一种多阵面辐射料位计及其测量方法与流程

本发明涉及料位计领域，特别涉及一种多阵面辐射料位计及其测量方法。

背景技术：

在料位测量领域，非接触式测量方法由于不接触物料，不容易受容器内部落料、高温、蒸汽等恶劣环境影响，一直是大家期待选择的。相较于雷达、激光、超声波、机器视觉等需要安置于容器内部的非接触式料位计，核子料位计与无源核子料位计由于安置于容器外，直接非破坏情况下穿透容器壳体完成测量，是很多工况必须的选择。但是，在实际生产运用中，核子料位计与无源核子料位计均存在一定的缺陷，无法保证料位测量的准确、及时与可靠。

核子料位计由于是自带强放射源的，所以对于核子料位计接收端光电转换器件的性能要求不高，算法要求也比较低。但是核子料位计存在的缺陷主要是，强放射源对于环境与使用环境中的人具有严重的损害，使用时需要受到相关部门的严格监管，除非必须使用的场所，一般情况下，一般不会使用核子料位计。另外，核子料位计的自带放射源，会逐渐衰减，在使用过程中如果不对放射源进行不断的标定，则料位计准确性和可靠性会下降。

无源核子料位计测量的是容器中物料自身含有的放射性杂质的放射性能量，通过复杂的算法实现物料的料位测量。由于物料的放射性能量极其微弱，甚至低于环境中的背景噪声辐射，所以无源核子料位计的光电转换与倍增器件对于增益、噪声等性能要求非常高，只能采用高性能的光电倍增管，同时由于料种变化、背景辐射的影响，无源核子料位计要想实现准确可靠的测量，需要复杂的算法。同时，由于采用的是光电倍增管作为光电转换与倍增器件，使得无源核子料位计存在如下一些缺陷：

1、时间特性差。由于光电倍增管的单个脉冲时间长，导致经过大量样本运算后生成料位数据的无源核子料位计响应时间比较长。对于运转流程比较快的容器进行料位测量时，即使在最快的响应时间模式下，无源核子料位计测量数据严重滞后实际工况，如对于进料几秒，出来几秒的仓泵，无源核子料位计就无法进行实时控制和测量。

2、方向性差。由于无源核子料位计是对物料中非常微弱的放射性信号进行测量，所以探测器中晶体面积、体积以及光电倍增接触感光面积都比较大。而且由于光电倍增管体积大，长度长，导致无源核子料位计前端构成的探测器部分自身尺寸比较大。一个探测器部分只能生成一路测量信号。同时一个独立的无源核子料位计无法安装两个及以上的探测器部分，并且布置于不同的方向。因此在测量中，无源核子料位计不具备方向性。在进行料位测量时，无法分清料位在容器中实际位置，如上下左右，只知道有料位，不知道料在哪里。

3、体积大、重量大。由于无源核子料位计探测的物料的放射性非常弱，测量中需要屏蔽周围宇宙环境中的背景辐射，通过铅皮等手段进行周边辐射噪声的屏蔽时，屏蔽部件尺寸由于实际工业现场条件限制无法做到理想状态。同时由于光电倍增管结构，存在磁场影响，所以在实际使用中，还需要做磁屏蔽。无源核子料位计普遍存在体积大，重量大，使用不方便等特点。

4、量程小。由于物料自身的放射性特征特别弱，以及辐射在空间传播的距离平方衰减以及空气吸附等因素，以及光电倍增管结构尺寸大，单个无源核子料位计只能在一个点位进行测量。导致无源核子料位计实际测量范围非常小。通过多探头无源核子料位计或者多个无源核子料位计相互串联形成大量程测量，虽然解决了测量范围问题，但是成本高昂。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种多阵面辐射料位计及其测量方法，本料位计实现了现有料位计无法完成的功能与性能；具有极强的性能拓展性；同时极大缩小了料位计的尺寸，提高料位计的时间特性、方向特性、空间分辨能力，增大了单个料位计的测量范围，测量更加准确、可靠。

技术方案：本发明提供了一种多阵面辐射料位计，包括运算处理器、输出部件以及至少两个探测阵面，各所述探测阵面按照测量要求设置在测量空间内的不同位置处；各所述探测阵面均包括闪烁晶体和阵列式光电转换与倍增部件、运算处理器以及输出部件，所述阵列式光电转换与倍增部件由至少两个可独立完成光电转换与倍增的微型器件组成；所述闪烁晶体与所述阵列式光电转换与倍增部件耦合，所述阵列式光电转换与倍增部件具有至少一路电信号通道；每个所述阵列式光电转换与倍增部件至少通过一路所述电信号通道与所述运算处理器的输入端电路连接，所述运算处理器的输出端与所述输出部件的输入端连接。。

进一步地，所述阵列式光电转换与倍增部件为阵列式布局的硅光电倍增管、微通道板光电倍增管、微球光电倍增管或阵列式布局的雪崩二极管。

进一步地，每个所述探测阵面中还包含至少一个辐射屏蔽部件，所述辐射屏蔽部件遮挡住所述闪烁晶体的非辐射接收部分；或者，所述辐射屏蔽部件遮挡住所述闪烁晶体和所述阵列式光转换与倍增部件的非辐射接收部分；或者，每个所述辐射屏蔽部件遮挡住一个所述微型器件和一个所述闪烁晶体。辐射屏蔽部件用于屏蔽闪烁晶体周围非测量方向的宇宙背景辐射噪声信号，以使得本料位计的测量结果更加准确；如果一个微型器件对应一个闪烁晶体，则将该微型器件和闪烁晶体作为一个整体，使用一个辐射屏蔽部件对该整体进行遮挡，单独遮挡的好处在于进一步强化各个微型器件接收不同位置的辐射数据的差异性，更好的实现料位判断或图像生成，测量结果更加精确；实际应用中，辐射屏蔽部件优选使用铅皮制作的罩体。

进一步地，各所述探测阵面中还包括噪声屏蔽罩，所述噪声屏蔽罩至少覆盖一个所述微型器件。将被噪声屏蔽罩罩住的这个微型器件生成的信号作为本底噪声信号，运算处理器使用该本底噪声信号修正其他微型器件测量到的信号，以生成更加准确的料位相关数据。

优选地，所述电信号通道的数量最多与所述微型器件的数量相等。阵列式光电转换与倍增部件中的每个微型器件可以有一个电信号通道，也可以两个或多个微型器件共用一个电信号通道。

优选地，所述运算处理器、所述输出部件以及各所述探测阵面均安装于同一个壳体内；或者，各所述探测阵面分别或共同安装于第一壳体内，所述运算处理器和所述输出部件安装于第二壳体内，所述第一壳体依据测量需要安装于测量空间内，各所述探测阵面通过连接线缆与所述运算处理器连接。

进一步地，所述的多阵面辐射料位计中还包含与所述运算处理器连接的数据通信接口部件，多个所述多阵面辐射料位计之间通过数据电缆将各所述数据通信接口部件串联，进行多个所述多阵面辐射料位计的相互数据通信。增加数据通信接口部件，实现多个独立的多阵面辐射料位计的信号串联，形成一个大量程的测量；增加数据通信接口部件后，也可以在一个大量程的料位计中使用多个多阵面辐射料位计，该大量程的料位计中有一个主运算处理器，这个主运算处理器与每个多阵面辐射料位计之间的运算处理器之间可以通过各数据通信接口部件进行相互数据通信，主运算处理器能够将每个多阵面辐射料位计中的运算处理器运算的料位结果进行综合运算，输出一个更加精准的料位数据，相当于一个大量程的料位计具有多个测量探头（即多阵面辐射料位计）。

进一步地，所述的多阵面辐射料位计还包括放射源器件，当所述待测物料为非放射性物料时，所述放射源器件放置在所述待测物料的待测位置。当待测物料为非放射性物料时，在待测物料的待测位置放置放射源器件，多阵面辐射料位计就能够通过该放射源器件放射的辐射信息，测量出待测物料的料位信息，也就是说该多阵面辐射料位计与该放射源器件构成一套有源料位测量装置。

进一步地，所述的阵列辐射料位计还包括探杆和移动电源，所述移动电源、所述阵列式光电转换与倍增部件、所述运算处理器以及所述输出部件均固定在所述探杆的一端，所述移动电源用于为所述运算处理器、所述输出部件以及所述阵列式光电转换与倍增部件供电。通过增加探杆，使得本料位计能够便携式携带与测量，料位计本身不用固定在某个固定的位置，用户可以根据需要将本料位计通过探杆放置于任何想要测量的位置。

优选地，所述探杆为伸缩杆或折叠杆。探杆具有伸缩性和折叠性便于对不同位置进行测量。

本发明还提供了一种多阵面辐射料位计的测量方法，包括以下步骤：s1：在运算处理器中预先存储所述探测阵面在测量空间内的位置信息、预设用于生成物料的料位数据或者图像的数学模型或方法；s2：待测物料放射出的高能粒子碰撞到各探测阵面内的所述闪烁晶体后，各所述闪烁晶体将高能粒子的动能转化为光能，并将所述光能传递给各所述微型器件；s3：各所述微型器件将所述光能转换为电信号，并将所述电信号发送给所述运算处理器；s4：所述运算处理器依据所述预设的数学模型或者方法，根据所述预存的位置信息和所述电信号，生成物料的料位数据或者图像，并将所述料位数据或图像发送给所述输出部件；s5：所述输出部件将所述料位数据或图像输出。

本发明还提供了一种多阵面辐射料位计用于辨别容器内物料挂料或者搭桥的方法包括以下步骤：s1：所述多阵面辐射料位计具有两个所述探测阵面，两个所述探测阵面面对待测物料垂直方向呈v型布局放置；s2：在所述运算处理器中预先存储两个所述探测阵面的位置信息、将面向待测物料来料方向的探测面阵定义为m1阵，将面向待测物料堆积方向的探测面阵定义为m2阵；s3：待测物料放射出的高能粒子碰撞到两个所述探测阵面内的闪烁晶体后，各所述闪烁晶体将高能粒子的动能转化为光能，并将所述光能传递给各所述微型器件；s4：各所述微型器件将所述光能转换为电信号，并将所述电信号发送给所述运算处理器；s5：所述运算处理器统计预设时间段内两个所述探测面阵的辐射相关数据，将m1阵数据定义为c1，将m2阵数据定义为c2；当在预设的时间段内，当c1的最小值大于c2的最小值时，判断容器内出现物料搭桥现象；当预设时间段t内，c1与c2的最小值均大于各自预设值c11和c21而小于各自预设值c12和c22时，判断容器内出现挂料；所述运算处理器将上述判断结果发送给所述输出部件；s6：所述输出部件将所述料位判断结果输出。

有益效果：本发明通过采用集成若干微型器件组成的阵列式光电转换与倍增部件，作为料位计的探测阵面，每个阵列式微型器件都相当于无数个传统的光电倍增管，实现了很多以往传统光电倍增管无法实现的功能。由于阵列式结构具有灵活的自定义特性，可以依据需要灵活拓展阵列式光电转换与倍增器件的几何形状、大小与结构，因此本发明具有极强的性能拓展能力。结构上极大缩小了料位计的尺寸，极大提高料位计的时间特性。同时由于阵列式光电转换与倍增部件的扁平化布局，通过耦合扁平化的闪烁晶体，极大提升了料位计探测的方向性能。通过设置两个及以上微型器件，每个微型器件均能够将从闪烁晶体获取的光能转换为至少一个与待测物料的辐射相关电信号，通过每个微型器件的不同方向布置、空间位置布置以及不同屏蔽结构设置，运算处理器通过处理两个及以上的电信号，极大提升料位计的测量准确性、方向性和探测范围。

本发明相较于现有的核子料位计，极大降低了配合放射源的放射性强度，解决了由于放射源衰减导致的测量不准问题；与现有无源核子料位计相比，具有显著的时间特性、方向特性、空间分辨能力，增大了单个料位计的测量范围，测量更加准确、可靠。

附图说明

图1为实施方式1中多阵面辐射料位计的结构示意图；

图2为两个探测阵面与运算处理器和输出部件共用同一壳体的结构示意图；

图3为两个探测阵面共用一个壳体、运算处理器和输出部件共用同一壳体的结构示意图；

图4为两个探测阵面分别位于一个壳体、运算处理器和输出部件共用同一壳体的结构示意图；

图5为多阵面辐射料位计在测量大容器中物料料位时的布置示意图；

图6为多阵面辐射料位计在测量小容器中物料料位时的布置示意图；

图7、8和9为实施方式2中多阵面辐射料位计的结构示意图；

图10为实施方式3中多阵面辐射料位计的结构示意图；

图11为实施方式4中两个多阵面辐射料位计串联成一个大量程的料位计的结构示意图；

图12为实施方式5中两个多阵面辐射料位计组成一个大量程的料位计的结构示意图；

图13为实施方式7中具有探杆的多阵面辐射料位计的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的介绍。

实施方式1：

本实施方式提供了一种多阵面辐射料位计，如图1所示，主要由运算处理器、输出部件、滤波器9、放大器10以及两个探测阵面组成，每个探测阵面按照测量要求设置在测量空间内的不同位置处；各探测阵面均由四个闪烁晶体1和由四个可独立完成光电转换与倍增的微型器件5组成的阵列式光电转换与倍增部件2组成，本实施方式中，该阵列式光电转换与倍增部件2优选使用阵列式布局的硅光电倍增管、微通道板光电倍增管、微球光电倍增管或阵列式布局的雪崩二极管；四个闪烁晶体1均与阵列式光电转换与倍增部件2耦合，一个阵列式光电转换与倍增部件2具有一路电信号通道，即一个阵列式光电转换与倍增部件2中的四个微型器件5共用一路电信号通道；滤波器9的输入端通过这两个电信号通道与阵列式光电转换与倍增部件2连接，滤波器9的输出端与放大器10的输入端连接，放大器10的输出端与运算处理器3的输入端连接，运算处理器3的输出端与输出部件4的输入端连接。

优选地，在实际应用中，还在运算处理器3的输出端连接显示部件11，用于显示测量到的料位信息或其他参数信息。

上述多阵面辐射料位计的测量方法如下：

s1：在运算处理器3中预先存储两个探测阵面在测量空间内的位置信息、预设用于生成物料的料位数据或者图像的数学模型或方法；

s2：待测物料放射出的高能粒子碰撞到各探测阵面内的四个闪烁晶体1后，四个闪烁晶体1将高能粒子的动能转化为光能，并将光能分别传递给四个微型器件5；

s3：四个微型器件5将光能转换为两路电信号，并将两路电信号发送给滤波器9，经滤波器9的滤波和放大器10的放大，两路电信号被发送给运算处理器3；

s4：运算处理器3依据预设的数学模型或者方法，根据预存的位置信息和电信号，生成物料的料位数据或者图像，并将料位数据或图像发送给输出部件4；

s5：输出部件4将料位数据或图像以开关量、脉冲信号、模拟量或者数字量形式输出给显示器11，经显示器11显示给用户。

用如下实列来具体描述上述方法的实施：

1、多阵面辐射料位计中，每个探测阵面均选用100个硅光电倍增管组成4*25布局的阵列式光电转换与倍增部件2，每个硅光电倍增管相互间距为10mm；运算处理器驱动的显示器上，预设4*25网格；每个网格对应一个硅光电倍增管并且与其实际相对位置一致；预设程序为当每个硅光电倍增管传递给运算处理器的单位时间段内计数数据大于或等于最大预设值时，在显示器网格上该网格显示为黑色，当计数数据小于或者等于最小预设值时，在显示器网格上该网格显示为白色；计数数据介于两者之间时，该网格显示灰色，灰色的色阶与数据大小成线性对应关系。

2、当各探测阵面探测到具有放射性杂质的物料时，在探测范围内，当物料全部填满探测空间时，显示器中网格全部显示为黑色，当探测空间没有物料时，显示器中网格全部为白色。当物料开始增加或者减少时，显示器中每个网格探测显示对应的硅光电倍增管的辐射计数信息所对应的色阶。料位到达的地方，网格颜色就变成黑色。用户依据显示器的网格中的展示的信息，可以准确判断物料的料位。

优选地，在实际应用中，多阵面辐射料位计还包括温度采集部件（比如型号为ds18b20的温度传感器），该温度采集部件的输入端位于测量空间内，输出端与运算处理器3的输入端连接，用于采集测量空间内的温度信号，并将温度信号发送给运算处理器3。在上述s4中，运算处理器3依据接收到的温度信息，对测量到的料位数据或图像进行温度补偿计算，并生成更加准确的料位数据或图像，然后在s5中，输出部件4就能够输出更加准确的料位数据或图像。

在实际应用中，运算处理器、输出部件以及两个探测阵面可以均安装于同一个壳体内，如图2，这种情况适用于仅仅需要判断一个安装位置测量点附近的物料料位情况时，集成于一个统一的壳体里，设备具有整体性强，安装使用方便的特点；或者，两个探测阵面均安装于第一壳体内，运算处理器和输出部件安装于第二壳体内，第一壳体依据测量需要安装于测量空间内，各探测阵面通过连接线缆与运算处理器连接，如图3；这种情况适用于测量空间狭小，或者环境干扰大的应用场合，比如温度、振动等恶劣环境，可以有效保护运算处理器处于良好的运算状态；或者，两个探测阵面分别安装在一个第一壳体内，运算处理器和输出部件安装于第二壳体内，第一壳体依据测量需要安装于测量空间内，各探测阵面通过连接线缆与运算处理器连接，如图4；这种情况非常适合需要检测范围大、监测范围可调节以及需要较大量程内连续测量的情况。

下面列举一个本实施方式中的多阵面辐射料位计在实际生产中的应用实例。

本多阵面辐射料位计可以用来测量大容器（如图5，两个探测阵面对外）或小容器（如图6，两个探测阵面对内）内物料的料位信息，将多阵面辐射料位计中的两个探测阵面面对待测物料垂直方向呈v型布局设置于待测容器外部时，其两个探测阵面可以分别获取待测容器上半部或者下半部的辐射信息（因为探测阵面的设置特点以及方向性，可以实现其探测的方向性，这是传统的无源核子料位计不可以做到的）。

在运算处理器3中预先存储两个探测阵面的位置信息、将面向待测物料来料方向的探测面阵定义为m1阵，将面向待测物料堆积方向的探测面阵定义为m2阵；待测物料放射出的高能粒子碰撞到两个探测阵面内的闪烁晶体1后，各闪烁晶体1将高能粒子的动能转化为光能，并将光能传递给各微型器件5；各微型器件5将光能转换为电信号，并将电信号发送给运算处理器3。

运算处理器3统计预设时间段内两个探测面阵的辐射相关数据，将m1阵数据定义为c1，将m2阵数据定义为c2；当在预设的时间段内，当c1的最小值大于c2的最小值时，判断容器内出现物料搭桥现象；当预设时间段t内，c1与c2的最小值均大于各自预设值c11和c21而小于各自预设值c12和c22时，判断容器内出现挂料；运算处理器将上述判断结果发送给所述输出部件4；输出部件4再将料位判断结果输出。

两个面阵垂直设置时，配合放射源使用时，对比上下面阵数据，判断料位是否到达测量位置。可以有效避免放射源衰减后，数据标定的问题。因为这种情况下，是通过比较两个阵面大小，判断物料是否到达测量位置的，有效避免了有源测量状态下，由于放射源衰变，引起的单面阵由于基数变化，引起的测量错误。

本多阵面辐射料位计最大的特点是：利用两个探测阵面不同的设置位置，可以实现不同状况的探测，同时，极大降低了设备的成本。如对于管道等小容器的测量，两个探测阵面的测量面均对内，在这个工作模式下，两个探测阵面测量数据加和，实现对于管道等弱信号的测量；对于灰斗等大容器的测量，两个探测阵面的测量面均对外，在这个工作模式下，两个探测阵面测量数据相加或比较，可以实现对于灰斗等强信号的更加准确测量或者显著提升单个料位的测量范围。实际应用中，可以依据需要选择不同的工作模式。

实施方式2：

本实施方式为实施方式1的进一步改进，主要改进之处在于，在实施方式1中，由于闪烁晶体1周围存在宇宙背景辐射噪声信号，这些宇宙背景辐射噪声信号会导致最终测量到的料位数据不准确，所以，在本实施方式中的多阵面辐射料位计中，各探测阵面中还包括辐射屏蔽部件6，该辐射屏蔽部件6在实际应用中优选使用铅皮制作而成的罩体。辐射屏蔽部件6用于屏蔽闪烁晶体1周围非测量方向的宇宙背景辐射噪声信号，以使得本料位计的测量结果更加准确。

在各探测阵面中，辐射屏蔽部件6可以只遮挡住四个闪烁晶体1的非辐射接收部分，如图7，或者将四个闪烁晶体1以及包含四个微型器件5的整个阵列式光转换与倍增部件2的非辐射接收部分均遮挡住，如图8；或者是在每一对微型器件5和闪烁晶体1的外部遮挡一个辐射屏蔽部件6，如图9。本实施方式中使用最后一种遮挡方式，单独遮挡的好处在于：减少非测量方向的辐射信号的影响，增强垂直方向入射辐射的探测能力；通过每个微型器件5的数据，结合每个微型器件5的位置信息，运算处理后生成物料的料位或者物料的图像；进一步强化各个微型器件5接收不同位置的辐射数据的差异性，更好的实现料位判断或图像生成，测量结果更加精确。

除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不做赘述。

实施方式3：

本实施方式为实施方式2的进一步改进，如图10，本实施方式中的多阵面辐射料位计中，各探测阵面中还包括噪声屏蔽罩7，该噪声屏蔽罩7将四个微型器件5中的其中任意一个微型器件5完全覆盖遮挡住。增加噪声屏蔽罩7的主要目的在于：运算处理器3可以将被噪声屏蔽罩7罩住的这个微型器件5生成的信号作为本底噪声信号，在实施方式1中步骤s4的生成物料的料位数据或者图像的过程中，可以使用该本底噪声信号修正其他微型器件5测量到的信号，以生成更加准确的料位相关数据。

除此之外，本实施方式与实施方式2完全相同，此处不做赘述。

实施方式4：

本实施方式为实施方式3的进一步改进，主要改进之处在于，本实施方式中的多阵面辐射料位计中还包含与运算处理器3连接的数据通信接口8部件，增加数据通信接口部件8之后，多个多阵面辐射料位计之间就可以通过数据电缆将各数据通信接口部件8串联，以实现多个独立的多阵面辐射料位计的信号串联，进行多个多阵面辐射料位计的相互数据通信，形成一个大量程的测量，如图11所示，两个具有数据通信接口部件8的多阵面辐射料位计通过数据线缆串联成一个大量程的料位计。

实施方式5：

本实施方式提供了一种阵列辐射料位的应用实例，如图12所示，可以在一个大量程的料位计中使用多个上述多阵面辐射料位计，该大量程的料位计中有一个主运算处理器12，这个主运算处理器12与每个多阵面辐射料位计之间的运算处理器3之间可以进行相互数据通信，主运算处理器12能够将每个多阵面辐射料位计中的运算处理器3运算的料位结果进行综合运算，生成一个整体料位信息，并经由该大量程料位计的输出部件输出。相当于一个大量程的料位计具有多个测量探头（即多阵面辐射料位计）。

除此之外，本实施方式与实施方式3完全相同，此处不做赘述。

实施方式6：

本实施方式为实施方式4的进一步改进，主要改进之处在于，本实施方式中的多阵面辐射料位计还包括放射源器件，当待测物料为非放射性物料时，在待测物料的待测位置放置放射源器件，多阵面辐射料位计就能够通过该放射源器件放射的辐射信息，测量出待测物料的料位信息，也就是说实施方式4中的多阵面辐射料位计与放射源器件构成一套有源料位测量装置。

除此之外，本实施方式与实施方式4完全相同，此处不做赘述。

实施方式7：

如图13所示，本实施方式中的多阵面辐射料位计还具有移动电源14和伸缩式或折叠式的探杆13，移动电源14、阵列式光电转换与倍增部件2、运算处理器3以及输出部件4均固定在探杆13的一端，移动电源14用于为运算处理器3、输出部件4以及阵列式光电转换与倍增部件2供电。增加探杆后，本料位计能够便携式携带与测量，料位计本身不用固定在某个固定的位置，用户可以根据需要将本料位计通过探杆13放置于任何想要测量的位置。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。