核子测沙仪试验研究
日期：2011-12-9 16:25:00
第30卷第10期2008年10月 人民黄河 30
核子测沙仪试验研究
李景修1，李 黎2，李英杰1，赵 荣2
（1.北京市通想高技术开发公司，北京 100085； 2.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003）
摘要：介绍了核子测沙仪的特点、原理和含沙量计算法，并用浑水搅拌器进行了标定试验，得到了含沙量随输出电压的变化曲线和拟合函数，确认核子测沙仪的主要指标为：测量范围，含沙量1～2 000 kg/m3，水深0～200 m，水温0～45 ℃；测量精度，1～3 kg/m3时＞10%，3～10 kg/m3时＜10%，10～100 kg/m3时＜5%，＞100kg/m3时＜1%；信号长期稳定性，＜0.03%；放射源安全性，使用活度1.85GBq的241Am源是“十分安全”的。
关键词：电离室；含沙量；浑水搅拌器；核子测沙仪
中国分类号：TV853；TV882.1 文献标识码：A 文章编号：1000-1379（2008）10-0033-02
1 概况
测沙仪是在线测沙的基本手段，是原型黄河测验体系的重要部分。核子测沙仪是以铝窗电离室为探测器的新型同位素测沙仪器。北京市通想高技术开发公司研制的新型铝窗电离室除继承了普通电离室的优点外，信号长期稳定性＜0.03%，既满足了低含沙量测量精度的要求，又大大降低了241Am源的（即质量数为241的鎇的同位素放射源）使用活度。
铝窗电离室为一不锈钢桶，能承受巨大的水压，适合水下使用。电离室内还装有压力和温度传感器，可放在水下0～200 m深度，不论水是流动还是静止，也不管流速大小，均可长期连续采样，实现了在线测量含沙量、水深和水温。核子测沙仪的突出优点是探测效率高、稳定性好、量程宽、适应水下环境能力强、故障率低，测沙精度较高。
含沙量的测量方法已有许多人作过研究[1-11]。在含沙量5～100 kg/m3范围内，在线测沙仪大都处在试验阶段，还没有被广泛认可的产品。至今，采样称重法仍是黄河水文测沙的主要手段[12]，同位素在线测沙始终未在黄河上得到实际使用，主要原因有以下方面：
（1）对信号稳定性的要求很高。与测厚要求比较，通常轧制的最薄钢带是0.1 mm，当要求轧制偏差为±5 µm时，以置信度95%和误差限值等于仪器标准偏差的2倍计算[13-14]，测厚仪的标准偏差应达到±2.5 µm。当241Am源空载信号为2 000 mV时，理论上可估算出信号通过0.1 mm钢带后降为1 828.3 mV。要达到标准偏差±2.5 µm，信号就必须长期稳定在1 828.3±8.2 mV内，信号的长期标准偏差应达到±4.1 mV，相对标准误差达到±0.23%。
那么同位素测沙要求如何呢?以含沙量10 kg/m3浑水为例，密度只有1.006 2 t/m3，与纯水密度差别很小，对γ射线吸收的差别更小。对241Am源和5.3 cm浑水厚度，沙对γ射线吸收与0.012mm钢带厚度相当。如果要求含沙量测量偏差为±1 kg/m3，则纯水下信号为2 000 mV时，理论上可以算出测沙信号应长期稳定在1 991±2 mV。按置信度95%的要求，测沙仪信号的标准偏差必须达到±1 mV，相对标准误差为±0.05%，比测厚要求高很多。再加上在线测沙在水下，水流流速大、信号输送距离远、维修困难，决定了技术要求比测薄钢带更高、难度更大。
（2）计数类探测器稳定性不好。目前，人们均采用闪烁计数器或正比计数器作为探测计数器[1-7]。计数类探测器输出的是脉冲计数，服从统计规律。闪烁计数器计数率一般≤105/s，正比计数器还要低1～2个数量级。计数类探测器的误差主要是统计涨落和漂移。计数率长期稳定性一般不超过1%。例如，测量含沙量100kg/m3的浑水，计数率统计涨落引起的含沙量相对误差就达±10%。延长测量时间、增加计数量可提高稳定性、降低误差，但探测器温漂和高压漂移很难大幅降低，无法满足较低含沙量测量对长期稳定性的要求。这就限制了计数类探测器在工业上的应用。所以，测厚和称重均采用电离室，不选用计数类探测器。电离室在动态称重和在线测厚上已得到广泛应用。与计数类探测器比较，电离室信号有长期稳定性好、量程宽、故障率低、抗恶劣环境等优点，但普通电离室对低能放射源的探测效率较低，信号稳定性也不好。
2 核子测沙仪
2.1 基本原理
平行束γ射线通过厚度为L的浑水时，输出信号呈指数减弱，由下式确定：
（1）
式中：Uw和U分别为探测器在纯水中和浑水中测得的输出电压；μm为浑水的质量吸收系数；ρ为浑水的密度。
利用浑水和泥沙的关系，可以导出含沙量S与输出电压U的对数线性关系式[10]：
（2）
（3）
式中：ρw为纯水的密度；μw为纯水的质量吸收系数；ρs为干沙的密度；μms为干沙的质量吸收系数。
式（2）是测沙的理论计算式，其严格成立的条件是γ射线必须是平行束并且散射很小。因为一般应用条件下很难满足，所以不能采用理论计算式精确测量含沙量，必须测出含沙量随输出电压变化的实际曲线，并拟合出函数式。将在浑水中测得的电压信号代入拟合函数，计算出浑水含沙量。
2.2 核子测沙仪结构
核子测沙仪由探测器和机箱构成。探测器由新型铝窗电离室、241Am源和支架组成，电离室内还装有压力传感器及温度传感器；机箱内装有A/D变换器和单板机，只要按下“测量”键即可连续显示测出的含沙量、水深、水温值，另设有电压测量、标定、打印和通讯等功能。
3 含沙量标定试验
3.1 浑水标样配制
3.1.1含沙量配制计算式
含沙量采用混合表达式[15]：
（4）
式中：Ws为干沙质量，kg；S为配制含沙量，kg/m3；Ww纯水的质量，kg；ρw、ρs单位均为t/m3。
3.1.2 标定装置
标定试验是在浑水搅拌器中进行的。搅拌器中浑水基本上达到了不分层、不沉淀、不产生气泡，泥沙也不结块。标定时，ρs=2.65 t/m3，ρw=1.00 t/m3。含沙量从小到大逐次配制，每配制1次连续测出5个电压值，取平均值作为“测量电压”。干沙称重用2 kg天平，称量精度为g。沙样由小浪底水库采集。目前，标定试验装置已制成测沙仪检测与标定系统安装在模型黄河基地，用以检测和标定各类测沙仪器。
3.2标定结果
标定结果见表1，表中“测量电压”是在“配制含沙量”下浑水中测得的电压，“计算含沙量”是利用式（5）或（6）在“测量电压”下计算出的含沙量，“相对误差”是“计算含沙量”与“配制含沙量”之间的误差。绘出的含沙量曲线见图1，曲线中的黑点为试验数据点，线段为两点间连线。
表1 黄河泥沙含沙量核子测沙仪标定结果
测量电压 配制含沙量 计算含沙量 相对误差 测量电压 配制含沙量 计算含沙量 相对误差
∕mV ∕kg·m-3 ∕kg·m-3 ∕% ∕mV ∕kg·m-3 ∕kg·m-3 ∕%
2028.8 0.0 0.00 0.0 1908.6 60 59.49 -0.9
2026.3 1.0 1.20 +20.0 1898.4 65 64.71 -0.5
2025.3 2.0 1.68 -16.0 1889.1 70 69.50 -0.8
2023.4 3.0 2.60 -13.3 1878.4 75 75.03 +0.0
2020.5 4.0 3.99 -0.3 1870.1 80 79.34 -0.8
2019.0 5.0 4.72 -5.6 1860.8 85 84.20 -0.9
2017.5 6.0 5.44 -9.3 1851.0 90 89.34 -0.7
2015.1 7.0 6.60 -5.7 1841.3 95 94.46 -0.6
2009.2 9.0 9.46 -5.1 1831.0 100 99.93 -0.1
2008.7 10.0 9.70 -3.0 1811.0 110 111.05 +1.0
2004.3 12.0 11.83 -1.4 1792.4 120 120.80 +0.7
2000.4 14.0 13.73 -1.9 1774.4 130 130.34 +0.3
1996.0 16.0 15.88 -0.7 1755.3 140 140.56 +0.4
1993.1 18.0 17.29 -3.9 1737.3 150 150.30 +0.2
1988.7 20.0 19.45 -2.8 1718.2 160 160.72 +0.5
1983.8 22.0 21.85 -0.7 1683.1 180 180.24 +0.1
1979.9 24.0 23.77 -0.9 1647.9 200 200.21 +0.1
1976.5 26.0 25.44 -2.2 1579.1 240 240.50 +0.2
1972.6 28.0 27.36 -2.3 1516.1 280 278.96 -0.4
1968.2 30.0 29.54 -1.5 1451.1 320 320.35 +0.1
1964.3 32.0 31.76 -1.7 1407.2 350 349.38 -0.2
1959.4 34.0 33.90 -0.3 1335.4 400 398.85 -0.3
1957.0 36.0 35.10 -2.5 1266.0 450 449.27 -0.2
1951.6 38.0 37.79 -0.6 1201.1 500 498.98 -0.2
1948.2 40.0 39.49 -1.3 1137.6 550 550.30 +0.1
1938.4 45.0 44.40 -1.3 1079.0 600 600.26 +0.0
1926.7 50.0 50.30 +0.7 1023.3 650 650.33 +0.1
1919.4 55.0 53.99 -1.8 983.3 689.4 688.00 +0.2
3.3 标定误差
3.3.1试验误差
从表1可以看出含沙量与误差的对应关系分别为：1～3 kg/m3，＞10%；3～10 kg/m3，＜10%；10～100 kg/m3，＜5%；＞100 kg/m3，＜1%。
横坐标为测量电压U/mV，纵坐标为配制含沙量S/（kg/m3）
图1 S—U试验曲线
3.3.2 结果分析
利用世纪星开发系统对表1中试验数据分段拟合，得到如下的拟合函数：
U≤1 831 mV （5）
U＞1 831 mV （6）
在实验中，核子测沙仪实际浑水厚度是L=5.3cm。根据式（3）可算出理论斜率[10]为K=926。由于非平行束和散射的影响，因此随着含沙量增加，试验曲线向上偏离理论曲线，式（5）和式（6）的斜率比理论值都大。
从试验结果也可看出，含沙量每增加1 kg/m3，输出电压约降低2.2 mV。若以250 mV作为可测量的最小电压信号，代入式（6）可计算出核子测沙仪可测量的最大含沙量约为2 000 kg/m3。增大L和U0会使含沙量测量范围向低端移动，使最大含沙量减小，但低端的测量精度会提高。
4 长期稳定性试验
在室外条件下不关机连续测量输出电压，在37 d里共测量了175个数据，全部数据归纳起来只有3个：4 343.2 mV（68个）、4345.7 mV（99个）、4 348.1 mV（8个）。由于A/D是12位，量化值Q=2.441 4 mV，因此相差不到一个Q的信号均算成同一个值。全部数据差异分布在3Q内。信号的统计涨落服从高斯分布，落在±3σ内的概率是99.73%。对于175次测量，应有174.5次落在±3σ内。由此可见，输出电压试验数据涨落的宽度3Q与输出电压标准偏差宽度6σ相当，可令σ=0.5Q，即σ=1.220 7 mV,相对标准误差为0.028%，所以信号的长期稳定性可定在＜0.03%。
5 模型厅应用
采用核子测沙仪在小浪底模型厅河道入口的混水池中连续测量了70 min，每隔2 min自动采集含沙量、水深、水温数据。至放水结束连续测量了35组数，结果见表2。
表2 小浪底模型厅混水池测量结果
含沙量 水深 水温 含沙量 水深 水温 含沙量 水深 水温
∕kg·m-3 /m /℃ ∕kg·m-3 /m /℃ ∕kg·m-3 /m /℃
0576.73 000.28 30.00 0574.18 000.28 30.00 0576.73 000.28 30.26
0574.18 000.28 30.00 0574.18 000.28 30.00 0579.27 000.28 30.26
0574.18 000.28 30.00 0576.73 000.28 30.00 0579.27 000.28 30.26
0574.18 000.28 30.00 0574.18 000.28 30.00 0576.73 000.28 30.26
0574.18 000.28 30.00 0569.11 000.28 30.00 0576.73 000.28 30.26
0574.18 000.28 30.00 0574.18 000.28 30.00 0576.73 000.28 30.00
0576.73 000.28 30.00 0576.73 000.28 30.00 0574.18 000.28 30.00
0576.73 000.28 30.26 0579.27 000.28 30.00 0576.73 000.28 30.00
0574.18 000.28 30.26 0415.20* 000.30 30.00 0576.73 000.28 30.26
0574.18 000.28 30.00 0574.18 000.28 30.00 0576.73 000.28 30.26
0574.18 000.28 30.00 0576.73 000.28 30.26 0579.27 000.28 30.26
0574.18 000.28 30.00 0576.73 000.28 30.00
注：表中带*数据因更换搅拌池，故未计算在内。
用最小二乘法计算的含沙量均值及误差分别为575.68 kg/m3、±0.8%。在测量期间用采样称重法测量了3次，结果分别为570、572、571 kg/m3，两方法的误差为0.8%。
6 结语
根据试验数据和设计参数，核子测沙仪的主要指标为：测量范围，含沙量1～2 000 kg/m3，水深0～200 m，水温0～45 ℃；测量精度，1～3 kg/m3时＞10%，3～10 kg/m3时＜10%，10～100 kg/m3时＜5%，＞100kg/m3时＜1%；信号长期稳定性，＜0.03%；放射源安全性，使用活度1.85GBq的241Am源是“十分安全”的。
致谢：在设计和试验过程中，中国科学院高能物理研究所邵涵如研究员、中国原子能科学研究院杨金刚研究员、中国水利水电科学研究院李业彬教授和李慧梅工程师提出了许多宝贵意见，在此对他们深表感谢。
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收稿日期：2008-04-03
作者简介：李景修（1939—），男，河北大城人，高级工程师，主要研究方向为试验原子核物理和核技术。