5）常用管子：
北京管，南京管（GDB-44）（GDB-44）：
直径：
φ51（mm）长度：
110（mm）
倍增管：
百叶窗式，非聚焦。
工作电压：
＜1600V。
注：
（1）北京管与南京管不能互换用，因为它们的管脚顺序虽然一样，但它们的电压分配不同。
（2）北京管：
从管座底部看由缺口按顺时针方向数为1、2……15。
（3）南京管：
管脚序号同北京管。
第四部分：
电子线路
γ射线料位计的电子线路一般可分为两个部分：
一部分是与γ射线探测器相配合的前置电路；另一部分则为脉冲转换电路，它对前置电路的输出的脉冲信号进行处理，转换为相应的指示或控制信号，线路主要部分如下图：
一、基本单元电路
1、前置电路：
（1）同探测器相配合的，置于主电路前面的电子线路，统称为前置电路。
（一般将这部分电路放置在探头内）。
（2）与闪烁计数器相配合的前置电路一般包括电压放大器及射极输出器，以放大信号电压和功率，并使光电倍增管的输出阻抗与之所连接的远传电缆匹配，我们所用料位计（FDL-1HT-5001A（B））的前置电路是由两只三极管组成复合跟随器。
（3）前置电路的作用
（1）对脉冲进行放大（电压或电流）。
（2）阻抗匹配,以便远距离传输。
2、主放电路：
（1）组成：
FDL料位计的主放电路是由高速运算放大器FC92组成。
HT-5001A（B）的主放电路是由高速运算放大器LM318N组成。
（2）作用：
它把由探头送来的脉冲信号进行放大。
（3）调试：
对于FDL-1，调试时，首先应使FC92输出端6脚在静态时应接近0V，若不为0V，应调W2使6脚接近0V。
对HT-5001A（B），因LM318N有自调调零功能，故无需调试。
3、幅度甄别器：
（1）电路：
由FC92（LM318N）第6脚来的脉冲信号被送往幅度甄别器。
幅度甄别器是由FC81（LM393N）组成的电压比较电路完成。
（2）作用：
①剔除前级输出脉冲中杂乱的小幅度脉冲（噪声、交流等）起抗干扰作用。
②对输入脉冲进行预处理，使输出的脉冲幅度一致。
（3）反向输入电压调节电位器（W12.2K）,当前来的脉冲中的小脉冲低于1.3V左右的不能使FC81（LM393N）转,输出为低电平接近0V，只有当脉冲大于1.3V的才能合FC81（LM393N）的输出高电压为2.7V左右，这样才能起到了甄别的作用。
因此，应调节W1，使该电压在1.3-1.6V之间才能起到作用。
4、整形器：
探测器输出的脉冲信号幅度和宽度并不一致。
但是对后级的计数率表电路来说，输出脉冲必须是幅度一致和宽度满足一定要求的矩形脉冲，所以必须用整形器来将探测器的输出信号改造成幅度一致的矩形脉冲。
（1）电路：
FDL型：
由T106来完成的。
HT-5001A（B）由74LS74（TTL高速D型触发器）来完成的。
（2）作用：
对脉冲宽度进行处理，以满足后续处理电路的要求。
5、计数率表电路：
（1）即用直接指示单位时间内脉冲数的电路，称为计数率表电路。
该电路也称积分器。
（2）作用：
①经过整形后的脉冲，通过率表电路转换为直流电压或电流，并指示电表给出相应的指示值。
②进行数学运算。
（3）线性率表电路：
当率表电路所转换成的直流电压或电流参数与脉冲计数率呈线性关系时，就称线性率表电路。
（4）对数率表电路：
当直流电压或电流参数同脉冲计数率呈对数关系时，则称对数率表电路。
我们所用料位计是采用的对数率表电路。
即采用2级二管唧筒式电路完成。
因为γ射线料位计中，探测器所接收的γ射线强度往往与物位参数呈对数关系。
（5）二极管唧筒式电路：
输出电压U0与计数率之间的关系：
U0=（Ui-U0）C1*nR，
即U0=Ui*C1*nR/（1+C1*nR）
说明：
①在U0在0—之间变化Ui之间变化，且与N呈线性关系。
②U0与N的关系曲线如上图。
6、上下限报警电路：
（1）电路：
报警电路是由F004（LM358）组成的电压比较器，三极管3DG27，继电器与互动电路来完成的。
（2）高极：
对于高位报警，高限基准，电压将为2V加到F004（LM358）的反相端上，这样当有主机板输出的大于2V的电压加到F004（LM358）的同相端上，则输出高电平大于8V，这样使用期3DG27导通，继电器J动作，输出高位控制信号，并使高位灯亮。
（3）低位报警：
对于低位报警，低限基准电平约0.5V，加到相应的F004的同相端上，这样当主机板输出小于0.5V的电压加到F004的反相端上时，由于同相端电压高于反相端电压，F004输出高电平大于8V，这样使与之对应的3DG27导通，相应的继电器动作，输出低位控制信号，并使低位灯亮。
当主机板输出电压在0.5V-2V之间时，高低位继电器都不动作，这时中位灯亮。
7、低压电源：
采用集成稳压电源，三端固定稳压器（LM7812、LM7824、LM7912），其接法如下：
8、高压电源：
（1）电路：
γ射线料位计的高压电源的提供γ射线探测器所需这直流高压。
高压的获得是先由直流低压电源经变换器转变成交流高压。
然后现经过整流、滤波、获得直流高压输出，我们用的料位计的直流高压电源都是共发射极推挽式变换电路。
（2）方框图：
（3）直流高压电源稳定原理：
（4）变换器：
直流高压电源中的变换器通常选用变压器耦合的间歇振荡电路。
电路如下图：
二、整机电路实例
（见附图）
第五部分故障检修
一、仪器故障的判断方法：
1、安装在现场的仪器，如果在使用中表针突然指示到100μA以上位置，将液位放下来，表针不能随之下降，即可以认为仪器发生了故障。
2、正在使用的料位计指示不能随液位变化而变化时，可用调零电位器将表针调在中间某一位置，然后卸下探头，使之靠近或远离放射源，如表针有明显变化（靠近——指针下移，远离——指针上移），说明仪表工作正常；如表针无任何变化，则表明仪器发生了故障。
3、由于任何地方都存在着本底射线，因此在仪表室或办公室可采用下列方法判断仪表工作是否正常：
先取下仪器探头用调零电位器将表针指示调在中间某一固定位置，然后接上探头开机，如表针指示向零的方向打去，说明仪表工作正常；如果表针仍指示到原来位置，则表明仪表故障。
4、接好仪表探头后开机，观察表针有无轻微的摆动；如有，仪表正常，如无任何摆动，则为仪表故障。
5、接好探头开机，对仪表进行调零。
若将表头指示调在0μA时，调零电位器的指示大于1，仪表工作正常；如调零电位器的指示为零，说明仪表发生了故障。
根据以上判断，确认仪表故障时，就需打开仪表，借助万用表等工具、仪器对仪表进行检查，找出故障元件。
二、主机故障的判断与检修：
1、若仪器停止工作，可用备用探头试，若它们不能工作，则说明主机故障。
2、加入振荡信号，表针无变化，说明主机故障。
加振荡信号的方法：
（1）用一表笔或导线一端串一1000P/160V的电容，制作一根振荡信号通路。
（2）振荡信号源：
工作中的3AD50C（3AD6C）的发射极（C极）即管子外壳。
（3）注入方法：
a、先将微安表调到70μA处，将振荡信号注入BG3（3DK7）的基极，如表针迅速向下偏移，说明此点以后电路工作正常，故障在此点以前。
b、等表针返向原处后，在T076输入端（3脚）或LM358的输入端（5脚）如表针迅速向下打，说明T076（LM358）工作正常，故障在此以前；反之，在测量T076（LM358）供电正常时，表明T076（LM358）损坏。
c、用振荡信号注入法检查高速电压比较器FC81（LM393）注入LM393的输入端（3脚）。
d、将振荡信号注入FC92（LM318）输入端（2脚），即C9之前，如表针有反应，说明主机板工作正常。
无反应时，用万用表测量FC92（LM318）的输入端（6脚），如测得电压与其正常工作时的电压0V相差很大，且调整电位器W2（指FDL型）无法使输出电压为0V时，表时FV92（LM318）损坏。
e、在主机板的输入端注入信号，如表头有反应，说明主机板正常，故障在于电缆线或探头。
（主机板的信号通入C9输入，所以注入信号时，就加在C9之前即可。
3、低压电源的测试：
（1）测试值高于正常值时，稳压块击穿。
（2）测试值低于正常值时，去掉负载（主机板和报警板）后，若能恢复正常，说明负载出现故障，否则稳压器击穿。
甚至还要检查整流后的电压是否正常。
4、高压电源的检修：
（1）测得高压为0V（振荡电路故障）。
测LM317的2脚电压主是否在10V左右；若有，说明振荡电路停振，（3AD50C坏或振荡线圈坏）否则，说明LM317坏。
（2）测得高压为1700V左右：
LM317电路故障。
若LM317的2脚电压有17V左右，则LM317电路故障，则LM317坏或调节元件（W16、R79变质或开路）故障。
（3）测得高压为500V左右：
信压电路故障。
信压电路由D31，D32，C53，C54和R83组成，（对DFL型）结HF-5001A（B）型，信压电路由D15，D16，C32，C33和R68组成。
（这些元件可能击穿，变质或开路）。
（4）高压时有时无：
可能是C53（0.022μF/2KV）击穿，对HT型是C32（（0.01μF/2KV）以至于造成R83或（R68）开路;也可能是振荡线圈烧坏。
5、检查主机板故障：
（1）利用加振荡信号的方法，对每一个集成块进行个检查。
（2）如调节调零电位器，表针不随之变化，说明IC4，IC5（即LM358）坏。
6、报警板故障检修：
（1）表头指示在80%以上，而高灯不亮，测F004的（6）脚或LM339的（14）脚输出电压是否在10V以上；若指示低于80%测F004的（6）脚或LM339的（14）脚输出电压是否在-10V以下；若是，则三极管BG6（3DG27）坏，否则F004或LM339坏。
（2）表头指示在20%以下，而低灯不亮（与上同）。
三、探头故障检修：
1、高压分压电路故障：
一般是电阻烧坏或变质。
2、前置放大电路故障，稳压管D1和BG1，BG2易出现故障。
（1）D1的内部结构：
是由2DW234和2DW235两个管子组成。
（2）BG1和BG2各极电压分配：
BG1：
VB=-2V，VC=-11.7V,VE=-1.4V
BG2:
VB=-1.4V，VC=-11.5V,VE=-0.8V
3、光电倍增管故障：
光电倍增管阴极应为茶色，若变为白色，即为损坏。
4、晶体故障：
晶体本无色透明，若变质，即为损坏。
四、特殊故障：
1、高压线漏电，造成表壳带电，仪表指示时准时不准，这种现象是由于高压通过屏蔽线传至仪表外壳造成的，可把高压信号线上的屏蔽线断开来解决。
2、主机板插件接触不良时，（无负压），会使表针固定指示某一位置。
3、报警板上F004的脚所接1000P电容漏电时，输出电压最高仅可达2V左右，引起指示灯转不灵。
4、电位器W1调整不变或阻值变化时，会引起FC92振荡，从而出现极强的信号。
5、高压输出不稳时，会引起表针异常抖动或摆动。
第六部分：
安装方式与放射源强度计算
一、安装方式：
1、决定安装方式时应考虑的因素。
（1）当物位变化时，相应的射线辐射强度应用足够的变化量。
（2）放射源的强度要尽可能选得小一些以利于防护。
且必须对放射源采取妥善的安全防护措施。
（3）要维护，检修方便。
（4）对置于露无的设备，要加强对探头的防水，防暴晒措施。
2、常采用的安装方式举例：
（1）定点监测型：
：
（2）连续测量型：
连续测量型安装方式，适用于对被测设备内可变物料位置在某一高度范围内进行自动检测与连续指示。
二、放射源强度计算：
设放射源与探测器之间的距离为L（m）。
γ射线通过材料密度为μ，厚度为d时的减弱倍数为K（μ，d）。
n为脉冲计数率，脉冲数/秒。
n本为探测的本底计数率，脉冲数/秒。
探测器的测量系数为K
源强度宽裕系数为ξ
放射源的强度为I
则：
I=（n+2n本）*L2*Kk（μ，d）ξ.
说明：
（1）探测系数K：
当探测效率η以百分数表示时：
K=4π/3.7×103gηs
其中，g是放射源每次衰变时γ光子孙拉额，对60Co，g=2；137Cs，g=0.85
S：
探测器有效探测面积（cm2）
（2）减弱倍数k（μ，d）：
当γ射线穿过多层不同材料组成的设备时，设备层物质的厚度及线性减弱系数分别为d1μ1，d2μ2。
。
。
。
。
。
。
则总减弱倍数为：
k（μ，d）=k1（d1，μ1）*k2（d2，μ2）*…..
（3）源强宽裕系数为ξ：
选取ξ值的大小与放射源的半衰期，放射源设计使用年限及计算中所取数据的准确性有关，ξ值不必取得过大，对CO-60，ξ取1.5-2也就差不多了。
（5）计数率n
对于NaI：
n本=100个/秒。
n------查表
附表：
探测器的测量系数K（mCi/m2）/（脉冲数）
探测元件
K
γ源
J306βγ
J408γ
NaI
φ30×25
φ40×40
φ50×50
Co-60
8×10-3
7×10-3
1.5×10-3
6.75×10-4
4.3×10-4
Cs-137
1.25×10-2
1.34×10-2
3.75×10-3
1.6×10-3
1×10-3
注：
表中数值为单个探测元件时的K值，如果探测器中有N个探测元件时，则探测器的测量系数为表中数值的1/N。
第七部分：
辐射防护
一、日常生活中的辐射：
1、天然本底辐射：
居民每年所受γ照射平均达1.1毫希沃特，即110毫雷姆。
2、医疗照射：
X光，131，CT（碘放射源）γ射线治疗仪。
3、工业产品和日常生活中的照射。
二、防护标准：
（1）衡量γ射线照射量的单位是伦琴。
简称伦，符号为γ。
微伦
1伦琴=1000毫伦=106微伦。
（2）单位时间内的照射量叫照射率，单位有：
伦/小时，微伦/秒等。
三、照射量及照射率的计算：
γ射线点状源在无屏蔽情况下，照射量由下式计算：
X=（AΓ/R2）t（伦琴）
照射率：
X0=x/t（伦琴/小时）
其中，A----放射源强度（mCi）
R----离开放射源的距离（cm）
t----接受照射时间（小时）
Γ----γ照射率常数（伦厘米2/小时毫居里）
对于Co-60来说，Γ=13.2
四、防护方法：
因为使用的同位素料位计一般是用γ放射源，所以在此讲γ射线的防护。
1、使用活度尽可能小的放射源。
2、缩短在放射现场的时间（时间防护）。
即：
剂量=剂量率×时间。
在一定的照射率下，为降至一定的安全水平H所容许的时间的安全时间。
τ=H/X0
3、与辐射源保持尽可能大的距离：
辐射源对周围空间产生的剂量率是随距离增加而减小。
对点状源来说剂量率P与距离R的平方成反比。
P1/P2=R22R12
若计算矩放射源的安全距离；则用公式：
R安全=（P1/P容许）1/2（米）
P1为1米处的照射率；P容许是容许的安全照射率。
如：
P1=26.4毫伦/小时，P容许=2毫伦/小时。
所以：
R安全=（26.4/2）1/2=3.6（米）
4、使用屏蔽：
几种物质对Co-60宽束γ射线减弱倍数为K时所需厚度D（cm）
K
铅
铁
混凝土
水
1.5
0.8
2.15
8.6
18
2
1.5
3.45
13.3
27
5
3.4
6.9
24.6
51
8
4.2
8.5
30.5
62
10
4.5
9.3
31.9
67
20
5.8
11.3
39.9
81
30
6.5
12.6
43.7
89
40
6.85
13.3
45.3
93
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