核子秤传感器安全吗？核仪器仪表之核子秤

核子秤系统图

1986年11月5日(农历十月初四)，我国第一台核子秤研制成功。1986年11月初，黑龙江省科学院技术物理研究所在国内研制成功的核子称量系统（简称核子秤），新近通过了鉴定。核子秤是国家科技攻关项目。

1、用途

它是采用核技术原理，加上现代微型计算机控制而制成的一种对各种型式输送机上固体散状物料进行连续动态称重的设备，可广泛用于工矿、粮食、港口等部门。

输送的物料可以是：煤炭、矿石等各种块状物料，各种粉状物料，烟草、芦苇、木屑等不规则形状的轻物料等。

输送方式可以是：皮带输送机、螺旋给料机、刮板输送机、链斗输送机，以及震动给料机和圆盘给料机出口的自由落体式的物料流。

2、原理

利用射线被物质吸收的原理。放射源发出射线，穿过被测物料，一部分射线被物料吸收，剩余部分透过物料，被探测器所探测。射线被衰减的系数和物料的密度、厚度、宽度的乘积成正比关系。密度、厚度、宽度的乘积就是输送机单位长度上物料的质量，也称为"负荷"。负荷乘以速度，等于每秒流过物料的质量。将每秒流过物料的质量进行累加，就得到输送物料的总量。

3、技术特点

A、非接触式测量，可用于压力传感器原理的电子秤不能适应的众多场合。如，螺旋给料机、刮板输送机、链斗输送机，以及震动给料机和圆盘给料机出口的自由落体式的物料流等多种输送工具。

B、用于皮带输送机时，解决了压力传感器的电子皮带秤长期未决的难题--"皮带效应"。长期以来，世界上好多著名的电子皮带秤生产厂家，想尽一切办法，试图克服"皮带效应"，但一直没有得到解决。图1所示为电子皮带秤的原理图。依靠压力传感器测到的垂直压力来反映皮带上物料的重量。在物料不变的情况下，皮带的张力和速度的变化，都会引起压力传感器上测到的垂直压力发生变化，从而导致测量误差。测量架上皮带托滚安装的平行度直接影响了皮带张力带来的误差。按图1所示，当皮带张力增大时，造成垂直方向的压力减小。相反，如果秤架的托滚安装位置偏高，皮带张力增加则会造成垂直压力增加。秤架安装的垂直位置差1mm，都会对测量造成明显的影响。目前，电子皮带秤都是定期测定空皮带的垂直压力来对张力的影响进行补偿，但是，皮带上物料分布不均匀，皮带速度的变化，均会使张力发生变化，这是无法补偿的。

核子皮带秤从原理上就避开了皮带张力的影响。核子秤采取非接触的测量方式，探测器和皮带不发生任何接触，皮带张力变化对探测到的射线没有任何影响。

图1 压力传感器皮带秤原理图

二、分类和组成

1、分类

核子秤由放射源、探测器、安装架（A型架）和测速器等4部分组成。核子秤在探测方式方面，可以分两大类：电离室核子秤和闪烁核子秤。

图2 核子皮带秤原理图

2、电离室核子秤

采用点状放射源，配合长的圆柱体的电离室，见图2。γ射线透过物料，射到电离室上，转化成电流信号。由于电离室的灵敏度非常低，输出电流信号一般都低于10^(-10)A,所以必须采用高压充气电离室，增加电离室内气体的密度，提高探测效率。并配以高增益，高输入阻抗的弱电流放大器。经放大后的电流，可以直接送到主机中的A/D变换器，进行处理。也可以在探测器壳体内，经I/F变换器，变成脉冲频率信号，再送到主机中的脉冲计数器，进行处理。

电离室核子秤用的放射源活度比较大，一般在50～100mci。所以探测器接收到的射线的计数率很高，射线的统计涨落很小，一般对测量不会造成影响。

电离室的阻抗很高，电流放大器的输入阻抗也非常高，一般都在10^(10)Ω以上，所以电离室输出电路的积分时间常数很大，一般在1秒左右。这就决定了电离室的采样时间不能做得很快，最快也就是1秒。所以电离室不能适应于快采样时间的场合下使用。

电离室核子秤比较适合于速度不太高的皮带输送机和螺旋给料机。要求在一秒钟的时间内，通过电离室上方的物料厚度没有明显变化。在一秒时间内，输送机本身的厚度（比如皮带的厚度）也不发生较大的变化。

电离室核子秤不适合刮板输送机、链斗输送机，以及震动给料机和圆盘给料机出口的自由落体式的物料流。

3、闪烁探测器核子秤

采用闪烁探测器（NaI晶体）配合线状放射源，就构成了闪烁核子秤。

闪烁核子秤的突出优点是：反应时间快。闪烁体的发光衰减时间约为10^(-8)秒，在特殊的应用场合的要求下，可以大大缩短采样时间提高测量精度。

闪烁探测器的长期稳定性可以通过自动稳峰技术得到解决。使长期稳定性和重复性达到0.05%～0.1%。

闪烁核子秤除了可用于皮带机和螺旋给料机以外，还可用于刮板输送机、链斗输送机，以及震动给料机和圆盘给料机出口的自由落体式的物料流，甚至一切需要进行在线计量的场合。

和电离室核子秤相比，闪烁核子秤的缺点是：

线状放射源制作困难；所用放射源活度较低，射线的统计涨落误差已经不可忽略。

4、放射源

a、半衰期

放射源的半衰期应比较长，在短时期内，放射源活度的变化不应对测量产生明显影响。137Cs的半衰期为30年，比较适合用作核子秤的放射源。60Co的半衰期只有5.26年，不太适合用于精度要求比较高的核子秤。

b、活度

当放射源的活度太低时，测到的射线计数率太低，放射性统计涨落误差会对测量结果产生明显的影响。通常电离室核子秤所用的放射源活度应在80～100mci的范围。经过特殊技术处理的放射源输出器，可以将放射源活度降低到50mci。对于线状放射源，单位长度的比活度为0.5mci/cm。活度太低时，会使测量精度降低。

c、射线的能量

放射源发出射线的能量应根据被测物料的性质来进行选择。对于通常的散装物料，一般选用射线能量为661keV的137Cs。由于各种元素对能量为661keV的γ射线的质量吸收系数的区别不大，比较适用于混合物料的计量。计量精度不受物料成分变化的影响。

对于烟草、木屑、芦苇等清材料，由于皮带上物料的质量厚度太小，对射线的吸收能力太弱，造成射线计数率的变化太小，仪表的灵敏度太低，所以应该采用241Am放射源。241Am的射线能量为59keV,物料对低能射线的衰减系数很大，可以大大提高仪表的灵敏度。