放射性液位计在尿素装置中的应用

工作原理、测量系统的组成，阐述了放射性物位计的选用原则，结合实际应用经验对放射性液位的测量安装方式和安全防护措施等问题进行了论述。

关键词：物位测量；尿素装置；放射源；探测器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.241

0 引言

在尿素装置中，合成塔（R-101）和汽提塔（E-101）是尿素生产工艺过程中最为重要的核心设备，设备内均为高温、高压、易结晶，并且带有强腐蚀性的介质。

选用何种类型的物位测量仪表才能在这种严苛的工况条件下准确测量设备内介质的物位呢？

1 概述

工业自动化仪表中的物位测量仪表种类较多，方法不同，各有各的适用场合。

对于某些高温、高压容器、强腐蚀、剧毒、有爆炸性、黏滞性、易结晶或沸腾状态的介质，以及高温融熔金属、煤粉等固体，或特殊结构设备的物位测量，常规方法很难实现。

放射性液位计的测量是非接触式的。无需在被测设备上开孔、打眼、进行改造，安装十分方便。投入使用以后，基本不需要维护。因此，此类核辐射式物位测量仪能够很好的解决以上工况的物位测量难题。

2 测量原理

放射性液位计测量原理利用同位素技术，基于射线吸收原理，放射性同位素 Co60 或 Cs137 衰变时可产生γ射线，γ射线穿透物质时，由于光电效应、康普顿效应和电子对的生成，γ射线将被物质的原子散射和吸收，造成γ射线衰减。其强度随吸收物质的厚度（或高度）作指数规律的变化。实践证明，射线的强度按指数规律减弱，有如下关系式：

I = I0e-μρd

式中，

I0是未经被测物料衰减时测到的射线信号，

I是经过被测物料衰减以后测到的射线信号，

μ是被测物料对射线的质量吸收系数，

ρ是被测物料的密度，

d是射线穿过被测物料的距离。

对于确定的测量对象，I0 和μ、ρ都是不变的常量，因此通过测量I，就可以得到射线穿过被测物料的距离d。

典型测量方式如图1所示：

放射源和探测器分别安装在被测设备两侧的设定地方（根据不同情况，放射源或探测器也可置于被测设备里面，或者安装于设备的上下方）。探测器的主要组成部分是闪烁晶体、光电倍增管、高压电路、前放电路。当待测物料高度发生变化时，在探测器一方，到达它的射线强度就会随之变化。进入探测器里的γ射线被闪烁晶体接收，将它转换成微弱的闪烁光子，再由光电倍增管将它转换成电流脉冲信号，送给前放电路处理（放大、甄别、整形）。高压电路负责提供光电倍增管工作所必需的直流高压，范围一般在800～1300V。探测器出来的电脉冲信号经专用电缆送到主机，由主机进行处理，最后给出对应于液位变化的显示信号或者标准电流输出信号。

3 测量系统的组成

放射性液位计一般由放射源、探测器和信号处理单元三大部分组成。放射源一般选择同位素 Cs137 或 Co60。Cs137 半衰期为 30.17 年，穿透性差一些。Co60 半衰期为5.27 年，穿透性强。放射源的选择要综合考虑被测介质的密度、容器的材料和壁厚及直径等因素，要求强度大的或被测介质密度低、测量范围小的可选用 Cs137，大直径厚壁容器要求穿透能力强的可选用 Co60。

放射源有点状源和棒状源之分。Cs137 一般为点源，也很难做成连续的棒状源，而 Co60 既可做点源又可做棒状源。点源常常需要大的辐射强度，要多考虑安全防护问题。棒状源可尽可能减小所需的辐射强度但制造难度大，尤其是非线性分布的棒状源。放射源均應是符合要求的密封源，一般外部安装方式均有带锁且可开启辐射窗口的射线屏蔽层（铅屏蔽等），内插安装时要设计有放射源保护套管。

探测器接受穿透介质后的剩余射线，常用类型有盖革管、电离室和闪烁计数器，也分点状接受器和棒状接受器。

信号处理单元HZ-5203B型微机放射性液位计由天华化工机械及自动化研究设计院生产，由于使用了单片机，可以对被测信号大范围地进行线性化处理；也可由一个转换器分别带 l～3只探测器，进行大范围的测量。

4 安装及应用

主机安装于仪表控制室里，探测器部分和放射源部分安装在被测设备内外两侧，主机和探测器之间用专用电缆连接，最远传输距离500米。

（1）主机的安装。液位计的主机采用盘装式结构。

外形尺寸：144（宽）×96（高）×400 mm（长）。前面板布置如图 2所示。

其中，数码显示管在测量状态下用来显示液位的具体高度，可以是绝对高度，也可出是相对高度；在标定、检验状态下，数码显示管用来显示各个项序号及其参数值。四个指示灯中，数码管左侧的两个，当仪表处于测量状态时，“测量”指示灯亮，当仪表处于标定、检验状态时，“标检”指示灯亮。数码管右侧的两个指示灯中，当液位超出上限或低于下限时，“越限”指示灯亮，当出现标定参数设置错误等故障时，“故障”指示灯亮。下面的一排光柱可按照百分比模拟指示液位的位置。

（2）放射源的安装。我公司放射源选用Cs137点源进行液位测量，采用内置放射源的测量方式，放射源容器固定在设备外部。测量时通过手柄将放射源推进盲管内，遇有设备检修或其它需要搬移开放射源的情形时，通过手柄将放射源拉出，置于放射源容器内，放射源便处在完全的密封状态下，进而进行相关操作。采用内置方式可减低使用放射源的强度，减低成本。

（3）探测器的安装。探测器防爆等级为：ExdⅡCT5。探测器可以水平安装，也可以竖直安装。竖直安装时，最好使法兰盖一端朝下，以避免进水。探测器自带一小连接架，与现场制作的探测器支架连接，用螺栓将二者连接在一起。探测器外形如图4所示。

5 实际应用中遇到的问题及解决措施

放射性液位计自安装运行投用以来，一直安全使用，准确测量。但是在实际运行过程中也出现了一些故障现象。

（1）雷击对二次仪表及现场探测器的影响。故障现象：当有雷击现象出现时，强大的瞬时电流会突然击穿探测器的光电倍增管，造成探测器不能把吸收到的γ射线转换成为电流脉冲信号，导致二次仪表测量失真。同时，强大的电流也会损害二次仪表的工作电路板。解决措施：①进一步完善二次仪表及现场探测器的接地系统，使其接触良好，工作可靠；②在二次仪表的供电回路中增设浪涌保护器，使系统的元器件不会受到强大电流的冲击；③单独为探测器提供独立电源，不由二次仪表直接供电。处理结果：经过一系列的整改措施，测量系统受雷击的影响大大减小，保证了放射性液位计测量的准确性。

（2）现场干扰信号影响测量的稳定性和准确性。故障现象：当现场出现干扰信号时（如探伤的X射线、强电磁场信号等），液位测量波动较大，影响尿素系统的稳定运行。解决措施：在探测器的周围设置5㎜厚的铅板，尽可能降低外界干扰信号对探测器的影响。处理结果：增设铅板对外界的干扰信号有一定的屏蔽作用，液位的波动较之前相比有所减小，但是不能彻底解决这一问题。

6 放射源的安全使用

（1）使用的放射源出厂前必须经过有关职能部门检测，容器表面及对周围环境的辐射剂量，符合国家规定的安全标准。（2）购进含放射性同位素的仪表时，应事先向所在地环保部门办理准购批件。（3）放射源的使用应遵照国标 GB4792及国务院449号令《放射性同位素与射线装置安全和防护条例》的有关规定。（4）放射源应设有专职人员管理，严格收发手续，防止差错和丢失事故。（5）废弃不用的放射源，应按照规定由专门机构进行处理，不得随意處置或者丢弃。

7 结束语

放射性液位计由于其自身的特点适用于高温、高压、强腐蚀、剧毒、粘滞性、易结晶等特殊场合的物位测量，解决了流程工业中的许多技术难题。根据测量条件和安全合理原则，选择放射源的种类和强度，严格操作，精心维护，安全使用，使放射性液位计在大型化工生产中得到更加有效的应用。

参考文献：

[1]郭诚.放射性物位仪表在工程设计中的应用[J].自动化与仪表，2002，17（05）：68-69.

[2]邰秀凤.放射性物位计在物位测量中的应用[J].石油化工自动化，2007（06）：66-68.

[3]詹明生.放射性液位在尿素装置中的应用[J].江西石油化工，1999（02）：50-5.

作者简介：张俊峰（1986-），男，本科，助理工程师，主任工程师，主要从事仪表车间自动化仪表的技术管理工作。

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