基于Na22+放射性同位素的密度计在矿浆检测上的运用

邓 磊，张玉潇，陶 花

（云锡文山锌铟冶炼有限公司，云南 文山 663700）

当今世界，工业化日新月异，集散控制使企业自动化程度越来越高，智能仪表与集散控制系统的配合应用为工厂自动化控制提供了眼睛，使得控制更加精确。但是针对一些特殊的工艺介质以及高温、高压、高腐蚀等极端工况，普通检测仪表使用寿命极短或者根本达不到检测要求。针对此种情况，一些利用放射性同位素核源的非接触式测量测仪表应运而生。

某冶炼厂十多台浓密机需要测量底流密度，由于介质是矿浆，管道材质为钢衬管，采用传统的超声波原理的密度测量仪表受测量介质与管壁等因素的影响，根本得不到有效数据，针对上述情况，工厂决定采用放射性同位素仪表检测浓密机底流密度。

1 检测仪表优劣对比

1.1 普通检测仪表

普通检测仪表大部分为直接接触介质测量，能够有效反应被测介质的属性，属于普通仪表，安全性能很高，造价便宜，无附加配套设施，容易得到需要检测的数据。但因为是直接接触式测量，对介质、工况、安装要求很高，针对一些高温、高压、高腐蚀、高粉尘的极端工况，仪表测量精度低，使用寿命短，并且在仪表出现故障时必须停机处理，给工厂的连续性生产带来诸多不便。

1.2 Cs137与Co60同位素仪表

放射性同位素的出现在很大程度解决了这一难题，当今工业控制领域的同位素检测仪表主要是以Cs137和Co60为主要放射源的液位计、液位开关、密度计等。它检测原理为放射源用密闭的铅盒封装，置于待检测设备的一侧或者内置釜等容器内，设备的正对另一侧安装接收器，检测时，将铅盒正对设备一面打开，放射源发射出射线穿透待检设备之后被接收器接收，因设备内的物料介质会随着工艺变化而变化，放射源穿透设备的射线也会随着介质的变化有强弱之别，变化的信号经过处理之后，转换成电信号传送给相应控制显示设备就可以得到被测介质的液位或者密度。

放射源仪表由于是非接触式测量，它的出现为解决极端工况带来了福音，但同时它存在极大的安全隐患。自然环境中放射性环境核素Cs137主要来源于原子弹、氢弹等核武器试验、核武器制造过程中所产生的放射性废液、核燃料处理厂的放射性废液和核电站核反应堆的放射性废物等。Cs137的衰变过程是β-衰变，衰变过程中发射两种β-粒子，最大衰变所释放的能量分别0.512MeV（94.6%）和1.174MeV（5.4%），半衰期30.17年。Co60是β-衰变核素，发射β-和γ射线，β-射线的最大能量为0.315兆电子伏，γ射线的能量有1.173210和1.332470兆电子伏两种，半衰期为5.272年。

Cs137人体摄入量小于0.25Gy属于安全范围，超过此值会导致造血系统、神经系统损伤，非正常生育乃至绝育，人体摄入量超过6Gy，能够致人死亡。Co60属高毒性核素，对全身有影响，对人体的有效半减期为9.5天，在人体中的最大容许积存量为3.7×105贝可，能导致脱发，会严重损害人体血液内的细胞组织，造成白血球减少，引起血液系统疾病，如再生性障碍贫血症，严重的会使人患上白血病（血癌），甚至死亡。

所以在Cs137与Co60仪表使用过程中，必须根据国家相关法律法规办理辐射安全许可证，现场必须安装环境当量实时监测系统及视频监控系统，必须设置有保存铅盒的专用仓库，才能使用。仪表维护人员必须取得辐射安全与防护培训合格证，进入现场时穿戴齐全铅衣，佩戴辐射测量仪才能工作，且由于人的天然畏惧心理，导致工作上的诸多不便，且放射源必须终身监管，从生产、运输、使用、报废都必要按照规定流程，一旦出现疏漏，将造成严重后果。

1.3 Na22+同位素仪表

Na22+同位素检测仪表与Cs137、Co60的测量原理一致，它与Cs137和Co60不同点在于该产品能以极低的活度获得想要的测量结果，该仪表核源活度≤1X106Bq，低于国家要求的豁免度水平，在国家生态环境部的豁免清单之内，可以当做普通仪表使用。

2 技术方案确定

根据上述介绍，该冶炼厂十多台浓密机底流密度计全部采用Na22+同位素作为放射源的核密度计测量仪表。

3 Na22+密度计的测量原理

Na22+密度计的工作原理是由放射性产生的伽马射线穿透被测介质，其中一部分射线被介质吸收，剩余部分射线被传感器控制器所接收，接收伽马射线越多，表明被测物体密度越小，反之亦然，根据伽马射线的衰减程度，接收控制器CPU计算电离辐射通量的变化情况，从而测量被测介质的密度，并以标准4mA～20mA电流形式输出。

伽马射源的衰减遵循已知的指数关系，具体如下：

n（D）=A＊exp（B＊D）。

D为密度，A和B为与放射源活性、伽马链子能量以及管道直径、管壁相关的系数。测量原理示意图如图1所示。

图1 Na22+密度计测量原理示意图

4 安装及测量要求

（1）安装位置管径要介于50mm～500mm之间。管道直径小于50mm，增加介质与辐射相互作用的体积。

（2）密度计的安装位置应选取在管道被介质完全充满处。最好为垂直或部分倾斜的方向上，使得介质从下向上流动。如果安装位置仅限于管道水平方向，则探测器固定螺栓要保持水平，主要是为防止水平管道底部有沉积对密度计读数产生影响。另外，还存在沉积厚度变化的情况，因此，密度计的读数也取决于浆体压力。

（3）选择安装位置时，安装位置要距离出料口(或输送泵)5米以上，因为储槽内部介质有可能没有搅拌均匀，离出料口太近测量的密度值不精准。

（4）选择安装位置时，应避免接近（压缩机、电机等）震动源。当所测管道位置震动强烈且没有其他安装位置时，将探测器固定在主体上。

（5）当两台密度计的安装位置彼此较近的时候，放射源会对另外一台密度计产生影响。对此，两台相邻密度计之间的距离≥3m，如不能实现，则在放射源近处放置铅板。

（6）如果所测管道表面温度超过70℃，但低于100℃，则使用隔热板，主要隔离接收器一侧，接收器高温容易损坏。如果工作管道表面温度超过100℃，则安装探测器冷却水回路。

（7）当管道不是完全被介质密充满时，则需使用其他密度计的探测器。在这种情况下，需将管道上方进行切割，并安装一个短管。将有辐射源的短管通过支架固定在管道上。辐射源位置应安装在流经管道介质的下方。在插入介质部分需做耐磨涂层，以便提高其耐磨性。

（8）取样口距离安装位置1m以内，且要安装在输送泵的后面，以保证介质的均匀性，减少密度计和化验室的实测密度之间的误差。

5 工厂应用经济性分析和运用实绩

5.1 经济运行分析

Na22+同位素仪表比Cs137和Co60的检测仪表设备造价稍贵，但是它是国家生态环境部豁免仪表，无需办理辐射安全许可证，不需要使用单位建立专用库房，仅此一项就能节省数十万元的投资。另外配套仪表使用视频监控系统、环境当量检测系统等也是造价不菲，从事仪表维护的人员必须取得辐射安全与培训证书，穿戴铅服、辐射检测仪、个人辐射剂量仪等，以上几项合计投资又接近数十万元，综上所述，Na22+核源仪表要比Cs137和Co60的检测仪表经济型要高很多，它的使用能为企业节约更大的成本。

5.2 运用实绩

该冶炼厂的其中10台浓密机底流密度计投入使用之后，密度计测量值与化验室的实测密度的误差率全部小于2%，为工艺的连续性生产提供了依据，取得了良好效果，具体见图2。

图2 密度计测量对比表

6 结语

该仪表的成功使用，很大程度上替代了部分危险性很大的Cs137和Co60的检测仪表，解决了一些极端工况的测量难题，为其它检测困扰提供解决的思路，且它综合运行成本低廉，安全性能较高，是企业的一大福音，随着它推广运用，必将在工厂自动化的提高方面有更多的建树。