專利名稱：全匹配式高精度核子秤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種全匹配式高精度核子秤。
國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)銷售的核子秤，無(wú)一例外的都是由γ射線源、秤體支架、γ射線探測(cè)器、速度傳感器以及二次儀表等組成。當(dāng)傳送裝置的輸送帶在核子秤的γ射線源和γ射線探測(cè)器之間通過時(shí)，一部分γ射線被物料吸收，一部分γ射線穿過物料進(jìn)入γ射線探測(cè)器，物料越厚(多)被物料吸收的γ射線越多，而進(jìn)入γ射線探測(cè)器的γ射線就越少。因此，γ射線探測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱，可反映出物料的厚薄(多少)。
該過程根據(jù)γ射線衰減定律，有如下表達(dá)式U＝U0e-μd……………………………………(1)式中U0—核子秤無(wú)物料通過時(shí)，γ射線探測(cè)器輸出信號(hào)；U—核子秤有物料通過時(shí)，γ射線探測(cè)器輸出信號(hào)；μ—γ射線吸收系數(shù)；d—物料厚度；由方程式(1)可計(jì)算出物料厚度d，d=1μq……………(2)]]>式中，q＝lnU0/U，稱為厚度因子根據(jù)物料厚度d，寬度l和密度ρ，可計(jì)算出單位皮帶長(zhǎng)度上的物料負(fù)荷F，F(xiàn)＝d×l×ρ…………………………………(3)F＝K0q ……………………………………(4)K0＝lρ/μ＝常數(shù)………………………………(5)根據(jù)皮帶速度υ和物料負(fù)荷F，可計(jì)算出通過核子秤秤體的物料流量P，P＝F·υ………………………………………(6)在t1-t2時(shí)間內(nèi)，流經(jīng)核子秤秤體的物料總重量W為，W=∫t1t2F·υdt=Σi=1l=nFi·υiΔtl……………(7)]]>核子秤稱重的關(guān)鍵參數(shù)是負(fù)荷F，方程式(4)和(5)是現(xiàn)有核子秤普遍采用的數(shù)學(xué)模型，從該模型確立的理論根據(jù)可知，它既將射線場(chǎng)定位在平行束上，也忽略了散射光子的影響。
實(shí)際上，核子秤大多采用點(diǎn)狀放射源，而γ射線探測(cè)器又總是工作在近場(chǎng)。因此，γ射線是球面輻射，即扇形束，而非平行束。同時(shí)，由于背景物(包括秤體支架、輸送帶、物料及近旁物體等)的存在，γ射線探測(cè)器總是處在一個(gè)相當(dāng)強(qiáng)的γ射線散射場(chǎng)中，因此，核子秤計(jì)量中，散射光子的影響是不可忽略的，中國(guó)專利CN1011912B在其公開的數(shù)學(xué)模型中雖然納入了積累因子B，考慮了散射光子的影響，但該專利仍將射線場(chǎng)定位在平行束上。
中國(guó)專利CN2397481Y公開了使用了接近平行γ射線束的長(zhǎng)線性放射源，其數(shù)學(xué)模型并沒有進(jìn)一步的匹配，這也影響了核子秤稱量精度的提高。
中國(guó)專利CN2444235Y公開了一種多點(diǎn)源核子秤，其物理模型并沒有進(jìn)一步的匹配，制約了核子秤稱量精度的提高。
其上所述方案，其物理、數(shù)學(xué)模型是粗糙的，必然帶有較大的模型近似誤差。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用了如下技術(shù)方案全匹配式提高核子秤測(cè)量精度的方法，其包括以下步驟(1)將被測(cè)物料由傳送裝置通過一相向設(shè)置的γ射線源和γ射線探測(cè)器；(2)由傳感系統(tǒng)(一次儀表)測(cè)出無(wú)物料時(shí)γ射線探測(cè)器的輸出電壓為U0，有物料時(shí)射線探測(cè)器的輸出電壓為U；(3)測(cè)出物料經(jīng)過γ射線工作區(qū)時(shí)的速度V；
(4)并對(duì)上述測(cè)得值由信號(hào)處理系統(tǒng)(二次儀表)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理輸出結(jié)果；并且所述核子秤的信號(hào)處理系統(tǒng)的核子秤數(shù)學(xué)模型與核子秤物理模型相匹配；所述核子秤的傳感系統(tǒng)(一次儀表)與核子秤的物理模型相匹配；通過一相向設(shè)置的γ射線源和γ射線探測(cè)器中γ射線工作區(qū)的被測(cè)物料的分布與核子秤物理模型相匹配。
區(qū)分平行寬束輻射場(chǎng)和扇形寬束輻射場(chǎng)的不同物理模型時(shí)，對(duì)其所用的數(shù)學(xué)模型的影響(1)當(dāng)γ射線輻射場(chǎng)在其工作區(qū)為平行寬束的如上所述物理模型時(shí)，其如上所述數(shù)學(xué)模型為F＝KqK=K0(1+lnBq)=K0+K0lnB×q‾]]>其中F—物料負(fù)荷；K—稱重系數(shù)；q—厚度因子；q—q的倒數(shù)；B—積累因子，與γ射線光子能量、物料性質(zhì)、厚度、γ射線源準(zhǔn)直孔形狀、γ射線探測(cè)器特性有關(guān)；K0—常數(shù)；C—常數(shù)。
所述的K＝K0+K0lnB×q是用折線方程K＝bn+knq來擬合的，擬合方程參數(shù)中的截距bn和斜率kn是通過實(shí)物標(biāo)定確定的，標(biāo)定程序?yàn)?1)、依負(fù)荷大小標(biāo)定出F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n+1各負(fù)荷點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的稱重系數(shù)K1，K2，…，Kn+1及厚度因子q1，q2，Λ，qn+1(2)、根據(jù)(1)標(biāo)定出的各參數(shù)，按直線方程確定各折線段的截距bn和斜率knbn=Kn+[Kn+1-Knq‾n+1-q‾n]q‾n]]>kn=Kn+1-Knq‾n+1-q‾n]]>從而得出數(shù)學(xué)模型。
(2)當(dāng)γ射線輻射場(chǎng)在其工作區(qū)為扇形寬束的如上所述的物理模型時(shí)，其如上所述的數(shù)學(xué)模型為F＝KqK=K0(1+lnBq)(1-cp)]]>其中F—物料負(fù)荷；K—稱重系數(shù)；q—厚度因子；B—積累因子，與γ射線光子能量、物料性質(zhì)、厚度、γ射線源準(zhǔn)直孔形狀、γ射線探測(cè)器特性有關(guān)；K0—常數(shù)；C—常數(shù)。所述K=K0(1+lnBq)(1-cq)]]>是用折線方程K＝bn+hnq來擬合的。擬合方程參數(shù)截距bn和斜率kn是通過實(shí)物標(biāo)定確定的，標(biāo)定程序是(1)、依負(fù)荷大小標(biāo)定出F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n+1各負(fù)荷點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的稱重系數(shù)K1，K2，…，Kn+1及厚度因子q1，q2，，...qn+1；(2)、根據(jù)(1)標(biāo)定出的各參數(shù)，按直線方程確定各折線段的截距bn和斜率knbn=Kn+[Kn+1-Knqn+1-qn]·qn]]>Kn=Kn+1-Knqn+1-qn]]>從而得出數(shù)學(xué)模型。
一種根據(jù)上述測(cè)量方法設(shè)計(jì)的全匹配高精度核子秤，由包括秤體支架、γ射線源、γ射線探測(cè)器、速度傳感器的傳感系統(tǒng)(一次儀表)和信號(hào)處理系統(tǒng)(二次儀表)所組成，γ射線源置于秤體支架的上方，γ射線探測(cè)器置于秤體支架的下方，在γ射線源和γ射線探測(cè)器之間有運(yùn)載物料的傳輸裝置通過，并且所述核子秤傳感系統(tǒng)的γ射線源的γ射線工作區(qū)與γ射線探測(cè)器的接收窗口相匹配并吻合；在物料進(jìn)入核子秤前的物料傳輸裝置皮帶機(jī)的上方有一導(dǎo)流裝置。
在γ射線探測(cè)器的外表面有防止γ射線散射光子進(jìn)入探測(cè)器的金屬外套。
該導(dǎo)流裝置可為定量管或?qū)Я鞑郏抗艿奈锪铣隹谛螤顬榫匦位蛱菪?；?dǎo)流槽的橫斷面形狀也為矩形或梯形。
所述γ射線探測(cè)器外包有一個(gè)防γ射線散射光子的金屬外套，所述金屬外套可為鉛質(zhì)或鋼質(zhì)，該外套面向γ射線源的一面開有長(zhǎng)方形接收窗口，γ射線源發(fā)出的γ射線通過該窗口進(jìn)入γ探測(cè)器內(nèi)，此窗口的寬度與γ射線探測(cè)器的直徑相同，窗口的尺寸與γ射線工作輻射區(qū)相匹配。
所述傳感系統(tǒng)中的秤體支架由頂板、兩側(cè)板、前后護(hù)板和底板組成一個(gè)密封空間，頂板、側(cè)板、護(hù)板及底板之間用焊接、粘接或螺釘連接后用膠條密封，在底板下部的兩端各安裝一個(gè)可調(diào)的金屬射線遮擋板，γ射線源射向γ探測(cè)器的γ射線束從該兩板之間通過，此γ射線束的寬度與γ射線工作區(qū)相匹配。
核子秤的傳感系統(tǒng)與核子秤物理模型相匹配；所述核子秤的信號(hào)處理系統(tǒng)的核子秤數(shù)學(xué)模型與核子秤物理模型相匹配；所述的皮帶機(jī)上的物料分布與核子秤物理模型相匹配。
本實(shí)用新型采用的γ射線探測(cè)器的接收窗口恰好包含所稱物料的寬度，并且其γ射線源的γ射線工作區(qū)也恰好含蓋所稱物料的寬度，γ射線工作區(qū)內(nèi)的γ射線通過物料及γ射線探測(cè)器的接收窗口進(jìn)入γ射線探測(cè)器，從而實(shí)現(xiàn)核子秤傳感系統(tǒng)與核子秤物理模型相匹配。
核子秤所稱物料在運(yùn)載皮帶上的分布形狀，是影響核子秤稱重精度的重要因素之一，不同射線場(chǎng)下的物理模型要求不同的物料分布相匹配。本實(shí)用新型在物料進(jìn)入核子秤前的皮帶上方，安裝了導(dǎo)流裝置。該導(dǎo)流裝置可以是定量管，也可以是導(dǎo)流槽，對(duì)于γ射線場(chǎng)為平行寬束物理模型下，導(dǎo)流裝置梳理出來的物料分布的最佳橫截面為矩形，對(duì)于射線場(chǎng)為扇形寬束物理模型下，導(dǎo)流裝置梳理出來的物料分布的最佳橫截面為梯形。
不同的γ射線場(chǎng)物理模型對(duì)應(yīng)不同的核子秤數(shù)學(xué)模型，本實(shí)用新型提供1、當(dāng)核子秤采用線狀γ射線源的尺度大于γ射線探測(cè)器的線長(zhǎng)度時(shí)，γ射線輻射場(chǎng)可視為平行寬束物理模型，其最佳匹配數(shù)學(xué)模型是F＝Kq…………………………………………………(8)K=K0(1+lnBq)=K0+K0lnB×q‾……………(9)]]>式中K—稱重系數(shù)q‾=1q]]>B—積累因子，和γ射線光子能量、物料性質(zhì)、厚度、γ射線源準(zhǔn)直孔形狀、γ射線探測(cè)器特性等有關(guān)。
從公式(9)中可知稱重系數(shù)K是厚度因子q的線性函數(shù)，隨q的變化而變化。
公式(9)為線性方程，在實(shí)際應(yīng)用中可用折線方程K＝bn+knq……………………………………(10)來擬合。
式中bn—截距kn—斜率。
2、當(dāng)核子秤采用點(diǎn)狀γ射線源時(shí)，γ射線輻射場(chǎng)可視為扇形寬束物理模型，其最佳匹配數(shù)學(xué)模型為………………………………………F＝KqK=K0(1+lnBq)(1-cp)]]>或K＝K′-K′cq………………………………………(12)式中K′＝K0(1+lnB/q)c＝常數(shù)；q＝厚度因子；從公式(12)中可知，稱重系數(shù)K是厚度因子q的線性函數(shù)，隨q的變化而變化。公式(12)為線性方程，在實(shí)際應(yīng)用中可用折線方程K＝bn+knq…………………………………………(13)來擬合。
式中bn—截距kn—斜率稱重系數(shù)K擬合方程參數(shù)的確定方法1、當(dāng)射線在工作區(qū)域?yàn)槠叫袑捠螤顣r(shí)K＝bn+knq其步驟如下(1)首先實(shí)物標(biāo)定按負(fù)荷大小依次確定不同負(fù)荷F下，對(duì)應(yīng)的厚度因子q及稱重系數(shù)K值。如表1所示。
(2)參數(shù)計(jì)算利用直線方程確定各折線段方程參數(shù)。通過線性內(nèi)插確定各折線段精確的K值。如表2和附圖
6所示。表1 表2
2、當(dāng)射線在工作區(qū)域?yàn)樯刃螌捠螤顣r(shí)K＝bn+knq其步驟如下(1)首先實(shí)物標(biāo)定按負(fù)荷大小依次確定不同負(fù)荷F下，對(duì)應(yīng)的厚度因子q及稱重系數(shù)K值。如表3所示。
(2)參數(shù)計(jì)算利用直線方程確定各折線段方程參數(shù)。通過線性內(nèi)插確定各折線段精確的K值。如表4和附圖5所示。表3 表4 本實(shí)用新型的核子秤所采用的γ射線探測(cè)器外包有一個(gè)防γ射線散射光子的鉛質(zhì)或鋼質(zhì)外套，外套的形狀可為圓形、方形或任何多邊形。在外套面向γ射線源的一面開有長(zhǎng)方形接收窗口，γ射線源發(fā)出的γ射線通過該窗口被γ探測(cè)器接收，窗口的尺寸與γ射線工作輻射區(qū)一致。從而進(jìn)一步保證核子秤傳感系統(tǒng)與核子秤物理模型相匹配。
本實(shí)用新型的核子秤秤體支架由頂板、兩側(cè)板、前后護(hù)板和底板組成一個(gè)密封空間，頂板、側(cè)板、護(hù)板及底板之間用焊接、粘接或螺釘連接后用膠條密封，在底板下部的兩端各安裝一個(gè)可調(diào)的金屬射線遮擋板，γ射線源射向γ射線探測(cè)器的γ射線束從該兩板之間通過，此γ射線束的寬度與γ射線傳輸帶物流上的工作區(qū)相一致。同時(shí)，此遮擋板以及秤體支架的前后護(hù)板遮擋了γ射線工作區(qū)以外的γ射線不能進(jìn)入γ射線接收傳感器附近，從而大大減少了γ射線散射光子對(duì)核子秤計(jì)量精度的影響。同時(shí)，該種秤體支架由于密封，也極大減少了高濕物料、潮氣對(duì)核子秤計(jì)量精度的影響。
本實(shí)用新型的要點(diǎn)是提出全匹配核子秤的物理模型、數(shù)學(xué)模型、物料分布模型及其核子秤的結(jié)構(gòu)和測(cè)量使用方法。
本實(shí)用新型的主要優(yōu)點(diǎn)在于全匹配的核子秤計(jì)量精度高，適用的流量變化范圍大，對(duì)于高溫潮濕物料仍能進(jìn)行精確計(jì)量。
所述的γ射線探測(cè)器3、速度傳感器4分別于信號(hào)處理系統(tǒng)(二次儀表)5相連。γ射線探測(cè)器的輸出電壓為U。有物料時(shí)射線探測(cè)器的輸出電壓為U、速度傳感器4測(cè)出物料經(jīng)過γ射線工作區(qū)時(shí)的速度V；并對(duì)上述測(cè)得值由信號(hào)處理系統(tǒng)(二次儀表)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理輸出結(jié)果。
圖2是導(dǎo)流裝置為導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)的實(shí)施例。與上一實(shí)施例不同之處在于采用導(dǎo)流槽代替定量管，導(dǎo)流槽11使進(jìn)入核子秤前的物料按矩形或梯形分布，從而實(shí)現(xiàn)了物料分布與核子秤物理模型相匹配。
圖3是核子秤傳感系統(tǒng)的正視圖，圖4為圖3的A-A剖面圖，傳感系統(tǒng)(一次儀表)包括秤體支架2、γ射線源1、γ射線探測(cè)器3、速度傳感器4(圖中未示)，γ射線源1置于秤體支架2的上方，γ射線探測(cè)器3置于秤體支架2的下方，從圖中看出，核子秤秤體支架2為全密封。它由頂板12、兩側(cè)板13、前護(hù)板14后護(hù)板15和底板16組成一個(gè)密封空間，該密封空間與外界隔絕，可調(diào)的兩個(gè)金屬射線遮擋板17裝于底板16的兩端，γ射線源射1向γ探測(cè)器3的γ射線束在兩個(gè)遮擋板17之間通過，該γ射線束的工作區(qū)寬度與γ射線探測(cè)器靈敏區(qū)的長(zhǎng)度相一致，也即射線束的寬度與γ射線輻射工作區(qū)相匹配。
擬合方程K＝bn+knq和K＝bn+knq的方程參數(shù)bn和kn，通過實(shí)物標(biāo)定確定，以扇形束核子秤為例。四折線方程通過五組標(biāo)定數(shù)據(jù)來確定。實(shí)例如下(1)先以小負(fù)荷F1＝3.010Kg/m進(jìn)行標(biāo)定。得到稱重系數(shù)K1＝24.82Kg/m和厚度因子q1＝0.1212之后，依次加大負(fù)荷F，分別在負(fù)荷F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5下進(jìn)行標(biāo)定，取得與之對(duì)應(yīng)的稱重系數(shù)K2，K3，K4，K5和厚度因子q2，q3，q4，q5，見表5。
(2)根據(jù)標(biāo)定參數(shù)求出折線方程系數(shù)bn和kn，見表6。
表5

表6

本實(shí)用新型所述的核子秤適用范圍廣，對(duì)于高溫高濕的物料、物料流量變化大的場(chǎng)合均可進(jìn)行高精度計(jì)量。它使核子秤的計(jì)量精度從現(xiàn)有的1.0級(jí)、0.5級(jí)提高到0.25級(jí)。該種核子秤是貿(mào)易結(jié)算的最佳選擇。
權(quán)利要求1.一種全匹配式高精度核子秤，由包括γ射線源(1)、秤體支架(2)、γ射線探測(cè)器(3)、速度傳感器(4)的傳感系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)(5)構(gòu)成，其特征在于所述的γ射線源(1)置于秤體支架(2)的上方；γ射線探測(cè)器(3)置于秤體支架(2)的下方；在γ射線源(1)和γ射線探測(cè)器(3)之間有運(yùn)載物料(8)的皮帶機(jī)(9)通過；所述核子秤傳感系統(tǒng)的γ射線源(1)的γ射線工作區(qū)與γ射線探測(cè)器(3)的接收窗口(7)相匹配并吻合；用于梳理物料分布狀態(tài)的導(dǎo)流裝置(10)安裝在物料進(jìn)入核子秤前的皮帶機(jī)(9)的上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核子秤，其特征在于所述的γ射線源(1)可為線源、點(diǎn)源或多點(diǎn)源構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核子秤，其特征在于所述的導(dǎo)流裝置(10)為定量管或?qū)Я鞑郏欢抗艿奈锪铣隹谛螤顬榫匦位蛱菪?，?dǎo)流槽的物料出口橫斷面形狀也為矩形或梯形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核子秤，其特征在于所述的核子秤秤體支架(2)由頂板(12)、兩側(cè)板(13)、前護(hù)板(14)、后護(hù)板(15)和底板(16)組成一個(gè)密封空間，該密封空間與外界隔絕，可調(diào)的兩個(gè)金屬射線遮擋板(17)裝于底板(16)的兩端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的和核子秤，其特征在于在探測(cè)器的外面包有外套(6)，在面向γ射線源(1)的一面開有長(zhǎng)方形接收窗口(7)，窗口(7)的寬度與γ射線探測(cè)器(3)的直徑相同，窗口(7)的尺寸與γ射線工作輻射區(qū)相匹配。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種全匹配式高精度核子秤，由包括γ射線源、秤體支架、γ射線探測(cè)器、速度傳感器的傳感系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)，所述的γ射線源置于秤體支架的上方；γ射線探測(cè)器置于秤體支架的下方；在γ射線源和γ射線探測(cè)器之間有運(yùn)載物料的皮帶機(jī)通過；所述核子秤傳感系統(tǒng)的γ射線源的γ射線工作區(qū)與γ射線探測(cè)器的接收窗口相匹配并吻合；用于梳理物料分布狀態(tài)的導(dǎo)流裝置安裝在物料進(jìn)入核子秤前的皮帶機(jī)的上方。該核子秤傳感系統(tǒng)與核子秤物理模型相匹配，核子秤數(shù)學(xué)模型與核子秤物理模相匹配，核子秤所稱物料分布與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體，消除了高溫潮濕物料對(duì)稱重精度的影響，使核子秤計(jì)量精度極大提高。
文檔編號(hào)G01G11/14GK2594774SQ0228872
公開日2003年12月24日 申請(qǐng)日期2002年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月2日
發(fā)明者陳鳴震, 陳三雄 申請(qǐng)人:北京清大科技股份有限公司