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核技术设备和部件  
名称:中子水分仪
详细信息:
 
图1 实物图

   测量原理
      中子水分仪(或湿度计)是基于快中子能被氢原子核能有效慢化为慢中子,通过测量慢中子数而推算出被测物料中含氢的水分量。慢中子计数率与水分含量的体积百分比近似正比关系。
      快中子在含水介质中被慢化的过程中,与氢原子核的弹性散射起重要作用,与之相比,介质中比其较重的核对慢化的贡献可以忽略不计,并在标定中可作为本底计数加以扣除。
 


图2   不同水分含量下的热中子范围
 
 
    产品特点
       非接触式测量, 不需取样,不损伤被测物质的结构。
       测量范围宽,保证测量值接近实际值。
       可实现连续地实时在线测量。 
       测量时间短,一般在数秒或数十秒内即可完成。
       与温度、压力、PH值及物料颜色无关。 
       安装简单、可安装在容器内或容器外,也可装在物料传送带上。
       采用3He正比计数管,具有较高的测量灵敏度。
       数据获取、处理、储存、输出全由计算机进行。
 
    安装结构
 
       1、内装式 (NP -Ⅰ型)
       探测器安装在容器的出口部位或者物料不断滚过的容器内部(见图3),使中子源被物料包围,从而产生一个有效测量体积(见图3)。探测器置于保护套管中,保护套管不会影响测量。如果容器内温度超过50℃,必须对保护套管内通风冷或采取其它冷却措施。
 



图3  内装式水分测量结构示意图
 
   2、外装式(NP -Ⅱ型)
    如果内装式可导致物料流量的变化,可采用外装式(见图4)。但探测器测到的中子数比相同条件下内装式小5倍,因而需要较强的中子源或加长测量时间。另外,由于器壁对中子的反散射作用,在测量部位的容器壁不宜太厚。


图4  外装式水分测量结构示意图

    3、安装在传送带上的中子测量系统(NP -Ⅲ型)
    传送带上的中子测量系统(见图5)一般需同时配装一套透射式伽玛密度测量系统作为密度厚度补偿。如果传送带上的物料允许整形(刮平)或起伏很小,水分瞬时测量值的误差可以达到千分之几。如果传送带上的物料起伏很大或不允许整形(刮平),水分瞬时测量值的误差也可达到百分之几;若对这些瞬时值在较长时间(如数十分钟)内做统计平均,平均值与实际值的偏差可达到千分之几。



 
图5  动态物料在线中子测量系统

    4、台式水分仪(NP - Ⅳ型)
    可在实验室使用。将物料取样料盒放入测量装置内,只需数秒即可给出准确的水分含量测量值。

    产品应用 
    中子水分仪在工业、农业、土建、水文地质等领域有广泛而重要的应用。如炼铁和烧制石灰石时,投入高炉中焦炭的含水量、烧结厂中混合料中的含水量,铸造厂选沙中的含水量,玻璃、陶瓷、造纸、各种化工原料中的含水量均需实时在线测量及反馈控制以实现最佳工艺。农业中测量地表土壤的含水量,地层深处含水量分层分布,土壤中水分随时间和地点的动态变化。建筑工程中测量材料中的含水量并控制在最佳值以获得最佳材料性能;测量和研究地基、路基、飞机跑道、堤坝等的水分情况给工程施工提供必要资料。水文地质中用以测量固化和未固化底层中的水分含量及其随时间的变化;在非饱和区可由这两个量计算地下水线和地面间的水储藏量,雨水和灌溉水渗透率,作物和从土壤中蒸发消耗的水分;在饱和区可测量底层的绝对含水量,计算地层孔隙度和储水量;在流动区测量一定时间内的地层水分含量,计算其随时间变化,确定该区域的储水量等等。

    典型应用举例 
    测量砂状物或块状物中各种工业原料或成品中的水分;如炼铁和烧制石灰时投入高炉焦炭中的含水量;烧结厂中混合料中的含水量;化学催化剂原料及成品中的含水量;混凝土、石灰原料及玻璃工业中砂状物的含水量;土壤中水分含量及分布等等。

    辐射防护 
    中子水分仪使用的中子源的强度很弱,内插式用3700MBq(100mci)241Am/Be中子源的强度为每秒2.5×105个中子/秒,不加任何屏蔽,在65cm处产生的剂量当量率为7.5μSv/h。即使在无料情况下,剂量控制区在容器内部,容器外剂量值远远小于国家标准(GB18871-2002)规定的限值。外装式或传送带式采用11100MBq(300mci)的中子源强为每秒7.5×105个中子/秒,在113cm处产生的剂量当量率为7.5μSv/h,但外装式或传送带式均装有辐射防护屏蔽体,可使剂量控制区变得很小。台式水分仪使用的中子源源强更弱,并有辐射防护屏蔽体,装置外的剂量当量率接近自然本底。

    技术数据 
    电    源:250/220/VAC,10% ~ -15%,47-64Hz;
    功    耗:每个通道最大20VA;
    脉冲计数率范围:0-99999/S;
    时间常数(模拟输出)范围:2-999S;
    显    示:数字式,对于%水分,用4位数显示;
    操    作:6个触摸式按键;
    标    定:在存入至少两组水分计数率数据后,利用按键进行自动标定;
    模拟输出:0/4 – 20mA,最大负载500Ω,隔离式;
    数字输出:三只继电器,触电容量为250V/2A,无感。三只继电器分别用于最大、最小报警及故障报警;
    环境温度:0 - 50 ℃;
    中 子 源:NP -Ⅰ型  241Am/Be   3700MBq(100mci)
    NP -Ⅱ型  241Am/Be  11100MBq(300mci)
    NP -Ⅲ型  241Am/Be  11100MBq(300mci)
    NP -Ⅳ型  241Am/Be   1850MBq(50mci)
    探    头:3He计数管,内部压力为10bar;
    高    压:高压最大为2400V,可由置于探头内的飘逸补偿线路自动调节;也可手控调节(5V <=> 2400V);
    环境温度:-20℃ ~ 50℃;
    电    缆:7芯屏蔽电缆,7×1.5mm2,最大长度为1400m;
    外    壳:不锈钢制造。
    可达到的精度:
    沙子中的水分:大约±0.3%;
    玻璃纱中的水分:大约±0.1%;
    焦炭中的水分:大约±0.5%.

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