專利名稱：全匹配式提高核子秤精度的方法及使用該方法制造的核子秤的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于射線檢測技術領域，涉及一種測量物料質量或者重量的方法，尤其涉及一種全匹配式提高核子秤精度的方法及使用該方法地核子秤。
背景技術：
核子秤是利用γ射線穿過物質發(fā)生衰減的原理而制成的一種動態(tài)散裝物料計控設備。
國內外市場銷售的核子秤，無一例外的都是由γ射線源、秤體支架、γ射線探測器、速度傳感器以及二次儀表等組成。當傳送裝置的輸送帶在核子秤的γ射線源和γ射線探測器之間通過時，一部分γ射線被物料吸收，一部分γ射線穿過物料進入γ射線探測器，物料越厚(多)被物料吸收的γ射線越多，而進入γ射線探測器的γ射線就越少。因此，γ射線探測器輸出信號的強弱，可反映出物料的厚薄(多少)。
該過程根據(jù)γ射線衰減定律，有如下表達式
U＝U0e-μd……………………………………(1)
式中U0-核子秤無物料通過時，γ射線探測器輸出信號；
U-核子秤有物料通過時，γ射線探測器輸出信號；
μ-γ射線吸收系數(shù)；
d-物料厚度；
由方程式(1)可計算出物料厚度d，
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，可計算出單位皮帶長度上的物料負荷F，
F＝d×l×ρ …………………………………(3)
F＝K0q ………………………………………(4)
K0＝lρ/μ＝常數(shù)……………………………(5)
根據(jù)皮帶速度υ和物料負荷F，可計算出通過核子秤秤體的物料流量P，
P＝F·υ………………………………………(6)
在t1-t2時間內，流經(jīng)核子秤秤體的物料總重量W為，
核子秤稱重的關鍵參數(shù)是負荷F，方程式(4)和(5)是現(xiàn)有核子秤普遍采用的數(shù)學模型，從該模型確立的理論根據(jù)可知，它既將射線場定位在平行束上，也忽略了散射光子的影響。
實際上，核子秤大多采用點狀放射源，而γ射線探測器又總是工作在近場。因此，γ射線是球面輻射，即扇形束，而非平行束。同時，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射線探測器總是處在一個相當強的γ射線散射場中，因此，核子秤計量中，散射光子的影響是不可忽略的，中國專利CN1011912B在其公開的數(shù)學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定位在平行束上。
中國專利CN2397481Y公開了使用接近平行γ射線束的長線性放射源，其數(shù)學模型并沒有進一步的匹配，這也影響了核子秤稱量精度的提高。
中國專利CN2444235Y公開了一種多點源核子秤，其物理模型并沒有進一步的匹配，制約了核子秤稱量精度的提高。
其上所述方案，其物理、數(shù)學模型是粗糙的，必然帶有較大的模型近似誤差。

發(fā)明內容
已有的技術中，僅僅是對r射場的考慮，并不斷的改進，但是核子秤r射線場物理模型與數(shù)學模型的匹配，是影響核子秤測量精度的重要因素之一，本發(fā)明的目的是要克服現(xiàn)有核子秤技術中的問題，提出一種全匹配式提高核子秤測量精度的方法，其核心思想是根據(jù)r射線場選擇匹配數(shù)學模型，以達到數(shù)學模型和物理模型的最佳匹配，以及使用該方法制造的核子秤，以實現(xiàn)對所稱物料的高精度計量。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術方案一種全匹配式提高核子秤測量精度的方法，其包括以下步驟
(1)將被測物料由傳送裝置通過一相向設置的γ射線源和r射線探測器；
(2)由傳感系統(tǒng)(一次儀表)測出無物料時γ射線探測器的輸出電壓為Uo，有物料時射線探測器的輸出電壓為U；
(3)測出物料經(jīng)過γ射線工作區(qū)時的速度V；
(4)并對上述測得值由信號處理系統(tǒng)(二次儀表)進行數(shù)據(jù)處理輸出結果；
并且
所述核子秤的信號處理系統(tǒng)的核子秤數(shù)學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；
通過一相向設置的γ射線源和γ射線探測器中γ射線工作區(qū)的被測物料的分布與核子秤物理模型相匹配。
區(qū)分平行寬束輻射場和扇形寬束輻射場的不同物理模型時，對其所用的數(shù)學模型的影響
(3)當γ射線輻射場在其工作區(qū)為平行寬束的如上所述物理模型時，其如上所述數(shù)學模型為
F＝Kq
其中F-物料負荷；
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、厚度、γ射線源準直孔形狀、γ射線探測器特性等有關；
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是通過實物標定確定的，標定程序為
(1)、依負荷大小標定出F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n+1各負荷點相對應的稱重系數(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kn從而得出數(shù)學模型。
(4)當γ射線輻射場在其工作區(qū)為扇形寬束的如上所述的物理模型時，其如上所述的數(shù)學模型為
F＝Kq
其中F-物料負荷；
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、厚度、γ射線源準直孔形狀、γ射線探測器特性等有關；
K0-常數(shù)；
C-常數(shù)。
所述是用折線方程K＝bn+hnq來擬合的。擬合方程參數(shù)截距bn和斜率kn是通過實物標定確定的，標定程序是
(1)、依負荷大小標定出F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n+1各負荷點相對應的稱重系數(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kn
從而得出數(shù)學模型。
一種根據(jù)上述測量方法制成的全匹配高精度核子秤，包括秤體支架、γ射線源、物料傳輸裝置、γ射線探測器、速度傳感器、傳感系統(tǒng)(一次儀表)和信號處理系統(tǒng)(二次儀表)所組成，γ射線源置于秤體支架的上方，γ射線探測器置于秤體支架的下方，在γ射線源和γ射線探測器之間有運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射線探測器的接收窗口相匹配并吻合。
在物料進入核子秤前的物料傳輸裝置皮帶機的上方有一導流裝置；
在γ射線探測器的外表面有防止γ射線散射光子進入探測器的金屬外套。
所述導流裝置可為定量管或導流槽，定量管的物料出口形狀為矩形或梯形；導流槽的橫斷面形狀也為矩形或梯形。
所述γ射線探測器外包有一個防γ射線散射光子的金屬外套，所述金屬外套可為鉛質或鋼質，該外套面向γ射線源的一面開有長方形窗口，γ射線源發(fā)出的γ射線通過該窗口進入γ探測器內，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、兩側板、前后護板和底板組成一個密封空間，頂板、側板、護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可調的金屬射線遮擋板，γ射線源射向γ探測器的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；所述核子秤的信號處理系統(tǒng)的核子秤數(shù)學模型與核子秤物理模型相匹配；所述的皮帶機上的物料分布與核子秤物理模型相匹配。
本發(fā)明采用的γ射線探測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)內的γ射線通過物料及γ射線探測器的接收窗口進入γ射線探測器，從而實現(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r射線場下的物理模型要求不同的物料分布相匹配。本發(fā)明在物料進入核子秤前的皮帶上方，安裝了導流裝置。該導流裝置可以是定量管，也可以是導流槽，對于γ射線場為平行寬束物理模型下，導流裝置梳理出來的物料分布的最佳橫截面為矩形，對于r射線場為扇形寬束物理模型下，導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射線場物理模型對應不同的核子秤數(shù)學模型，本發(fā)明提供
1、當核子秤采用線狀γ射線源的尺度大于γ射線探測器的線長度時，γ射線輻射場可視為平行寬束物理模型，其最佳匹配數(shù)學模型是
F＝Kq…………………………………………………(8)
式中K-稱重系數(shù)
B-積累因子，和γ射線光子能量、物料性質、厚度、γ射線源準直孔形狀、γ射線探測器特性等有關。
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，在實際應用中可用折線方程
K＝bn+knq………………………………………(10)
來擬合。
式中bn-截距
kn-斜率。
2、當核子秤采用點狀γ射線源時，γ射線輻射場可視為扇形寬束物理模型，其最佳匹配數(shù)學模型為
…………………………………………(11)
F＝Kq
或K＝K′-K′cq…………………………………………(12)
式中K′＝K0(1+1nB/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，在實際應用中可用折線方程
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、當射線在工作區(qū)域為平行寬束形狀時K＝bn+knq
其步驟如下(1)首先實物標定按負荷大小依次確定不同負荷F下，對應的厚度因子q及稱重系數(shù)K值。如表1所示。(2)參數(shù)計算利用直線方程確定各折線段方程參數(shù)。通過線性內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.當射線在工作區(qū)域為扇形寬束形狀時K＝bn+knq
其步驟如下
(1)首先實物標定按負荷大小依次確定不同負荷F下，對應的厚度因子q及稱重系數(shù)K值。如表3所示。
(2)參數(shù)計算利用直線方程確定各折線段方程參數(shù)。通過線性內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
本發(fā)明的核子秤所采用的γ射線探測器外包有一個防γ射線散射光子的鉛質或鋼質外套，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方形窗口，γ射線源發(fā)出的γ射線通過該窗口被γ探測器接收，窗口的尺寸與γ射線工作輻射區(qū)一致。從而進一步保證核子秤傳感系統(tǒng)與核子秤物理模型相匹配。
本發(fā)明的核子秤秤體支架由頂板、兩側板、前后護板和底板組成一個密封空間，頂板、側板、護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可調的金屬射線遮擋板，γ射線源射向γ射線探測器的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，此遮擋板以及秤體支架的前后護板遮擋了γ射線工作區(qū)以外的γ射線不能進入γ射線接收傳感器附近，從而大大減少了γ射線散射光子對核子秤計量精度的影響。同時，該種秤體支架由于密封，也極大減少了高濕物料、潮氣對核子秤計量精度的影響。
本發(fā)明的要點是提出全匹配核子秤的物理模型、數(shù)學模型、物料分布模型及其核子秤的結構和測量使用方法。
本發(fā)明的主要優(yōu)點在于全匹配的核子秤計量精度高，適用的流量變化范圍大，對于高溫潮濕物料仍能進行精確計量。


下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明
圖1為本發(fā)明采用定量管的核子秤結構示意圖2為采用導流裝置的核子秤示意圖3為核子秤傳感系統(tǒng)的正視圖4為圖3的A-A剖面圖5為扇形寬束模型下的稱重系數(shù)K與厚度因子q的函數(shù)關系曲線；
圖6為平行寬束模型下的稱重系數(shù)K與厚度因子q的函數(shù)關系曲線；最佳實施方案
下面通過具體實施例對本發(fā)明進一步描述
如圖1所示，該核子秤主要由γ射線源1、秤體支架2、γ射線探測器3、速度傳感器4、信號處理系統(tǒng)(二次儀表)5等組成。γ射線源1可為線源、點源或多點源構成，它置于秤體支架2的上方，γ射線探測器3置于秤體支架2的下方，在探測器3的外面包有外套6，該外套為鉛質或鋼質。在面向γ射線源的一面開有長方形窗口7，此窗口的寬度與γ射線探測器的直徑相同，也即窗口的尺寸與γ射線工作輻射區(qū)相匹配。同時該外套也大大阻止了γ射線散射光子進入到γ射線探測器3內，使核子秤計量更加穩(wěn)定精確。在γ射線源和γ射線探測器之間有運載物料8的皮帶機9通過，定量管(導流裝置)10安裝在物料進入核子秤前的皮帶機9的上方，物料由定量管(導流裝置)10上方的口進入到皮帶機，根據(jù)定量管出口的形狀(矩形或梯形)使物料按矩形或梯形分布進入核子秤。
圖2是導流裝置為導流槽結構的實施例。導流槽11使進入核子秤前的物料按矩形或梯形分布，從而實現(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，從該實施例中看出，核子秤秤體支架為全密封。它由頂板12、兩側板13、前護板14后護板15和底板16組成一個密封空間，該密封空間與外界隔絕，可調的兩個金屬射線遮擋板17裝于底板16的兩端，γ射線源射向γ探測器3的γ射線束在兩個遮擋板17之間通過，該γ射線束的工作區(qū)寬度與γ射線探測器靈敏區(qū)的長度相一致，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，通過實物標定確定，以扇形束核子秤為例。四折線方程通過五組標定數(shù)據(jù)來確定。實例如下
(1)先以小負荷F1＝3.010Kg/m進行標定。得到稱重系數(shù)K1＝24.82Kg/m和厚度因子q1＝0.1212之后，依次加大負荷F，分別在負荷F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5下進行標定，取得與之對應的稱重系數(shù)K2，K3，K4，K5和厚度因子q2，q3，q4，q5，見表5。
(2)根據(jù)標定參數(shù)求出折線方程系數(shù)bn和kn，見表6。表5
表6
本發(fā)明所述的核子秤適用范圍廣，對于高溫高濕的物料、物料流量變化大的場合均可進行高精度計量。它使核子秤的計量精度從現(xiàn)有的1.0級、0.5級提高到0.25級。該種核子秤是貿易結算的最佳選擇。
權利要求
1.一種全匹配式提高核子秤測量精度的方法，其方法包括以下步驟
(1)將被測物料由傳送裝置通過一相向設置的γ射線源和γ射線探測器；
(2)由傳感系統(tǒng)(一次儀表)測出無物料時γ射線探測器的輸出電壓為Uo，有物料時射線探測器的輸出電壓為U；
(3)測出物料經(jīng)過γ射線工作區(qū)時的速度V；
(4)并對上述測得值由信號處理系統(tǒng)(二次儀表)進行數(shù)據(jù)處理并輸出結果；
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于
(1)當γ射線輻射場在其工作區(qū)為平行寬束的如上所述物理模型時，其如上所述數(shù)學模型為
F＝Kq
其中F-物料負荷；
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、厚度、γ射線源準直孔形狀、γ射線探測器特性有關；
K0-常數(shù)；
(2)當γ射線輻射場在其工作區(qū)為扇形寬束的如上所述的物理模型時，其如上所述的數(shù)學模型為
F＝Kq
其中F-物料負荷；
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、厚度、γ射線源準直孔形狀、γ射線探測器特性有關；
K0-常數(shù)；
C-常數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，γ射線場為平行寬束物理模型時的數(shù)學模型，其特征在于
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是通過實物標定確定的，標定程序為
(1)依負荷大小標定出F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n+1各負荷點相對應的稱重系數(shù)K1，K2，…，Kn+1及厚度因子q1，q2，Λ，qn+1；
(2)根據(jù)上述(1)中標定出的各參數(shù)，按直線方程確定各折線段的截距bn和斜率kn
從而得出數(shù)學模型。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，γ射線場為扇形寬束物理模型時的數(shù)學模型，其特征在于
所述是用折線方程K＝bn+knq來擬合的。擬合方程參數(shù)截距bn和斜率kn是通過實物標定確定的，標定程序是
(1)依負荷大小標定出F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n+1各負荷點相對應的稱重系數(shù)K1，K2，…，Kn+1及厚度因子q1，q2，….，qn+1；
(2)根據(jù)上面(1)中標定出的各參數(shù)，按直線方程確定各折線段的截距bn和斜率kn
從而得出數(shù)學模型。
5.一種根據(jù)權利要求1所述方法制成的全匹配高精度核子秤，包括秤體支架、γ射線源、物料傳輸裝置、γ射線探測器、速度傳感器所組成的傳感系統(tǒng)(一次儀表)和信號處理系統(tǒng)(二次儀表)所組成，γ射線源置于秤體支架的上方，γ射線探測器置于秤體支架的下方，在γ射線源和γ射線探測器之間有運載物料的傳輸裝置通過，
其特征是
所述核子秤的信號處理系統(tǒng)的核子秤數(shù)學模型與核子秤物理模型相匹配，核子秤傳感系統(tǒng)的γ射線源的γ射線工作區(qū)與γ射線探測器的接收窗口相匹配并吻合，物料輸送裝置上的物料形狀與核子稱物理模型相匹配。
6.根據(jù)權利要求5所述的核子秤，其特征在于
在物料進入核子秤前的物料傳輸裝置的上方有一導流裝置；
在γ射線探測器的外表面有防止γ射線散射光子進入探測器的金屬外套。
該導流裝置可為定量管或導流槽，定量管的物料出口形狀為矩形或梯形；導流槽的橫斷面形狀也為矩形或梯形。
7.一種根據(jù)權利要求5所述的測量方法制成的全匹配高精度核子秤，包括秤體支架、γ射線源、物料傳輸裝置、γ射線探測器、速度傳感器所組成的傳感系統(tǒng)(一次儀表)和信號處理系統(tǒng)(二次儀表)所組成，γ射線源置于秤體支架的上方，γ射線探測器置于秤體支架的下方，在γ射線源和γ射線探測器之間有運載物料的傳輸裝置通過，其特征是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射線探測器的接收窗口相匹配并吻合；
在物料進入核子秤前的物料傳輸裝置皮帶機的上方有一導流裝置；該導流裝置可為定量管或導流槽，定量管的物料出口形狀為矩形或梯形；導流槽的橫斷面形狀也為矩形或梯形；
在γ射線探測器的外表面有防止γ射線散射光子進入探測器的金屬外套。
8.根據(jù)權利要求5所述的測量方法制得的全匹配高精度核子秤，其特征是所述γ射線探測器外包有一個防γ射線散射光子的金屬外套，所述金屬外套可為鉛質或鋼質，該外套面向γ射線源的一面開有長方形窗口，γ射線源發(fā)出的γ射線通過該窗口進入γ探測器內，窗口的尺寸與γ射線工作輻射區(qū)相匹配。
所述核子秤的信號處理系統(tǒng)的核子秤數(shù)學模型于核子秤物理模型為最佳匹配；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射線探測器的接收所述窗口相匹配并吻合。
9.根據(jù)權利要求4所述的測量方法制成的全匹配高精度核子秤，包括秤體支架、γ射線源、物料傳輸裝置、γ射線探測器、速度傳感器所組成的傳感系統(tǒng)(一次儀表)和信號處理系統(tǒng)(二次儀表)所組成，γ射線源置于秤體支架的上方，γ射線探測器置于秤體支架的下方，在γ射線源和γ射線探測器之間有運載物料的傳輸裝置通過，
其特征在于所述γ射線探測器外包有一個防γ射線散射光子的金屬外套，所述金屬外套可為鉛質或鋼質，該外套面向γ射線源的一面開有長方形窗口，γ射線源發(fā)出的γ射線通過該窗口進入γ探測器內，窗口的尺寸與γ射線工作輻射區(qū)相匹配。
在物料進入核子秤前的物料傳輸裝置皮帶機的上方有一導流裝置；該導流裝置可為定量管或導流槽，定量管的物料出口形狀為矩形或梯形；導流槽的橫斷面形狀也為矩形或梯形；
所述傳感系統(tǒng)中的秤體支架由頂板、兩側板、前后護板和底板組成一個密封空間，頂板、側板、護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可調的金屬射線遮擋板，γ射線源射向γ探測器的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。
所述的電離室是將電離室的靈敏區(qū)與前置放大器區(qū)分別進行恒溫控制，或整體恒溫控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高精度核子秤，公開了核子秤傳感系統(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稱重精度的影響，使核子秤計量精度極大提高。
文檔編號G01G9/00GK1419109SQ0215393
公開日2003年5月21日 申請日期2002年12月6日 優(yōu)先權日2002年7月2日
發(fā)明者陳鳴震, 陳三雄 申請人:北京清大科技股份有限公司