DF－5740A型中子水分仪在安钢焦炭水分监测上的应用

刘阳 吴红桃 张嵬巍

(安阳钢铁股份有限公司)

0 前言

2013年3月，新3#高炉投产，五炼焦焦炭供应3#高炉使用，由于配套的190 t 干熄焦设备检修等影响，焦炭水分有时不稳定。焦炭水分化验数据滞后，水分代表性仍是一个突出问题，原始的焦炭水分检测已经无法满足大高炉高效精准快捷的生产需求。为使焦炭水分检测快捷高效，经反复调研论证，在C108 皮带头部安装了一台丹东东方测控生产的DF－5740A 型中子水分仪自动检测系统，经运行证明，运行稳定可靠，数据准确可信，对指导生产起到了重要作用。

1 基本结构及工作流程

1．1 基本结构

中子水分仪主要由252Cf 放射源(中子源)、137Cs放射源(γ 放射源)、Cs 探测装置、中子探测装置四部分组成［1］，结构示意图如图1 所示。

图1 中子水分仪结构示意图

1)252Cf 放射源(中子源):采用活度为2 μg 的低能放射源252Cf，外面为特制的防护容器，确保容器外的辐射剂量低于国家允许水平。容器上带有准直孔，准直孔可旋转并带锁，放射源运输、存放和进行安装时，将准直孔关闭，可保证辐射安全。

2)137Cs 放射源(γ 放射源):采用活度为10 mci的中能放射源137Cs［2］，γ 放射源为铅屏蔽体，确保容器外的辐射剂量低于国家允许水平。准直孔可旋转并带锁，放射源运输、存放和进行安装时，将准直孔关闭，可保证辐射安全。

3)Cs 探测装置:Cs 探测装置由Cs 外套筒和探测器组成，探测器用于接收从铯源发射的γ 射线，并将其转换为脉冲信号，通过信号线传送到信号变送器。其采用高灵敏高效率的闪烁探测器。探测器比计数管高50 倍以上，可使放射源的用量大大降低，外形尺寸为Φ120 mm×515 mm。

4)中子探测装置:用于接收从中子源发射的中子射线，并将其转换为脉冲信号，通过信号线传送到信号变送器。其采用高效率高选择性的快中子探测器，可靠性高，不存在漏气问题，几乎没有损耗，可长时间使用，正常情况下，可保证无故障运行10年以上。探测器的中子灵敏度达540 计数/(分·μSv·h)［3］，比当今国际先进水平的3He 正比计数管中子剂量当量仪(约24 计数/(分·μSv·h))高出20 多倍［4］，其外形尺寸为Φ81 mm×306 mm。

1．2 工作原理及流程

中子法测水的实质就是测物料中总的含氢量，测量原理是基于中子对水分中的氢元素敏感，氢元素可以使中子发生慢化，而其它元素则没有这一过程［5］。另外考虑到物料形状的变化会导致探测器接收的中子计数率和水分的变化关系和理论上有些区别，现场又采用一个γ 放射源对水分仪进行补偿，实现了水分测量不受物料疏松度和厚度变化的影响。中子水分仪工作流程如图2 所示。

图2 中子水分仪工作流程图

中子源发射中子射线透射过物料被物料慢化，穿透的中子射线被中子探测装置接收，中子探测装置将接收到中子射线转换为脉冲信号，通过信号线传送到信号变送器。铯源发射γ 射线透过物料，穿透的γ 射线被Cs 探测装置接收，并将其转换为脉冲信号，通过信号线传送到信号变送器。信号变送器与工控机之间经过转换得到中子数、铯数，由于物料水分与中子数、铯数之间呈一定关系，程序再进行一系列的处理，最终得到水分值。

2 安装调试

2．1 安装情况

根据现场情况，五炼焦中子水分仪选定安装在C108 皮带头部，该位置走线及安装方便，也是焦炭自动取样的地方，中子源、铯源安装在C108 皮带上方50 cm 处，中子探测器、Cs 探测器安装在C108 皮带下方30 cm 处，两个探测器之间的间距是皮带每秒运行的距离即1．5 m，放射源和对应的探测器在同一个垂直直线上，探测器的闪烁体在皮带正中间，安装支架稳固。另外现场还配备有防护罩、防护栏、警示牌等。工控机、信号变送器安装在五炼焦自动取样系统值班室内。

2．2 调试情况

调试首先是检查信号变送器，先给变送器送电，检查是否有15 V 电源，检查信号变送器内电源接点和信号接点接触是否良好。探头4 脚是否用绝缘胶带包好。其次是判断是否有外界干扰，即在放射源未开启的状态下，打开信号变送器，观察工控机上中子计数、铯计数，查看其是否符合天然本底。最后再检查输入输出情况:接通工控机电源，打开变送器电源，打开放射源，观察工控机上瞬时中子计数、瞬时铯计数是否正常，正常之后让工控机运行两天，再观察计数是否稳定，稳定之后再检测铯探头VH 值是否为4．0 V ～6．0 V、中子探头VH 值是否为4．0 V～8．0 V。最后再观察变送器输出，根据Im = SF/100 ×16 +4(Im 为实测电流、SF 为水分显示值)计算出仪器显示电流，判定显示值与实测值是否一致。

以上所有环节确认无误，进入程序功能，开始应用程序安装。根据应用单位需求，在原有应用程序基础上，利用安钢内网平台，新开发了一个网络版块，实现了该系统多个端口能够共享。

3 标定

中子水分仪定标调试即找出测量曲线，也就是中子计数率和被测焦炭水分的对应关系，它是仪表测量的根本依据，直接影响到中子水分仪的检测精度。

3．1 标定前准备工作

1)安排化验地点与人员、确认化验设备、坚持就近化验的原则。和焦炭上料车间沟通，提前安排好上料情况，安排上干焦时间，上湿焦时间。

2)准备足够的试样袋、取样器、样品信息卡、记录本、高精度电子天平、高效恒温干燥箱和干燥盘。

3．2 测量零点、本底计数

1)设置平滑时间，一般是60 s，也可以根据需要自行选择平滑时间，我们设置的为60 s。

2)打开中子源，放空皮带，皮带无料正常运行，上位机“回零”60 s 后，开始记录中子探测器的计数，记录20 min 后，计算出平均计数即为零点中子计数。

3)关闭中子源，上位机“回零”60 s 后，开始记录中子探测器的计数，记录20 min 后，计算出平均计数即为本底中子计数。

3．3 取样

1)校准时间，确认取样时间与主机时间一致性。

2)开始采样，在记录本上登记取样时间，一个采样时间(2 min)内尽可能多取样，取样重量尽量均匀。

3)取完试样之后，给试样袋内放入一张记录了采样时间的卡片，记录下采样时间，试样编码，密封好试样袋。

4)通过分水仪历史查询功能，找到采样时间对应的中子计数和铯计数，并把数据记入记录本上。

5)继续采样，需要采集30 个焦炭试样［6］，焦炭试样水分覆盖范围要宽，实际水分要分散开，可以根据采样需求提前合理安排上不同水分焦炭。

3．4 分析

人工分析焦炭水分依据GB/T2001 －2013《焦炭工业分析测定方法》中水分测定要求进行分析，即焦炭样破碎至13 mm 以下，称量500 g，放入175 ℃干燥箱内，在鼓风条件下干燥一小时，计算人工分析水分，并且对每个样品进行双样测量，根据对应的试样编码把化验结果做好记录。

3．5 计算参数

为了找到最好的参数值，采用回归程序对参数进行拟合，根据标定样品对应的中子计数、铯计数、水分数据逐一列出方程式，通过比较误差、相关系数、相对误差等条件来选择最好的方程组进行拟合，将参与标定样品在“取舍”列选框选中，也可以在“有效数据范围设定”进行批量选择。所有数据选定之后，单击“回归”按钮，即可获得数学模型系数A、B、C、D 及均方根误差，同时显示出标定效果图，横轴为化验值，纵轴为回归值。拟合出系数之后对标定文件进行保存，以便下次使用。

3．6 删除误差较大样品

进行参数拟合时，从标定样品数据中，查看误差，删除误差较大的点，观察反算值结果和真实化验值对比图，找出与偏离标定线较远的点，这些数据可能是某一环节不正确造成误差较大，应该剔除，同时要找出造成该样品误差较大原因，以便以后采样化验时纠正错误。当剔除完所有异常数据之后(最多可删除取样总数的10%)，重新进行回归，得出新的系数值，录入到对应界面，即为水分仪参数。

3．7 确定参数

挑选出不少于30 个有效的样品数据参与运算，且这些样品水分变化幅度覆盖测量最高点与最低点，并且样品水分高点和水分低点样品量各占样品总量的20%，这样回归的模型参数才是最佳的。通过反复回归，多次删除误差较大样品后，直到最后观察反算值与真实化验值对比图，所有样品数据都符合测量误差，这样才可以确定参数。由于C108 皮带上焦炭分为全干焦、干湿混合焦、全湿焦，根据现场实物情况，采集了30 个干焦样品，30 个混焦样品、30 个湿焦样品，确定了两套参数，一套为干焦参数，一套为混焦及湿焦参数。

3．8 验证

把确定的参数录入到水分仪参数界面，水分仪就可以进行测量了，但是水分仪测量精度如何，还需要进行验证。验证方法是通过比较水分仪测量值和真实化验值之间的差值来确定。和标定步骤中取样方法一样，取至少10 个样品，记录下每个样品测量值，把样品进行破碎缩分等步骤，再进行实验室分析，最后进行对比。通过验证，五炼焦水分仪干焦测量误差为0．1%，混焦及湿焦测量误差为0．4%，符合工业生产要求。

4 日常维护及问题处理

1)中子水分仪投入使用后，还需要定期进行比对，验证数据准确性。在日常使用时遇见一些情况还需要进行重新标定，例如:C108 皮带进行更换或者是皮带进行调整导致零点参数发生变动;现场其它设备维修导致放射源或接收器垂直位置变动。中子计数及铯计数零点发生变动后都需要对参数进行重新修正或标定。

2)不能在通电情况下，插拔探头或各连接插头，避免造成信号探测器跑峰。跑峰的现象有三种分别是:水分值特别反常、某一路射线计数远远低于正常值、某一路射线计数远远高于零点计数。如果信号探测器跑峰，可以在放射源开启的情况下，将变送器的供电电源断开一会儿再接通即可，或将探测器和变送器的连接插头拔掉再插上亦可。

3)信号线避免靠近交流电线，交流供电电源应采用电压波动小的专用电源。整个系统有专用地线，避免带来干扰信号。五炼焦中子水分仪和焦炭自动质检系统共用一个电源，水分仪投用后不久，中子计数突然升高很多，通过全面排查后发现，质检系统二楼照明打开后造成水分仪串电，造成信号干扰，只有在二楼照明不打开的情况下水分仪才能正常工作。排查出原因后给水分仪使用了专用电源。

4)不能突然中止供电，避免造成探头等元器件烧毁。突然中止供电容易造成探头、探测器等元件烧毁，容易造成探测器数据跑峰。

5)探头应保持干净，定期清理。探头灰尘太多影响正常数据传输，容易造成电压不稳或者是接触不良等，造成检测数据失真。

5 使用效果

这种测量方式为非接触式，探测器和焦炭不发生直接接触，使用寿命长、测量结果不受皮带焦炭厚度影响、不受粉尘水气影响、测量结果精准快速、长期稳定性好。根据现场实际情况，为五炼焦中子水分仪程序里面设置了两套参数，一套为干焦参数，一套为混焦及湿焦参数，程序根据接收的信号自动转换。设备投入使用后我们做了大量的验证数据，检测精度均符合要求。对比数据见表1。

表1 检测数据对照表

由表1 可知，DF－5740A 型中子水分仪具有较好的测量精度和运行稳定性。

6 结语

焦炭水分在线实时检测取代了传统收集试样人工化验，克服了传统水分化验具有的人为干扰因素、检测周期较长数据滞后性、劳动效率低等缺点，提高了检测数据及时性、准确性、可靠性，大大提高了劳动效率。

［1］丹东测控．DF－5740A 型透射式中子水分在线检测仪使用手册［M］．丹东:丹东测控，2009:9 －15．

［2］卢玉楷．简明放射性同位素应用手册［M］． 上海:上海科学普及出版社，2004:16 －17．

［3］刘圣康．中子水分计［M］．北京:原子能出版社，1992:56 －97．

［4］林长林，肖宪东，潘忠明． DF－5740 型快中子水分仪在酒钢的应用［J］．矿冶工程，2009，29(2):99 －101．

［5］马贤国，杨学谦，苟强源．中子水分仪及其在烧结混合料水分控制中的应用［J］．烧结球团，2012，37(4):27 －29．

［6］邓华，鲁学军．中子仪在高炉焦炭水分在线检测中的应用［J］．计量与测试技术，2013，40(8):48 －52．