专利名称：一种物料的高精度测量方法及用该方法制造的核子秤的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种物料的测量方法，尤其涉及用核射线测量物料重量的方法以及用该方法制造的高精度核子秤。
核子秤是基于物质对γ射线吸收原理研制成的。各种物质都对γ射线有吸收作用，物质越多，吸收γ射线越多。反之物质越少吸收的γ射线也越少。因此，根据物质吸收γ射线的多少就可以测出物质的多少。
根据
图1可知核子秤的工作原理如下核子秤秤体支架上方放置γ射线源，支架下方放置γ射线探测器，输送带与物料在支架中间穿过。γ射线放射源稳定地发射出γ射线，其强度为常数，当皮带上无物料时，γ射线探测器接收的γ射线也是一个常数，此时探测器输出的电压为U0；当皮带上有物料时，放射源发射的γ射线一部分被物料吸收，其余部分穿过物料被γ射线探测器接收，此时探测器输出电压为Ui。根据物质对γ射线吸收定律可知U0Ui与物料有如下关系Ui=U0e-μρρd---(1)]]>式中U0--无物料时γ射线探测器输出电压Ui--有物料时γ射线探测器输出电压μρ--物料对γ射线的质量吸收系数ρ--物料密度d--物料厚度移项，同时在指数上乘以S/S得UiU0=e-μρρdS/S]]>W＝ρdsUiU0=e-μρW/S---(2)]]>S--物料在皮带上占有的面积将(2)式两边取对数，并令W/S＝F，K＝-1/μρ得F=K×LnUU0---(3)]]>式中 F--物料负荷
K--物料标定系数U0--无物料时γ射线探测器输出电压U--有物料时γ射线探测器输出电压利用速度传感器可测出输送带的速度V，则输送带上物料流量P为P＝FV输送带在一段时间内输送物料的累计量Wh为Wh=Σi=1nFiVi---(5)]]>现有的核子秤在运用公式(3)时，将K视为常数，而实际上K不是个常数，它是随着皮带负荷的变化而变化的。因此，系数K，仅能在标定时的流量情况下，且在一定范围内适用。
2.根据物质对γ射线吸收定律得知，在γ射线为平行束的情况下，物质吸收γ射线符合以下规律Ni=B×N0×e-μρρd---(6)]]>式中N0-无物质时，γ射线探测器接收的γ射线强度Ni-有物质时，γ射线探测器接收的γ射线强度ρ-物质密度d-物质厚度μρ-物质的质量吸收系数B-散射因子，与物质的d、ρ及γ射线的能量有关。
K≠常数的主要原因是，现有核子秤在应用物质对γ射线吸收定律时，对公式(6)进行了两点近似(a).比较公式Ui=U0e-μρρd]]>Ni=B×N0×e-μρρd]]>认为B＝1，这样就忽略了γ射线散射的影响。事实上，当物料的密度越大，物料越厚时，散射的影响也就越大，这时B≠1；(b).运用公式Ni=B×N0×e-μρρd]]>的条件是γ射线必须为平行束，而实际上现有的核子秤用的是点源、扇形束。从图2中可知物料在不同位置吸收γ射线状况，物料在A处时，吸收的γ射线为c-d所在平面处，物料在B处时，吸收的γ射线为a-b所在平面处，显然c-d＞a-b。这便说明了物料堆积形状及物料所处不同位置对计量精度有影响的。
可见，现有的核子秤用的标定系数K，仅在标定时的流量情况下，且在一定范围内适用。物料堆积形状变化、物料所处位置不同以及散射因素的影响是制约现有核子秤计量精度不高的主要原因。
目前国内外核子秤生产厂家生产的如清大HCS-工控PC核子秤等产品均采用物料总重量方法来标定系数K，即先假定一个K值输入到核子秤主机，核子秤主机按公式(5)计算通过核子秤的物料量，假设在某一段时间内，核子秤计量的物料重量为Wh，然后，用标准秤将此物料称后得重量为W标，利用Wh、W标去修正前K值，修正后的K修为
将K修值再输入计算机内，重复以上步骤可对K修再进行修正，直到
此种方法称为物料总重量标定法。不难看出，用此种方法标定系数K时，核子秤只记录物料重量，而未记录物料负荷变化情况，因此标定的系数K与输送带上物料负荷多少无关。因而现有核子秤不能根据负荷变化情况对系数K进行修正。
本发明的目的是提供一种消除流量变化、物料所处不同位置、物料堆积形状及散射等因素对计量精度影响的动态高精度测量方法，从而制造出高精度核子秤。
本发明是采用如下技术方案实现的一种物料的高精度测量方法，将所测物料置于输送装置上，在所述输送装置上方设置有γ放射源，在所述输送装置下方设置γ射线探测器，所述输送装置上连安装测速装置，所述γ射线探测器和测速装置分别与带有数据输入装置和数据输出装置的微机数据处理系统相连；首先根据有物料时所述γ射线探测器输出电压Ui及无物料时所述γ射线探测器输出电压U0，计算出物料负荷F＝KLn(Ui/U0)；其次利用所述测速装置测出的输送速度V，计算出所述物料的流量P＝FV；最后计算出所述输送装置在一段时间内的输送物料的累计量为Wh=Σi=1nFiVi]]>其特点在于所述公式F＝KLn(Ui/U0)中的系数K值，是根据所述物料的流量变化、在所述输送装置上所处的不同位置、堆积形状以及γ射线散射等因素的影响来动态修定的。
上述的测量方法，其特点在于所述系数K值是根据负荷法确定的负荷法就是在实物标定过程中，微机数据处理系统除计量物料总重量外，同时还记录输送带长度及输送带上物料负荷变化，据此确定系数K的方法。
具体标定系数K的步骤如下(1)在被测物料上任意确定一点a，微机数据处理系统通过数据输入装置自动输入的测定数据，计算出所述输送装置的长度
、输送平均负荷Ln(Ui/U0)平均值和物实重量W＝FiVi；(2)将利用标准秤称得的物料重量W标，通过数据输入装置的键盘输入微机数据处理系统内，计算出
再利用Ka＝F标a/Ln(Ui/U0)a平均值，求出在a点负荷下的标定系数Ka；改变物料负荷利用相同方法求出b，c，d点的Kb、Kc、Kd。
(3)得出F标或者W标、K与Ln(Ui/U0)的函数关系F标＝f(LnUi/U0)(4)根据F标＝f(LnUi/U0)修正F＝f(LnUi/U0)。
上述的测量方法，其特点在于用变参数法—折线法将公式F标＝f(LnUi/U0)修正为F＝bi+KiLn(Ui/U0)，根据输送负荷去选择不同的系数K值(1)确定测量点o，a，b，c，d，在图3中，将0a，ab，bc，cd，看成一些折线段，a，b，c，d诸点的坐标为已知，用两点决定一直线方法，可求得各折线段的斜率ki与截距bi，如线段0a、ab、bc、cd、的斜率和截距分别为k1，0；K2，b2；k3，b3；k4，b4。
(2)在图4中，根据判断折线位置流程，微机数据处理系统将用测出的输送负荷Ln(Ui/U0)去判断所测负荷所处在的折线段，然后选择所在线段的ki与bi按F＝bi+KiLnUi/U0。公式进行计算。
此外，上述的测量方法中还可用变参数法—多项式法将公式F标＝f(LnUi/U0)修正为用多项式表示的F＝a0+a1LnUi/U0+a2(LnUi/U0)2+…+ak(LnUi/U0)k(1)确定测量点o，a，b，c，d任何一组两个变量的测量点(XiYi)，这里i＝1，2，3…n，都可用一个多项式a0+a1x+a2x2+…+akxk来描述。令Y＝F标，X＝LnUi/U0，则F标＝f(LnUi/U0)的测量点0(原点)，a，b，c，d便可以用一多项式表示；(2)用最小二乘法求得多项式系数a0，a1...ak，从而得到用多项式表示的核子秤计算公式F＝a0+a1LnUi/U0+a2(LnUi/U0)2+...+ak(LnUi/Uo)k由最小二乘法可求出a0，a1，a2，......ak步骤如下正规方程为nΣxiΛΣxikΣxiΣxi2ΛΣxik+1MMΛMΣxikΣxik+1ΛΣxi2ka0a1Mak=ΣyiΣxiyiMΣxikyi]]>展开式为na0+Σxia1+Λ+akΣxik=ΣyiΛΛ---(1)]]>Σxia0+Σxi2a1+Λ+akΣxik+1=ΣxiyΛΛ---(2)]]>Σxika0+Σxik+1a1+Λ+akΣxi2k=ΣxikyΛΛ(k+1)]]>因测量点坐标xiyi为已知，故可计算出∑xI，∑xi2，......∑yi，∑xiyi，∑xikyi，......等数值，并将数值代入展开式(1)，(2)......(k+1)方程式，解展开式联立方程，便可求得系数a0，a1，a2，a3，...ak。
为了进一步实现本发明的目的，本发明提供了一种利用上述方法制造的核子秤，由支架、安装在支架上端封装在铅罐内的γ放射源、安装在支架下端的γ射线探测器、置于γ放射源与γ射线探测器之间的物料输送装置、带有数据输入装置和数据输出装置的微机数据处理系统、与微机数据处理系统相连的测速装置及与微机数据处理系统相连的前置放大器组成，其特点在于所述封装在铅罐内的γ放射源为2～7个，安装在所述支架上端，直线排列并且与所述γ射线探测器平行，采用多个γ放射源，使γ射线更接近于平行束，因而可减少流量变化，物料堆积形状及其所处不同位置对计量精度的影响。
上述的核子秤，其特点在于所述封装在铅罐内的γ放射源可根据被测物料选用137Cs、60Co、241Am三种不同放射源。
上述的核子秤，其特点在于所述封装在铅罐内的137Csγ放射源的铅罐为φ160～200mm，屏蔽层厚度大于7cm。
上述的核子秤，其特点在于所述γ射线探测器采用充氙薄壁长电离室，电离室长度为300～1500mm。
本发明具有的优点是采用本发明提供的计算方法，本发明核子秤测量精度高，采用多个γ放射源使γ射线更接近于平行束，本发明核子秤适用的流量范围大，应用领域广泛，采用薄壁充氙长电离室及高稳定前置放大器，本发明核子秤稳定性好。
下面结合附图对本发明进一步说明图1为现有技术核子秤示意2为物料在不同位置吸收γ射线状况示意3为F标与LnUi/U0函数关系曲线图4为判断折线位置流程5为实施例中F标与LnUi/U0函数关系曲线图6为实施例中判断折线位置流程7为本发明核子秤示意8为γ放射源铅罐结构示意9为微机数据处理系统框图下面通过具体实施方案对本发明进一步阐述
1).负荷法假设，实物标定时测得核子秤零点U0＝5V，输送带速度V＝1米/秒。用负荷法标定，确定a点步骤如下以小流量物料通过核子秤，微机数据处理系统开始对输送带长度L及输送带负荷F自动进行累积计算，待物料通过完毕后，假设微机数据处理系统测得
F=Σi=1nLnUiU0=0.1053]]>标准秤称得的上述物料重量W标＝1800kg，则F标＝W标/L＝1800kg/180m＝10kg/m，K＝10/0.10536＝94.96。而后依次改变物料流量，用同样方法，确定b、c、d点，其数据如下
令F标为纵坐标，令LnUi/U0为横坐标可确定出图5中的F标与LnUi/U0函数关系曲线从标定出的数据中，可以看出核子秤在物料负荷变化时K≠常数。2).变参数法-折线法用F＝bi+KiLn Ui/U0修正现有核子秤用的F＝f(Ln Ui/U0)已知测量点0(原点)，a，b，c，d的坐标如下<
<p>将0a，ab，bc，cd看成折线段，用两点决定一直线方法，求出各折线的截距与斜率
高精度核子秤计算公式
这里bi，ki代表上述折线段的截距和斜率。核子秤首先测出输送带负荷，而后用此负荷判断其所处在的线段，根据图6假设微机数据处理系统测得的负荷LnUi/U0＝0.3566，并利用此值进行如下判断看LnUi/U0＝0.3566是否大于0.3566，结果“No”，接着再判断LnUi/U0＝0.3566是否大于0.2231，结果是”Yes”，则计算机按F＝0.0779+90.62LnUi/U0进行计算得出F＝33.0977，它与c点的纵坐标F标＝33.1相符，误差δ＝(F-F标)/F标＝(33.0977-33.1)/33.1＝-0.006％，该误差远小于现有核子秤用F＝f(LnUi/U0)＝kLnUi/U0＝94.96×0.3566＝33.862算出的误差2.3％。同样可以对a、b、d点进行计算与比较。
3).变参数法-多项式法用多项式F＝a0+ka1(LnUi/U0)+a2(LnUi/U0)2+…+ak(LnUi/U0)k(k＝1，2，...k)修正现有核子秤用的F＝f(LnUi/U0)该公式现有核子秤取系数值为常数。
假定测量点仍为0、a、b、c、d，现用二次三项式F＝a0+a1(LnUi/U0)+a2(LnUi/U0)2计算步骤如下由最小二乘法可知，二次三项式的正规方程为nΣxiΣxi2ΣxiΣxi2Σxi3Σxi2Σxi3Σxi4a0a1a2=ΣyiΣxiyiΣxi2yi]]>展开式为na0+∑xia1+∑xi2a2＝∑yi(1)∑xia0+∑xi2a1+∑xi3a2＝∑xiyi(2)∑xi2a0+∑xi3a1+∑xi4a2＝∑xi2yi(3)根据各测量点坐标计算有关数据如下
将计算的数据代入(1)、(2)、(3)式得5a0+1.1958a1+0.44894a2＝111.1(4)1.1958a0+0.44894a1+0.190893a2＝41.5416 (5)0.44894a0+0.190893a1+0.086848a2＝17.62828(6)解(4)、(5)、(6)三式联立方程求得a0，a1，a2为a0＝0.019324a1＝95.3145a2＝-6.62383本发明核子秤计算公式F=a0+a1LnUiU0+a2(LnUiU0)2]]>＝0.019324+95.3145(LnUi/U0)+(-6.62383)×(LnUi/U0)2现比较用多项式F＝a0+a1(LnUi/U0)+a2(LnUi/U0)2和现有核子秤用的公式F＝f(LnUi/U0)＝k(LnUi/U0)计算所得结果a).用多项式计算a、b、c、d各点的负荷F、物料累计重量Wh及误差δ。将a点的∑LnUi/U0＝0。1053代入多项式F＝0.019324+95.3145×0.1053+(-6.62383)×(0.1053)2＝9.982493kg/mWh＝F×l＝9.982493kg/m×180m＝1796.84kg，W标＝1800kg误差δ＝(W标-Wh)/W标＝-0.23％用同样方法可求出b点、c点、d点的数据如表2b).用现有核子秤的公式F＝f(LnUi/U0)＝k(LnUi/U0)计算a、b、c、d各点的负荷F、物料累计重量Wh及误差δ。
这里K＝常数，它只能是a、b、c、d诸点中的某一点的k值，如取a点的K值＝94.96，则F＝94.96(LnUi/U0)。
将a点的(LnUi/U0)＝0.1053代入上式，则F＝94.96×0.1053＝9.999kg/m，Wh＝F×l＝9.999kg/m×180m＝1799.8kg，W标＝1800kg。误差δ＝(W标-Wh)/W标＝0.007％用同样方法可求出b点、c点、d点的数据如下
可以看出，采用本发明方法制造的核子秤的精度较现有核子秤的精度有较大的提高。
4).核子秤I硬件部分在图中核子秤由支架1、γ放射源2、γ射线探测器3、输送装置4、微机数据处理系统5、微机输入装置6、微机输出装置7、测速装置8、前置放大器9组成。1.放射源本发明核子秤采用3个放射源，使γ射线更接近平行束，从而减少流量变化、物料堆积形状及其所在不同位置对计量精度的影响。根据被测物料的情况可选用137Cs(铯-137)、60Co(钴-60)、241Am(镅-241)三种不同放射源，其性能如下
从图8可知封装γ放射源的铅罐，由铅罐本体10、吊钩11、旋塞12、准直孔13组成，137Csγ放射源封装在φ160×200mm铅罐内，屏蔽层厚度大于7cm，达到国家防护标准，正常使用不影响工作人员健康，137Csγ放射源的开关由旋塞控制，旋到“开”的位置，137Csγ射线通过准直孔射出，旋到“关”的位置，137Csγ射线几乎全部被铅罐屏蔽。2.γ射线探测器γ射线的作用是将γ射线转换成电信号，其大小与γ射线的强度成正比。
γ射线探测器可采用专为高精度核子秤研制的充氙薄壁长电离室，也可采用现有核子秤用的充氩长电离室，前者较后者具有更高的灵敏度和较高的稳定性。电离室长度有300-1500mm多种规格，以适应不同宽度的输送带要求。3.输送装置输送装置可采用皮带、搅龙、刮板、链斗等多种输送机4.前置放大器前置放大器的作用是将电离室输出的10-9-10-10A电流信号放大为0-5v电压信号。放大器用AD-549运算放大器作主放，它具有高增益、高输入阻抗、低漂移，高稳定性等特点。5.测速装置测速装置的作用是测量输送带速度，它是由从动轮或者编码器、小型直流发电机及支架组成。
如采用皮带工作时，皮带带动从动轮使直流发电机输出直流电压其大小正比于皮带度。
5.微机数据处理系统6.采用研华80586CPU主板，从图9中可知微机数据处理系统配有TVGR显示卡、12位A/D板、12位D/A板、600兆硬盘、2个软盘驱动器、RC-232通讯接口以及键盘、打印机、显示器等，该系统的作用是进行数据采集、数据处理、计算、显示、打印、制表及控制管理等。
II软件部分，采用Windows95(98)编制软件a)数据采集1).中断方式2).采集速度5次/S，10次/S，将每次采集的数据相加，求出每秒采集的平均值，并用此值计算负荷、带速、流量、累计量；b)计算公式采用本发明方法的计算公式F＝bi+kiUi/U0或F=a0+a1LnUiU0+a2(LnUiU0)2+……ak(LnUiU0)k]]>c)定值与配比控制
d)打印与制表可随时打印和定时打印，可打印各种计量数据、各种参数及小时、班、日、月、年产量的各种报表；e)清除功能可清除累计量、班产量、日产量，并重新开始计量；f)显示功能可显示各种参数、计量数据、产量报表及工作状态；g)校对U0功能可人工校对U0，也可自动校对U0；h)通讯与联网功能发明技术方案与现有核子秤性能比较
达到效果核子秤以其稳定性好，维修量小而著称，广泛应用于建材、煤炭、冶金、化工、有色、粮食、烟草等行业，但由于其精度不高，通常只作为工艺秤使用。采用负荷法标定及变参数法制造的高精度核子秤的精度可达到0.5％以下(现有核子秤精度为1-3％)，这样便可满足商业用秤的要求，从而扩大了核子秤应用领域。例如，可用于沿海港口、内河沿岸的集散码头及沿岸工厂企业的散装物料装船、卸船。而过去大都是用船的吃水线计量，这样因计量不准而常常引起纠纷。因其产品价格低廉(约20万元)，可创造可观的经济效益。
权利要求
1.一种物料的高精度测量方法，将所测物料置于输送装置上，在所述输送装置上方设置有γ放射源，在所述输送装置下方设置γ射线探测器，所述输送装置上安装有测速装置，所述γ射线探测器和测速装置与带有数据输入装置和数据输出装置的微机数据处理系统相连；首先根据有物料时所述γ射线探测器输出电压Ui及无物料时所述γ射线探测器输出电压U0，计算出物料负荷F＝KLn(Ui/U0)；其次利用所述测速装置测出的输送速度V，计算出所述物料的流量P＝FV；最后计算出所述输送装置在一段时间内的输送物料的累计量为Wh=Σi=1nFiVi]]>其特征在于所述公式F＝KLn(Ui/U0)中的系数K值，是根据所述物料的流量变化、在所述输送装置上所处的不同位置、堆积形状以及γ射线散射等因素的影响来动态修定的。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于所述系数K值是根据负荷法确定的(1)在被测物料负荷上任意确定一点a，微机数据处理系统通过数据输入装置自动输入的测定数据，计算出所述输送装置的长度L、输送平均负荷Ln(Ui/U0)平均值和物料重量W；(2)将利用标准秤称得的物料重量W标，输入微机数据处理系统内，计算出
再利用Ka＝F标a/Ln(Ui/U0)a平均值，求出在a点负荷下的标定系数Ka；改变物料负荷利用相同方法求出b，c，d点的Kb、Kc、Kd。(3)得出F标或者W标、K与Ln(Ui/U0)的函数关系F标＝f(LnUi/U0)。(4)根据F标＝f(LnUi/U0)修正F＝f(LnUi/U0)
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于用变参数法—折线法将公式F标＝f(LnUi/U0)修正为F＝bi+KiLn(Ui/U0)，根据输送负荷去选择不同的系数K值(1)确定测量点o，a，b，c，d，用两点决定一直线的方法求得折线断的斜率ki与截距bi；(2)微机数据处理系统将用测出的输送负荷Ln(Ui/U0)去判断所测负荷所处在的折线段，然后选择所在线段的ki与bi，按F＝bi+KiLnUi/U0公式进行计算。
4.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于用变参数法—多项式法将公式F标＝f(LnUi/U0)修正为用多项式表示的F＝a0+a1LnUi/U0+a2(LnUi/U0)2+…+ak(LnUi/U0)k(1)确定测量点o，a，b，c，d，每点坐标(F标，LnUi/U0)(2)用多项式F＝a0+a1LnUi/U0+a2(LnUi/U0)2+…+ak(LnUi/U0)k计算，用最小二乘法求得多项式系数a0，a1，…aK。
5.一种利用权利要求1、2、3或者4所述方法制造的核子秤，由支架、安装在支架上端封装在铅罐内的γ放射源、安装在支架下端的γ射线探测器、置于γ放射源与γ射线探测器之间的物料输送装置、带有数据输入装置和数据输出装置的微机数据处理系统、与微机数据处理系统相连的测速装置及与微机数据处理系统相连的前置放大器组成，其特征在于所述封装在铅罐内的γ放射源为2～7个，安装在所述支架上端，直线排列并且与所述γ射线探测器平行。
6.根据权利要求5所述的核子秤，其特征在于所述封装在铅罐内的γ放射源可根据被测物料选用137Cs、60Co、241Am三种不同放射源。
7.根据权利要求5所述的核子秤，其特征在于所述封装在铅罐内的137Csγ放射源的铅罐为φ160～200mm，屏蔽层厚度大于7Cm。
8.根据权利要求5所述的核子秤，其特征在于所述γ射线探测器采用充氙薄壁长电离室，电离室长度为300～1500mm。
全文摘要
本发明公开了一种物料的高精度测量方法,将现通用核子秤采用的测量公式F=K(LnU
文档编号G01N23/02GK1248697SQ99111339
公开日2000年3月29日 申请日期1999年8月10日 优先权日1999年8月10日
发明者邸生才 申请人:邸生才