核子液位計檢測器使用及故障分析
摘要：在簡述核子液位計檢測原理和構成的基礎上,分析了該液位計在安裝、使用時出現的故障并加以改造。
隨著科學技術的快速發展,儀表自動化測量技術也日益提高,為化工生產提供更多、更準確的參考數據,化工產品的質量也由于生產過程自動化水平的提高而得到保障。在化工生產過程中有很多測量儀表( 差壓液位變送器,靜壓式液位計, 雷達、浮筒、激光液位計等) 不能用于高溫、高壓 ( 或超低壓) 、介質粘稠、腐蝕、有毒、結晶、沉淀或掛料的設備上,而核子液位計不受化工生產中特殊特性的影響,是非接觸液位測量中應用***廣泛的一種,但作為一種測量設備也存在著使用和維護方面的問題,筆者就核子液位計在安裝、使用過程中出現的故障進行了分析。
1、核子液位計系統構成：
1.1、核子液位計檢測原理：
根據核物理學中的比爾定律可知,γ 射線穿過物體后會嚴格按照e指數衰減,核子液位計以該理論為基礎,用以測量容器內介質的物位( 即厚度)[1]。
1.2、核子液位計的構成：
核子液位計的液位在DCS系統集中顯示。 液位計由放射源、檢測器、變送器( 電路轉換部分) 組成。放射源采用Cs-137或Co-60兩種放射性同位素之一,其作用就是發出 γ 射線; 檢測器是核子液位計的關鍵部件,主要檢測 γ 射線強度,光電倍增管( PMT) 是一種具有極高靈敏度和超快時間響應的光探測器件,射線在晶體內產生光閃爍, 光電倍增管將其轉換為電脈沖輸送到變送器內[2]; 變送器的作用是將檢測到的 γ 射線強度通過電子線路轉換成通用的標準信號傳送到監控系統。
2、核子液位計檢測器的故障分析：
2.1、檢測器閃爍體彎曲：
生產過程中,設備內部溫度將近幾百度,雖然設備外壁經過保溫處理,但保溫外層處仍有溫度向外輻射。用紅外線測溫儀測量設備外壁溫度, 顯示將近85 ~ 108℃,***高時達134℃。雖然爐壁與檢測器外壁有100mm的距離,但在測量檢測器外壁( 僅變送器頭部) 時仍然有30 ~ 50℃,夏天高溫時,甚至有40 ~ 55℃。2014年,在核子液位計日常檢查過程中,發現現場某些設備上主、從檢測器中閃爍體( 共4支) 發生彎曲變形,這些檢測器從2011年投入使用至今已近三年半,熱電廠家交付的使用說明中指出核子液位計主、從檢測器中閃爍體晶體為PVT晶體,使用環境溫度不能超過60℃ ,而閃爍體晶體連續三年多的時間在自身受限的高溫區內運行,勢必會產生彎曲變形,采用Thermo Measuretech model 9734 HHT的手操器對檢測器進行檢測,正常情況下平均計數率應為1 800CPS,但實測結果為11 000CPS以上,由此說明此檢測器已無法接收射線并進行液位測量,處于損壞狀態。
如圖1所示,探測器與設備支架的探測器本身***高溫度在8月份,約為56℃; 較低溫度在1月份,約為15℃,平均溫度為36. 5℃。如圖2所示, 探測器周圍環境***高溫度在8月份,約為134℃; 較低溫度在1月份,約為78℃,平均溫度 為102℃ 。
圖1 探測器與設備支架的探測器本身溫度
圖2 探測器周圍環境溫度
2.2、核子液位計檢測器光電倍增管損壞：
2014年10月中旬,筆者所在公司的洗滌塔和排渣罐中的核子液位計均出現液位波動較大及曲線不平穩等現象。經更換多套主板、放大板后仍不能排除此現象,將兩檢測器在未送電源的情況下解體檢查,發現光電倍增管端面出現發烏現象。組裝恢復后,通電檢測,發現在安靜的環境中出現不正常的嘯叫噪聲,且計數率大幅波動,穩定不下來。根據光電倍增管的原理結構分析,故障原因可能有兩點。
2.2.1、電源配置：
由于光電倍增管需要高壓直流電源( 500 ~ 800V) 作為支持,且有潔凈的24V電源為其供電 ( 圖3) 。但在測量液位計現場供電電壓時發現, 24V電源( + ) D端對F端地測量有8V,24V電源 ( – ) E端對F端地測量有16V,經查找落實,發現線路傳輸無故障,而是DCS盤后配電出現問題。 DCS盤后24V電源 ( – ) B端沒有接共同接地銅排,而是直接輸出24V電源( – ) ,造成24V電源 ( + ) A端和24電源( – ) B端對地都有電勢值, 這種接法雖然可用,但接地端若有干擾就容易造成電壓波動,會直接影響光電倍增管的供電,從而損壞陰、陽極器件,對于正常光電子的倍增收集影響很大,導致輸出不穩定。
圖3 原有電源供電方式
2.2.2、光電倍增管元器件老化：
在正常工作條件下,入射光強度過大或照射時間過長,均會使光電倍增管出現光電流衰減、靈敏度驟減的現象,這是由過大的光電流使電極升溫導致光電發射材料蒸發過多而引起的。雖然在停歇一段時間后還可以全部或部分恢復,但光電倍增管靈敏度會逐步下降,即老化。過強的入射光會加速光電倍增管的老化損壞,光電倍增管端面發烏便是跡象之一。
3、解決方案：
3.1、檢測器閃爍體彎曲解決方案：
解決檢測器閃爍體彎曲變形的方案有: 在核子液位計檢測器能正常接收放射量的允許范圍內,加大工藝設備壁與檢測器外壁之間的距離,人為減少近距離熱輻射; 在工藝設備壁與檢測器外壁之間增加一定寬度和厚度的保溫棉,減少熱量對檢測器的輻射; 在檢測器外壁下部開孔,通入潔凈、干燥的儀表壓縮空氣,對閃爍體進行冷卻降溫; 在檢測器與爐壁的固定連接處加上絕緣隔熱材料,避免部分熱度從連接處進行傳熱; 在檢測器外壁加上原廠家的水套,通上冷卻水進行降溫。
3. 2、核子液位計檢測器光電倍增管損壞解決方案：
解決核子液位計檢測器光電倍增管損壞的關鍵是解決放大板卡的潔凈供電問題,改善DCS盤后接電方式( 圖4) ,使24V電源( + ) A端對24電源( – ) B端有24V電壓差,24V電源( + ) A端對C端地有24V電壓差,24V電源( – ) B端對C端地有0V電壓差,且24V電壓穩定無大的衰減到現場供電。這樣在現場測量液位計供電電壓時會有24V電源( + ) D端對F端地測量有24V,24V電源( – ) E端對F端地測量有0V。同時,對檢測器旋緊封閉蓋,將檢測器可能有漏入氣體的連接處進行密閉,工作狀態下( 通電時) 避免閃爍體被強光照射,預防光電倍增管出現光電流衰減及靈敏度驟減等老化現象。
圖4 改造后電源供電方式
4、結束語：
由于核子液位計需要長期處于連續運行的狀態,設備的長周期運行,是安全持續生產的必要保障。通過以上損壞的閃爍體和光電倍增管故障分析,對核子液位計檢測器的構成、原理、使用和故障判斷有了新的認識,對如何避免故障的再次發生總結出了方法,通過改造,延長了檢測器的使用壽命,保障了核子液位計的正常測量,為安全、平穩的化工生產奠定了基礎。