结构和部件(灰分仪)

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1、型在线式射线煤灰分仪说 明 书 之 四结 构 和 部 件清华大学工程物理系1996年9月目录1.可旋转C型探测器架 (1)1.1 NaI（）闪烁探头及放大器板1.2加热筒和探头恒温控制1.3放射源及其屏蔽准直铅罐1.4标准测块和扫灰装置2.现场仪表柜(5)2.1供电电器2.2现场用开关电源2.3定位控温和驱动电路板3.控制室仪表柜(6)3.1净化电源和插梢板3.2稳峰电路板、高压电路板和开关电源3.3 PC-486工控机3.4灰分仪专用计算机接口电路板3.5温度显示仪4.其他部件(9)4.1打印机及打印机桌4.2四位数字式灰分显示仪4.3各种电缆附图：结构组成和连接关系型在线式煤灰分仪包括C形

2、可旋转探测器架，现场仪表柜，控制室仪表柜三部分；每个部分又由多种部件组成，下面对各部件予以描述。前半部的说明实际上是对后面的结构组成和连接关系有关图表的详尽说明，请对照着阅读。1.可旋转C型探测器架这是煤灰分仪的传感器部分。上臂固定探头箱外壳，内有闪烁探头和恒温加热筒等；放射源屏蔽准直铅罐装在下臂上；下面动力箱内装有电动机，减速箱，齿轮箱，皮带轮等驱动C形架旋转的部件，动力箱中还装有两个反射式光耦，指示C形架是处于输煤皮带外的“校验”位置，还是处于皮带内的“测量”位置。无论是强电供给还是弱电信号，全部集中到方立柱上的接线箱中，使整个C形探测器架成为内部已安装，连线妥当的整体。 图 1 C形探测

3、器架简图1.1 NaI（）闪烁探头闪烁探头由NaI（）闪烁晶体，GDB44(或性能相当)的光电倍增管和专门设计的具有长距离传输功能的放大器组成。其外形为一85265的圆简。NaI（）晶体极易吸水潮解，且其中含有极毒的(铊)元素，所以晶体密封包装在有透光玻璃盖的铝盒中。晶体盒固定在圆筒前端。光电倍增管的管座和放大器板等与后盖组成一个整体，分三层，层间 有压簧，保证光电倍增管的端窗与NaI（）晶体盒的玻璃盖之间密切接触。后盖上有两个航空插座，其中大四芯座接光电倍增管高压，另一个小四芯座是引入电源供放大器 图 2 NaI（）晶体用，并引出脉冲信号的。透射过煤层的进入NaI（）晶体，与晶体中的原子发生

4、相互作用，产生次级电子，次级电子的能量与产生它的射线的能量有关。次级电子在晶体中损失能量时发闪烁光，闪烁光透过玻璃盖经光电倍增管端窗，进入光电倍增管。光电倍增管是能使极微弱的闪烁脉冲光变换成一定大小电信号的器件，其端窗内部是半透明的光阴极，光阴极的作用是把闪烁光转变为光电子，这些光电子被阴极与第一个联极(打那极)之间电场加速，在打向第一个联极时，具有足够能量，能从第一联极上产生更多个电子。以后，相似地在各联极之间都发生倍增，经过10个联极，最终到达阳极时，能得到倍增了上百万倍的电子数。所以，每一个在NaI（）晶体中发生了相互作用的光子，经上述过程，能在光电倍增管的阳极上产生一个电流脉冲，该电流

5、脉冲在阳极负载电阻上形成一个负极性的电压脉冲，经放大器放大后，传输到控制室仪表柜中的稳峰器输入端。从光子射入晶体发生相互作用，直到电压脉冲产生，每个中间过程是按比例的但都有涨落。所以电压脉冲的大小平均而言与发生作用的光子的能量成正比。例如s（662keV）光子因光电效应过程最后生成的电压脉冲平均幅度大约是241Am（60keV）光子脉冲幅度的11倍。由于涨落存在，近似呈高斯分布。闪烁探测器在正常条件下可以长期运行，而且为了工作稳定，希望能不断电，连续不间断工作。但应注意，在加有高压情况下，不许打开闪烁探头外壳见光，否则会损坏光电倍增管。1.2加热筒和探头箱恒温控制闪烁探测器的参数如倍增系数和分

6、辨率都与环境温度有关，为了灰分仪工作稳定，对闪烁探头实现恒温控制。图 3 光电倍增管和放大器板组装图闪烁探头筒装在铝做成的匀温筒中，匀温筒两边外侧有两条凹槽，一侧内装控温传感器和超温切断器，另一侧的凹槽用来插入温显传感器。匀温筒外面紧箍一个电加热圈。由控温传感器测得与匀温筒温度成比例的电信号，输给温控电路，决定电加热的通、断，以保持恒温。为了保护，电加热丝串接一个超温切断器，使得在恒温控制失灵时，仍能保证闪烁探头的温度不会超过超温切断器所设定的值。温显传感器信号传输至控制室仪表柜的温度显示仪，显示闪烁探头实际温度。1.3放射源及其屏蔽准直铅罐型煤灰分仪所用放射源为：放射源核素光子能量半衰期活度

7、241Am(镅241)60 keV485年3.7109BG（100毫居）137s（铯137）662 keV30年3.7108BG（10毫居）图 4放射源屏蔽准直铅罐放射源装在屏蔽准直铅罐内，铅罐一方面对射线起屏蔽、阻挡作用，另一方面限制射线使从准直孔成一圆锥形向上射出，穿过传送带上的煤，射向闪烁探头。铅罐的准直孔在安装时已对准闪烁探头的中心。铅罐上部的有准直孔的铅块是可以左右移动的，由此来开启或阻断射束。铅罐的侧板上有一推拉螺栓(M16)，设备在安装前，螺栓应处于顺时针拧到头的位置，这时准直孔与放射源错位，射束被阻断，即准直孔关闭。此时，从对面侧板的孔，在这块铅块上拧入一个短内六角螺栓，把它拉

8、紧固定。需要开启准直孔时，拧下短内六角螺栓，反时针方向把推拉螺栓拧出到极限位置，换一个长内六角螺栓，从对面侧板的孔拧在铅块上，把它拉紧固定，这时铅块上准直孔与射源对准，放射源罐开启。铅罐设计得足够安全，即使在准直孔开启情况下，离铅罐表面仅5cm处辐射剂量已低于国家规定的对公众剂量限值。离开铅罐1m处剂量接近本底水平，即只要避开射线孔上方，在C形探测器架附近，与其他工作场所一样，没有什么差别。所以安装完成后，放射源罐不必频繁开关，一直处于开启状态。除非长期不用时，应该关闭。推拉螺检位置可以指示放射源开关状态。开启时，螺栓伸出罐外，当它拧入罐内时，表示关闭。1.4标准测块和扫灰措施当C形探头架转到

9、与皮带平行的“校验”位置时，处于放射源铅罐和闪烁探头箱的中间的是一块标准测块，束透射标准测块到达闪烁探头。标准测块内部是一块石墨，四周是铝板，是一个不会改变的测量对象。煤灰分仪的各种参数不可避免会有慢变化。例如，所用放射源的半衰期虽然很长，但它的活度总是在不断衰减；光电倍增管总要老化。为了克服各种缓慢变化的影响，令煤灰分仪定时地转到“校验”位置，对标准测块作“校验测量”，由此校正煤灰分仪中参数，保证煤灰分仪长期稳定不变。为保证“校验测量”准确，采取了扫灰措施。扫灰器有一擦灰板，当C形架处于测量位置时，擦灰板盖在标准测块上挡灰，当转到校验位置时，擦灰板被顶开，露出标准测块。而且擦灰板在被顶开和返

10、回过程中，擦拭标准块表面。另外，有一胶皮刮灰板，当C形架在测量位置与校验位置之间转动时，胶皮将刮擦放射源铅罐表面，扫除煤灰。此外，通过对标准测块的灰分长期测量，提供了一个判断灰分仪工况是否正常的手段。输煤皮带停止运行时，C形架自动转到校验位置，测量标准测块灰分，所以除非皮带整天不停地连续运行，硬盘中总是会存储有标准测块的灰分可供查询。当灰分仪工作正常时，每天的标准测块灰分平均值应该基本相等，而且灰分值随时间的变化图应该是一条基本平坦的直线，只有因为计数统计涨落和其他偶然误差，围绕直线有涨落变化，而涨落一般不会超过0.4。所以，对灰分仪的工况怀疑时，例如发现灰分仪所测煤灰分与化验值偏离较大时，可

11、查看灰分仪所测标准测块的灰分，如果表明灰分仪本身工况是正常的，应考虑被测煤流的元素组成是否改变等其他原因。2现场仪表柜现场仪表柜安装在离C形架20-30厘米的旁边，安装与现场有关的电器。图 5现场仪表柜2.1供电电器柜中有三只空气开关和相应的三套保险丝盒。一只是三相开关，为驱动电机供电。两只单相开关，一只控制现场引入的单相220V,并配上两个插座，供现场安装、维护时临时用电；另一只控制从控制室仪表柜来的经净化后的220V，供灰分仪现场部分电器的用电。两个单相开关前各并接一个带有开关的照明灯，同时起到220V指标灯作用，照明时希望尽量用现场的220V，而不用“净化”的220V。2.2现场用开关电

12、源开关电源提供12V和5V三组电源，其中12V供闪烁探头内放大器用，5V供“定位、控温和驱动控制电路板”以及C形架动力箱内两只定位反射光耦用。2.3定位、控温和驱动控制电路板它把动力箱中两只定位光耦信号以电流环形式发送给计算机接口板；同时接收从接口板以电流环形式发送过来的驱动电动机的信号，并根据两只定位光耦所提供的C形探测器架所处位置信息，做作出判断后，通过可控硅接通两个交流接触器中的一个，令电动机正转或反转，交流接触器甲和交流接触器乙互锁。驱动板上还有两只常开按扭开关，用来“手动”地使C形探测器架旋转，一个按扭是令探测器架从“校验”位置转间“工作”位置，按下另一个则相反。转动过程中，需持续按

13、住，待旋转到位时自动停止。如果转动过程中放开按扭，则架子将立即停止转动。但此后计算机将根据自己的逻辑判断，自动地让探测器架转到应该停的位置上。所以“手动”驱动是在电气安装刚完成，而灰分仪未正式运行前，检查三相电相序是否合适，光耦定位是否合宜等各种试验用的。驱动板上还有一个温控电路，温控传感器测得的反映闪烁探头温度的电平，在温控电路中与设定值比较，如果低于设定值，则令给加热圈供电的可控硅导通；高于设定值，断开，由此使闪烁探头恒温在设定温度附近。3 控制室仪表柜3.1净化电源和插梢板工业现场的电气设备和仪表种类繁多，开动时可能会在电网中产生各种干扰信号。为此，控制室仪表柜中安装一个净化电源，其输出

14、接在一个专用插梢板上。除了电机用的三相电，灰分仪的全部用电都由净化电源供给，现场仪表柜的用电，也用长电缆从控制室仪表柜中插梢板引过去，由净化电源供给。净化电源的输入用220V的火线和零线两条线，不与工厂其他设备的地线相接。净化电源的地线与仪表柜外壳相联，作可靠的接地。3.2稳峰电路板、高压电路板和开关电源闪烁探头中放大器输出的脉冲，传输到稳峰电路板的输入端，由其中双道分析器按幅度分别甄别出241Am和137s的脉冲，改造成形状规则的脉冲，分两路输向计算机专用接口板电路，作计数测量。由于灰分仪对脉冲幅度稳定性要求非常高，为此设计了灰分仪专用的单片机化脉冲幅度稳定器，以软件监测脉冲谱的s峰位置，根

15、据它可能产生的偏离，自动微调供给闪烁探头中光电倍增管的高压，保持s峰稳定不变。通过这种反馈调节方法，能克服因环境温度变化、光电倍增管的老化和慢漂移及放大器和高压电源的元件老化等各种因素影响，保证脉冲幅度稳定。为给稳峰电路板和高压电路板供电，控制室仪表柜中也安装一个12V和V的开关电源。3.3486工控机煤灰分仪要求连续不间断工作，所以选用研华-工业控制机作为配套，硬件主要配置如下：CPU 486Dx/66内存 硬盘 270软驱 显示缓存 512显示器 14 0.28键盘 101键机箱 IPC-610 工控机主机图CPU速度足以满足灰分仪的需要。灰分仪测量结果以“每一分钟灰分值”形式存在硬盘中，

16、配置的硬盘容量足以存储几年时间内的测量结果。3.4灰分仪专用计算机接口板专用接口板插在计算机一个插槽内。在计算机的煤灰分测量程序ASHEXE控制下，实现以下功能：(1) 对由稳峰电路鉴别出来的241Am和137s的两道脉冲，作定时计数。ASHEXE将根据两道计数计算灰分。(2) 与现场仪表柜中的驱动控制电路联络，通过它，得到C形架的位置信息，在“工作”位置，还是在“校验”位置，或者正在转动中。同时，计算机通过它能给驱动控制电路发出信号，令C形探测器架从一个位置转问另一个位置。(3) 接收反映输煤皮带是否在运转的开停信号，灰分测量程序ASHEXE将做出反应。例如，自动运行方式下，一旦开停信号表明

17、皮带停止，则ASHEXE立即给驱动控制电路发信号，令C形探测器架转问“校验”位置，到位后进行标准块的灰分测量。(4) 接口板上有4路4-20 工业标准恒流输出电路，作为煤灰分的模拟量输出电路，供自动控制和显示用。模拟量可以反映“累计灰分值”、每分钟一改变的“滚动灰分值”、“10分钟灰分值”，可以任意选定。(5) 接口板上备有监测电路（watch dog），当计算机因各种原因停止工作时，能自动重新启动投入工作(相当计算机的热启动)。(6) 接口板上固定一个9芯和一个25芯方插座，道和s道输入信号和输煤皮带开停信号通过9芯座输入，其他与驱动控制板有关的C形架位置信号和驱动信号，以及20输出均经由2

18、5芯座。3.5温度显示仪由闪烁探头箱中温度显示传感器测得的信号，传输到温度显示仪，显示闪烁探头实际温度。仪表具有温控功能，但这里只用作显示，控制由现场仪表柜中温控电路完成，控制温度更加准确。4.其他部件型在线式煤灰分仪除了装在C形可旋转探测器架，现场仪表，控制室仪表柜中的部件外，还有其他一些部件。4.1打印机及打印机桌(选用件)采用EPSON系列的宽行打印机，自动化程度高。凡是在监示器屏上显示的查询结果，除了图形，全部可以打印出来。打印机放在控制室仪表柜旁边专用小桌上，必须由仪表柜中插梢板供电。4.2四位数字式灰分显示仪(选用件)把反映煤灰分的20模拟量，输到数字式灰分显示仪，由它把电流信号转

19、换为数字信号，由四个2.5英寸的LED显示出来。通过计算机软件的菜单选定，可以用它显示“累计灰分”，每分钟变化一次的“滚动灰分”或“10分钟灰分”。 图 7数字式煤灰分显示仪4.3各种电缆型在线式煤灰分仪共有长短32条电缆。C形架内部电缆都已接妥，自成一个整体。安装时需从接线箱中接线排连接8条长约3的电缆到现场仪表柜。从现场仪表柜到控制室挂壁接线箱之间要铺设4条(根据厂方要求可增加两条备份电缆)长约200的电缆，并要求穿2英寸铁管。控制室挂壁箱与仪表柜之间有5条长约3的电缆。其他控制室仪表柜内部，以及打印机和数字式灰分显示仪有一些电源电缆(详细参看构成部件和连接关系的表)。另外，输到现场仪表柜的380V三相四线电缆，220V的单相双线电缆，控制室的单相双线电缆，输煤皮带的开仃信号电缆，教字式灰分显示仪的双线电缆共5条电缆，都是没有什么特殊要求的普通电缆，其长度与厂方原有布局有关，要求厂方根据实际安装位置提供。