無源核子料位計信號的坪特性研究

(江蘇信息職業技術學院,江蘇無錫 214153)

1 工作原理及高壓偏置電路

無源核子料位計是一種非接觸式料位計,目前正在逐漸替代火電廠中傳統的諸如射頻導納、電容等原理的接觸式料位計。無源核子料位計通過檢測灰斗或倉泵中粉煤灰固有的微量天然伽馬射線來計算灰位高度[1]。由于伽馬射線位于電磁波頻譜中的較高頻段,能量高、穿透力強,所以在容器外部即可以檢測到,可以實現真正的非接觸式測量,大大提高了工作可靠性,并消除了由于掛灰而引起的誤報警。無源核子料位計的系統框圖如圖1 所示。

圖1 無源核子料位計系統框圖Fig.1 Block diagram of passive nuclear level gauge system

其中,光電倍增管的高壓偏置電路采用電阻式分壓偏置電路[2],如圖2所示。其中,電容C兩端的電壓Uh為高壓電源提供的電壓,一般在500V～1000V之間可調。伽馬射線進入閃爍體后會轉化成光脈沖;光脈沖中的光子進入光電倍增管到達光陰極K轉化為光電子;光電子經過各個倍增極D后形成可觀的光電流,并被陽極A所收集;光電流在電阻Ra上形成電壓脈沖,并送至后續的脈沖信號處理電路。在上述過程中,隨著高壓偏置電壓的增大,最后得到的電脈沖的幅值也越大,進而影響到閾值甄別及計數電路的計數率[3]。

圖2 光電倍增管高壓偏置電路Fig.2 Photomultiplier tube high voltage bias circuit

2 計數率的坪特性

無源核子料位計在單位時間內檢測到的伽馬射線的個數稱為計數率或脈沖數[1]。由于原始計數率具有統計漲落特性,所以一般都需要進行一些統計處理,最常用的是滑動平均濾波[4],所以一般所說的計數率其實指的是經過濾波處理后的平均計數率。

料位計在出廠前要將高壓偏置電壓設定為某一特定值。然而,由于生產條件所限,目前的光電器件,比如光電倍增管,即使是同一批生產的,其特性參數也具有一定的離散性[5]。而且,正如后面所要介紹的,計數率和高壓偏置電壓之間的關系曲線存在一個坪區(坪特性),在這兩個因素的共同影響下,每一臺料位計在出廠前都要進行單獨的高壓值設置,而不能設置成統一的值。因此,對無源核子料位計坪特性的研究就具有了實際意義。

為了研究無源核子料位計的坪特性,將型號為FDAC-DIG的料位計置于一個環境相對穩定的地方,并將其高壓偏置電壓從500 V 開始,以50 V 為步長逐步調整至1000V。每次調整后,待計數率穩定后記錄其數值,得到表1所示的數據。將表1 中的數據繪制成曲線如圖3 所示。

表1 計數率隨偏置電壓的變化Tab.1 Count rate changes with bias voltage

圖3 計數率-偏置電壓曲線Fig.3 Count Rate-bias voltage curve

由圖3可知,隨著高壓偏置電壓的升高,計數率逐漸增加,但增加的速率是變化的?？梢源笾赂鶕€的斜率將上述曲線分為兩段:第一段為500V～750V之間的曲線,隨著偏置電壓的升高,計數率近似以線性規律快速增加;第二段為750V～1000V之間的曲線,隨著偏置電壓的升高,計數率雖然也在增加,但是非常緩慢。第二段曲線就是該特性曲線的坪區,也就是計數率增長非常緩慢的曲線段。

其實,如果繼續增大偏置電壓至一定程度,計數率還會出現一個更加陡峭的上升曲線段[6]。限于實驗條件所限,圖中并沒有繪制出來。

3 溫度對坪特性的影響

上述數據和曲線是在室溫(25℃左右)下測得和繪制的。由于實際的無源核子料位計產品是工作在工業現場的,其環境溫度隨地區和工廠條件的不同而不同。一般而言,環境溫度在-10℃～40℃之間,因此,有必要對上述曲線坪特性的溫度特性進行研究。

將無源核子料位計分別置于烤箱(50℃)和冰箱(-16℃)兩種環境下,測量其坪特性,所得數據如表2所示。將三種工作溫度下的計數率隨偏置電壓的變化曲線繪制在同一個坐標系下,如圖4所示。

表2 計數率隨偏置電壓及環境溫度的變化Tab.2 Count rate changes with bias voltage and ambient temperature

圖4 不同溫度下計數率隨偏置電壓變化的曲線Fig.4 The curve of count rate changing with bias voltage at different temperatures

從以上曲線可以看出,溫度對計數率曲線是有顯著影響的?？傮w而言,隨著溫度的升高,計數率曲線向右側移動,并有一定的下降趨勢,坪區的起始點電壓逐漸升高。

在設置偏置電壓值的時候,主要有兩個方面的考慮:一方面,為了保證電路板的絕緣強度,應該盡量降低偏置電壓的值,以提高可靠性和壽命;另一方面,要盡量提高偏置電壓的值,使得其在料位計的工作溫度范圍內都處于計數率曲線的坪區內,以減小計數率的溫度系數。因此,在料位計的生產和出廠設置中,對高溫下的坪區特性曲線進行測量是很有必要的。

4 結語

本文通過實驗方法繪制了伽馬射線計數率隨光電倍增管高壓偏置電壓變化的曲線,并對其坪特性及坪特性的溫度特性進行了研究。實驗結果表明,坪區隨著溫度的升高會向右方移動,在料位計的出廠設置中,要對高溫下的坪特性曲線進行測試,并綜合考慮絕緣強度來對高壓值進行設置。