核子液位计检测器使用及故障分析

摘要：在简述核子液位计检测原理和构成的基础上,分析了该液位计在安装、使用时出现的故障并加以改造。

  随着科学技术的快速发展,仪表自动化测量技术也日益提高,为化工生产提供更多、更准确的参考数据,化工产品的质量也由于生产过程自动化水平的提高而得到保障。在化工生产过程中有很多测量仪表( 差压液位变送器,静压式液位计, 雷达、浮筒、激光液位计等) 不能用于高温、高压 ( 或超低压) 、介质粘稠、腐蚀、有毒、结晶、沉淀或挂料的设备上,而核子液位计不受化工生产中特殊特性的影响,是非接触液位测量中应用***广泛的一种,但作为一种测量设备也存在着使用和维护方面的问题,笔者就核子液位计在安装、使用过程中出现的故障进行了分析。

  根据核物理学中的比尔定律可知,γ 射线穿过物体后会严格按照e指数衰减,核子液位计以该理论为基础,用以测量容器内介质的物位( 即厚度)[1]。

  核子液位计的液位在DCS系统集中显示。 液位计由放射源、检测器、变送器( 电路转换部分) 组成。放射源采用Cs-137或Co-60两种放射性同位素之一,其作用就是发出 γ 射线; 检测器是核子液位计的关键部件,主要检测 γ 射线强度,光电倍增管( PMT) 是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件,射线在晶体内产生光闪烁, 光电倍增管将其转换为电脉冲输送到变送器内[2]; 变送器的作用是将检测到的 γ 射线强度通过电子线路转换成通用的标准信号传送到监控系统。

  生产过程中,设备内部温度将近几百度,虽然设备外壁经过保温处理,但保温外层处仍有温度向外辐射。用红外线测温仪测量设备外壁温度, 显示将近85 ~ 108℃,***高时达134℃。虽然炉壁与检测器外壁有100mm的距离,但在测量检测器外壁( 仅变送器头部) 时仍然有30 ~ 50℃,夏天高温时,甚至有40 ~ 55℃。2014年,在核子液位计日常检查过程中,发现现场某些设备上主、从检测器中闪烁体( 共4支) 发生弯曲变形,这些检测器从2011年投入使用至今已近三年半,热电厂家交付的使用说明中指出核子液位计主、从检测器中闪烁体晶体为PVT晶体,使用环境温度不能超过60℃ ,而闪烁体晶体连续三年多的时间在自身受限的高温区内运行,势必会产生弯曲变形,采用Thermo Measuretech model 9734 HHT的手操器对检测器进行检测,正常情况下平均计数率应为1 800CPS,但实测结果为11 000CPS以上,由此说明此检测器已无法接收射线并进行液位测量,处于损坏状态。

  如图1所示,探测器与设备支架的探测器本身***高温度在8月份,约为56℃; 较低温度在1月份,约为15℃,平均温度为36. 5℃。如图2所示, 探测器周围环境***高温度在8月份,约为134℃; 较低温度在1月份,约为78℃,平均温度 为102℃ 。

图1 探测器与设备支架的探测器本身温度

图2 探测器周围环境温度

  2014年10月中旬,笔者所在公司的洗涤塔和排渣罐中的核子液位计均出现液位波动较大及曲线不平稳等现象。经更换多套主板、放大板后仍不能排除此现象,将两检测器在未送电源的情况下解体检查,发现光电倍增管端面出现发乌现象。组装恢复后,通电检测,发现在安静的环境中出现不正常的啸叫噪声,且计数率大幅波动,稳定不下来。根据光电倍增管的原理结构分析,故障原因可能有两点。

  由于光电倍增管需要高压直流电源( 500 ~ 800V) 作为支持,且有洁净的24V电源为其供电 ( 图3) 。但在测量液位计现场供电电压时发现, 24V电源( + ) D端对F端地测量有8V,24V电源 ( – ) E端对F端地测量有16V,经查找落实,发现线路传输无故障,而是DCS盘后配电出现问题。 DCS盘后24V电源 ( – ) B端没有接共同接地铜排,而是直接输出24V电源( – ) ,造成24V电源 ( + ) A端和24电源( – ) B端对地都有电势值, 这种接法虽然可用,但接地端若有干扰就容易造成电压波动,会直接影响光电倍增管的供电,从而损坏阴、阳极器件,对于正常光电子的倍增收集影响很大,导致输出不稳定。

图3 原有电源供电方式

  在正常工作条件下,入射光强度过大或照射时间过长,均会使光电倍增管出现光电流衰减、灵敏度骤减的现象,这是由过大的光电流使电极升温导致光电发射材料蒸发过多而引起的。虽然在停歇一段时间后还可以全部或部分恢复,但光电倍增管灵敏度会逐步下降,即老化。过强的入射光会加速光电倍增管的老化损坏,光电倍增管端面发乌便是迹象之一。

  解决检测器闪烁体弯曲变形的方案有: 在核子液位计检测器能正常接收放射量的允许范围内,加大工艺设备壁与检测器外壁之间的距离,人为减少近距离热辐射; 在工艺设备壁与检测器外壁之间增加一定宽度和厚度的保温棉,减少热量对检测器的辐射; 在检测器外壁下部开孔,通入洁净、干燥的仪表压缩空气,对闪烁体进行冷却降温; 在检测器与炉壁的固定连接处加上绝缘隔热材料,避免部分热度从连接处进行传热; 在检测器外壁加上原厂家的水套,通上冷却水进行降温。

  解决核子液位计检测器光电倍增管损坏的关键是解决放大板卡的洁净供电问题,改善DCS盘后接电方式( 图4) ,使24V电源( + ) A端对24电源( – ) B端有24V电压差,24V电源( + ) A端对C端地有24V电压差,24V电源( – ) B端对C端地有0V电压差,且24V电压稳定无大的衰减到现场供电。这样在现场测量液位计供电电压时会有24V电源( + ) D端对F端地测量有24V,24V电源( – ) E端对F端地测量有0V。同时,对检测器旋紧封闭盖,将检测器可能有漏入气体的连接处进行密闭,工作状态下( 通电时) 避免闪烁体被强光照射,预防光电倍增管出现光电流衰减及灵敏度骤减等老化现象。

图4 改造后电源供电方式

  由于核子液位计需要长期处于连续运行的状态,设备的长周期运行,是安全持续生产的必要保障。通过以上损坏的闪烁体和光电倍增管故障分析,对核子液位计检测器的构成、原理、使用和故障判断有了新的认识,对如何避免故障的再次发生总结出了方法,通过改造,延长了检测器的使用寿命,保障了核子液位计的正常测量,为安全、平稳的化工生产奠定了基础。