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(gòu)成的基礎(chǔ)上,分析了該液位計在安裝、使用時出現(xiàn)的故障并加以改造。
隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展,儀表自動化測量技術(shù)也日益提高,為化工生產(chǎn)提供更多、更準確的參考數(shù)據(jù),化工產(chǎn)品的質(zhì)量也由于生產(chǎn)過程自動化水平的提高而得到保障。在化工生產(chǎn)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(zhì)粘稠、腐蝕、有毒、結(jié)晶、沉淀或掛料的設(shè)備上,而核子液位計不受化工生產(chǎn)中特殊特性的影響,是非接觸液位測量中應(yīng)用***廣泛的一種,但作為一種測量設(shè)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(xiàn)的故障進行了分析。
1、核子液位計系統(tǒng)構(gòu)成：
1.1、核子液位計檢測原理：
根據(jù)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(shù)衰減,核子液位計以該理論為基礎(chǔ),用以測量容器內(nèi)介質(zhì)的物位( 即厚度)[1]。
1.2、核子液位計的構(gòu)成：
核子液位計的液位在DCS系統(tǒng)集中顯示。 液位計由放射源、檢測器、變送器( 電路轉(zhuǎn)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(fā)出 γ 射線; 檢測器是核子液位計的關(guān)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(yīng)的光探測器件,射線在晶體內(nèi)產(chǎn)生光閃爍, 光電倍增管將其轉(zhuǎn)換為電脈沖輸送到變送器內(nèi)[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(zhuǎn)換成通用的標準信號傳送到監(jiān)控系統(tǒng)。
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(chǎn)過程中,設(shè)備內(nèi)部溫度將近幾百度,雖然設(shè)備外壁經(jīng)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(shè)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(fā)現(xiàn)現(xiàn)場某些設(shè)備上主、從檢測器中閃爍體( 共4支) 發(fā)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(huán)境溫度不能超過60℃ ,而閃爍體晶體連續(xù)三年多的時間在自身受限的高溫區(qū)內(nèi)運行,勢必會產(chǎn)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(shù)率應(yīng)為1 800CPS,但實測結(jié)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(tài)。
如圖1所示,探測器與設(shè)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(huán)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(shè)備支架的探測器本身溫度
圖2 探測器周圍環(huán)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(xiàn)液位波動較大及曲線不平穩(wěn)等現(xiàn)象。經(jīng)更換多套主板、放大板后仍不能排除此現(xiàn)象,將兩檢測器在未送電源的情況下解體檢查,發(fā)現(xiàn)光電倍增管端面出現(xiàn)發(fā)烏現(xiàn)象。組裝恢復后,通電檢測,發(fā)現(xiàn)在安靜的環(huán)境中出現(xiàn)不正常的嘯叫噪聲,且計數(shù)率大幅波動,穩(wěn)定不下來。根據(jù)光電倍增管的原理結(jié)構(gòu)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(xiàn)場供電電壓時發(fā)現(xiàn), 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(jīng)查找落實,發(fā)現(xiàn)線路傳輸無故障,而是DCS盤后配電出現(xiàn)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(wěn)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(xiàn)光電流衰減、靈敏度驟減的現(xiàn)象,這是由過大的光電流使電極升溫導致光電發(fā)射材料蒸發(fā)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(fā)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(nèi),加大工藝設(shè)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(shè)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(guān)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(wěn)定無大的衰減到現(xiàn)場供電。這樣在現(xiàn)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(tài)下( 通電時) 避免閃爍體被強光照射,預防光電倍增管出現(xiàn)光電流衰減及靈敏度驟減等老化現(xiàn)象。
圖4 改造后電源供電方式
4、結(jié)束語：
由于核子液位計需要長期處于連續(xù)運行的狀態(tài),設(shè)備的長周期運行,是安全持續(xù)生產(chǎn)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(gòu)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(fā)生總結(jié)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(wěn)的化工生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。