X射线称重原理与实现方法

田 冰

（丹东弘元科技有限公司，辽宁 丹东118000）

X射线从发现至今无论是在近代物理理论方面或是工业控制上都得到了广泛应用，特别是在医学和无损探伤领域内的应用尤为显著。本系统的设计使X射线应用技术在称重领域有了开创性的应用，颇具深义。

在配料系统中，放射源在使用、运输、管理及处理上很不方便。虽然波长短的伽玛射线穿透能力强，但波长长的X射线容易被物质吸收且强度可控。因此，根据X射线更易被被测物料吸收、灵敏度较伽玛射线源高的特点，本文利用X射线穿透被测物体时被吸收而减弱的物理学原理，设计了一种适用于轻质物料测量的X射线秤。由于X射线秤产生的射线强度可控，对物料适应性强，应用范围广，在现有专利数据库中未检索到相关专利，具有独创性、实用性和安全性，同时外观兼具新颖性和美观性。相比于其他放射源，X射线秤在运输和使用中都是有益的。由于X射线的产生可控，利于作业人员巡检及维修时的防护，可以将射线对作业人员的损伤降低到最小。同时，现有的带放射源核子秤由于粒子能量过高，在穿透轻质物料时被物料吸收而造成的强度减弱是很小的，故对于烟丝、塑料等轻质量的物料无法精确计量，对物料质量多少的反应也不灵敏，这是由于原子序数越低，康普顿散射越灵敏。而使用X射线入射光子与原子外层轨道中结合松弛的电子相遇，该电子因碰撞反冲而离开原子，并带走了一部分光子能量，使光发生偏转或能量降低。原子序数越小，其轨道电子的结合力越小，发生康普顿散射几率越大。当然康普顿散射还与入射X光子能量、入射X光子和物料表面之间的夹角等有关系。

1 物理学原理

X射线秤设计的基本物理学原理如下：X射线是高速电子撞击物质（原子核）所产生的高频短波长的电磁波。X射线能量决定了其穿透能力，原则上高压发生器电压越高，电子在电场加速后的能量越大，故穿透能力越强，工业规定其适用范围为“厚度2～250mm，材质为碳素钢、低合金钢、奥氏体不锈钢、镍及镍基合金”。X射线发生器在稳定状态下发射恒定强度的X射线。X射线穿过传送皮带上的被测物料后，由于被测物料的吸收作用，其射线强度将会减弱，该减弱关系在一定范围内符合指数衰减规律，

式中，I0为穿透物质前X射线的强度；Ii为穿透物质后X射线的强度；um为物质的质量衰减系数；ρ为物质的密度；d为物质的厚度；B为散射因子。由式（1）可得

式中，K和C为被测物料的吸收系数通过实验来确定。

由于被测物料密度已知，故X射线强度衰减正比于X射线穿过的被测物料体积，有

即强度为I0的X光，透过被测物料后，强度变为Ii，V为被测物料的体积，从而可得出被测物料质量M，其中影响散射因子B的因素较多，如X射线的能量、屏蔽物质的原子序数、被测物体的厚度、测量环境和探测器的检测效率等。对于同一种被测物质，K和C为常数，可通过实验来确定。

在探测器上，衰减后的X射线由于与萤石片探测器物质发生光电效应和康普顿散射结果产生次级电子。次级电子又与物质继续作用，损失能量，使物质分子激发处于激发态。激发态分子退激时发出荧光光子，荧光光子打在光电倍增管上产生光电子，电子经倍增后在阳极上产生电压信号，电压信号经变送装置进入主机，同时测速传感器也把信号送入主机，经主机计算分析，即可得出单位时间内的被测物料的质量，并通过上位机组态软件在主机上显示、记录，保存。总之，利用变送器将探测器及光电倍增管输出电压信号及测速传感器输出的电压信号通过主机采集卡进行采集得到数字信号，由主机完成载荷线性化，将载荷和速度相乘得到瞬时质量，再对时间积分即可得到被测物料总质量。

2 工程系统的实现方法

本系统由X射线发生器、X射线探测器、高压发生器、X射线管冷却装置、信号变送装置、测速传感器及主机装置构成。其机械结构如图1所示。

图1 机械结构示意图

高压发生器1产生高电压供给X射线发生器2，加速电子能量产生X射线穿透输送装置7上被测物料后被X射线探测器4接收，经信号变送装置5转换成标准信号送于主机装置6处理；测速传感器8可置于输送装置7的下方，用于测定运动速度；X射线管冷却装置3用于保证长时间工作情况下X射线发生器2产生的热量的交换。

系统电气结构示意如图2所示。

图2 系统电气结构示意图

X射线整套系统的控制方法及实现详见文献［1］：X射线探伤机的控制装置分为控制层以及设备层两个层面，控制层包括主机装置；设备层包括：现场控制PLC、冷却装置温控表。通过串行通讯接口经通讯电缆接现场控制PLC，通过另一串行通讯接口冷却装置温控表进行通讯连接。设备层包括各动力装置及检测装置。各动力装置接收控制层中现场控制PLC或冷却装置温控表输出的控制信号，并将检测信号反馈至控制层，现场控制PLC中存有设备层相应设备的控制程序。受控于现场控制PLC的动力装置包括对射线发生器施以高电压使其产生射线的高压发生器；由步进电动机驱动自藕变压器；自藕变压器输出的电压经变压器变压、整流滤波后的电压生成取样电路；冷却装置中的压力开关、流量开关；故障报警等。

系统电气结构方框图如图3所示。

选取2017年3月～2018年3月在我院治疗的心血管病患者200例作为研究对象。全部患者均在我院接受住院治疗，且经临床、病理、影像学检查或病史确诊为心血管疾病，排除重大心血管疾病史、家族遗传病史患者。将其分成观察组和对照组，各100例，其中，对照组平均年龄（56.7±13.2）岁，男50例，女50例；观察组平均年龄（62.5±11.9）岁，男50例，女50例。两组患者一般资料比较，差异无统计学意义（P＞0.05）[1]。

图3 系统电气结构方框图

主机装置除计算机外，还包括显示、打印、控制等功能部件，发生器安装于框架上部。发生器内部结构如图4所示。

图4 发生器内部结构图

X射线探测器位于运送物料的皮带下部，其原理示意图如图5所示。测速传感器位于运送物料的皮带上，X射线探测器中具有信号变送装置，从信号变送装置引出的信号线接入计算机，测速机构的输出端与主机相连，起重要作用的信号变送装置被装在X射线探测器侧面里。

图5中显示X射线穿过荧光粉矩阵时被转换为光束，可见光束触化光电管，产生电荷，然后此电荷被成正比例的储存在电容器内，通过此电荷量的大小，可反推出X射线被衰减的量。本文使用周向射线管配长形X射线探测器的结构来实现，从而避开了现有技术中α角的问题，可以只根据物料的厚度来确定X射线管与探测器之间的距离。这样大大减小了发生器与探测器之间的距离。

图5 探测器原理示意图

X射线的冷却装置的控制方法及实现详见文献［2］。如图6所示为X射线管冷却装置电气结构图［2］。

图6中，第一交流接触器KM1的两个常开触点设于泵电机M1的主回路中，在水／油泵电机M1的两电源线之间设有油循环灯HL1。第二交流接触器KM2的两个常开触点接至制冷压缩机M2及其风扇M3的主回路中。在控制回路中，经选择开关SB1分别并联温控表电源及由同一启动按键SB2控制的第一交流接触器KM1的线圈、第二交流接触器KM2的线圈及温控表，其中温控表的输出端接有中间继电器KA的线圈。在启动按键SB2与第二交流接触器KM2的线圈之间设有时间继电器KT的常开触点及第一交流接触器KM1的另一常开触点，时间继电器KT的线圈接于温控表的报警输出端。温控表的输入端接有测量油温（或水温）的温度传感器。工作时，由第二交流接触器KM2的常开触点闭合，接通制冷压缩机M2的主回路，即当温控表检测到油温（或水温）温度高于设定温度时，主输出端闭合，通过时间继电器KT延时后，时间继电器KT的常开触点导通，接通制冷压缩机M2工作；而当温控表检测到油温（或水温）温度低于设定温度时，主输出端断开，时间继电器KT线圈失电，第二交流接触器KM2线圈也因此失电，断开制冷压缩机M2主回路，制冷压缩机M2不工作。温控表的报警输出端接中间继电器KA的线圈，当温控表检测到油温（或水温）温度超过设定温度时，报警输出端触点闭合，发出报警信号。在回油（或水）管路中串接了流量开关和压力开关，其各自的信号线接至PLC的输入端，即当回油（或水）管路中油（或水）流量没有达到流量开关设定的流量时，流量开关的常开触点不闭合，流量开关发出报警；当管路中油（或水）压力高于压力开关设定值时，说明管路中有堵塞，压力开关也发出报警。这样能使射线管内温度在正常的工作条件下，不致由于温升过高而烧毁。

图7、8为X射线管冷却装置外观主、俯视图。

图6 X射线管冷却装置电气结构图

图7 X射线管冷却装置外观主视图

图8 X射线管冷却装置外观俯视图

图9为信号变送装置电气示意图，图10为该变送装置的电路原理图。

图9 信号变送装置电气示意图

图10 变送装置电路原理图

3 设计特点和作用

由于波长短的伽玛射线穿透能力强，而波长长的X射线则容易被物质吸收故X射线更易被被测物料吸收，灵敏度较伽玛射线源方案高，本文设计了一种适用于轻质量物料测量的X射线秤。其具有如下特点：

（1）装置在运输过程中无辐射，安装方便且适应恶劣环境条件，不需对输送机进行任何改动；

（2）不同于放射源实时产生高能粒子，X射线的产生可控，能保证作业人员的损伤人为可控，且装置周围辐射剂量很低；

（3）对于轻质量的物料可以通过调节X射线强度精确计量，反应灵敏，因此对物料适应性强，范围广；

（4）非接触式测量，不受皮带张力变化及皮带机震动影响；

（5）在现有专利数据库中未检索到相关专利，具有独创性、实用性和安全性，同时外观兼具新颖性和美观性；

（6）检测数据齐全，能为用户提供瞬时流量，输送机负荷，年、月、日、班、时产量及总量累计，报表统计分析等数据及实现打印功能等；

（7）使X射线应用技术在称重领域有了开创性的应用。

4 结 语

综上所述，本系统通过X射线发生器、探测器和测速装置等测量X射线的吸收率计算出皮带输送机或管道等运输装置上被测物料的负荷，再乘以速度得出物料流量及累计量。本系统适用于各种散装固态物料的在线连续计量及配料控制，可广泛应用于水泥、煤炭、炼焦、钢铁、矿山、发电、化工、食品等行业。并在本文投稿前已将发明专利申请上报于国家知识产权局，厂方根据该思想安排了相关的生产工作，以便本产品尽早投入市场，创造经济效益。

［1］田 冰，孙明光.一种X射线探伤机的控制装置：中国，200820010641.5［P］.2008－02－03.

［2］田 冰，曲秋华.一种X射线管的冷却装置：中国，200720016446.9［P］.2007－12－05.

［3］中国机械工程学会无损检测分会.射线检测［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［4］余长江，王吉先.射线探伤检测装置［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［5］奎 瑟.X射线光学在固体领域中的应用［M］.王 煜，李家宝，译.北京：科学出版社，1985.

［6］王晓春，张希艳.材料现代分析与测试技术［M］.北京：国防工业出版社，2010.

［7］亚沃尔斯.X射线学基础理论［M］.田 玉，译.北京：地质出版社，1959.

［8］季达依哥罗基.X射线结构分析［M］.龚尧圭，译.北京：科学出版社，1958.

［9］李松年，汤 慧.X射线实用技术［M］.北京：人民卫生出版社，1955.