采用β射线精确测量纸张定量的研究

第33卷 第7期2013年 7月核电子学与探测技术Nuclear Electronics& Detection TechnologyV01．33 No．7July． 2013采用 l3；射线精确测量纸张定量的研究胡连华 ，李新平 。，汤伟(1．陕西科技大学轻工与能源学院，陕西西安 7120021；2．陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安 7120021；3．陕西科技大学电信学院，陕西西安 7120021)摘要：在介绍 B射线纸张定量测量原理基础上，通过分析z向距离、XY向错位、气隙温度、灰尘及纸种等因素对定量测量精度影响原因，给出了相应的补偿或处理方法，再结合恒温、自动校正以及量程分段方法以提高定量测量精度。设计的定量传感器测量性能接近进口QCS系统定量传感器同等水平，达到了对纸张定量精确测量的目的。

关键词：B射线；纸张定量；精确测量中图分类号： TL99，TH 715 文献标志码： A 文章编号 ： 0258-0934(2013)07-0869-04纸张定量是指每平方米纸张的质量，单位为g／m 。在纸张定量在线检测中，国内外普遍采用 QCS(Quality Control System，质量控制系统)中的定量传感器来完成在线检测。随着我国造纸工业的发展，对纸张定量在线检测精度提出了更高的要求。例如拷贝纸定量范围为12～2O g／m ，目前国内外定量传感器对其检测精度为 ±0．5 g／m ，生产企业期望检测精度能进一步提高，达到±0．25 g／m ；板纸定量范围为150—1 500 g／m ，由于纸板定量克重高、范围大，测量精度用百分比表示，目前国内外定量传感器对板纸的测量精度为±1．O％，企业则期望能够达到 4-0．5％。要提高纸张定量检测精度，需要从纸张定量传感器测量原理、结构、工作环境和计算方法等多个环节进行分析研究。

收稿日期：2013—03—14基金项目：陕西省科技统筹创新工程计划项 目(2012KTCQ01一l9)；陕西省教育厅专项科研计划项目(2013JK1062)资助。

作者简介：胡连华(1978一)，男，山东金乡人，讲师，硕士，主要研究制浆造纸过程测量与智能控制。

1 8射线纸张定量测量原理纸张定量传感器结构如图1所示，放射源放出的p射线穿过纸张时，p射线衰减符合比尔定律原理，衰减后的B射线经电离室和放大电路转化为电压信号。

信号电离室纸射线快门放射源图1 定量传感器工作示意图文献[1]在剖析了进口QCS系统的基础上，比较了几种不同的纸张定量测量计算公式，给出了一种变形的泰勒展开计算公式(式 1)，在较大的纸张定量范围内都具有比较理想的检测精度，相对精度可达到 ±0．5％，如将量程根据不同纸种进行优化标定，相对精度可达到±0．25％ 。

BW=BAo+ 1 + 2 + 3 ；(1)869 其中：X=Ln(( 一 )／( 一))；BW为纸张定量； 。一 。为计算系数； 咖 和 分别为在线扫描电压、无射线电压和空气气隙电压。

2 用于纸张定量测量的 B射线放射源理论上 p射线、 射线、x射线以及近红外光线等都能用于物质的定量测量。目前适用于纸张测量有实用价值的 B射线放射源参数如表 l所示。

表 1 放射源半衰期时间表放射源 C ‘ Pm Kr 2e4T1 粥srB射线能量／MeV 0．153 0．285 0．57 0．76 2．27半衰期／a 50．3 2．62 10．7 3．13 28．1对于纸张定量测量无论从灵敏度还是统计误差考虑以选取H Pm源为宜，若考虑到测量定量更高的纸板和使用年限，除小于 40 g／m 纸张定量测量选取 ¨Pm源外，多选取 I(r源。文献[2]给出了放射源活度选择的参考依据，国内外定量传感器对于常规纸张定量测量多采用300 mCi以下的放射源，但 300 mCi的放射源在测量 l 000 g／m 纸张时，有效穿透纸张到达电离室的射线已经较少，电离室电流较小，放大电路部分需要增大反馈电阻或采用 T型接法l3 J，以提升输出电压。

3 影响定量测量精度的因素及补偿方法穿透式传感器实际测量的是放射源与探测器之间所包容空间内所有物质的质量。除了纸张外还包括空气柱的质量、灰分的质量等。只有其他因素恒定时，射线的衰减才与定量成单值函数。影响其测量精度的因素有 z向距离、XY向错位、气隙温度、灰尘及纸种等。

3．1 Z向距离变化造成的定量测量误差及补偿方法在定量的在线测量过程中，由扫描架带动定量传感器在纸面上做左右往复运动进行工作。由于机械加工精度、温度变化、蠕动变形问题，定量传感器B射线发送端与电离室之间z向距离是变化的，造成 B射线穿透气隙厚度变化，最终造成定量测量误差。空气的密度 P=8700．001 293 g／cm ，当z向距离变化0．1 cm时，定量变化 0．000 129 3 g／cm ，用定量单位表示为 1．293 g／m ，因此需要对 z向距离变化造成的误差进行补偿。

定量传感器 z向距离采用电涡流传感器进行测量，国内电涡流产品在 0～0．3 cm量程范围内，测量精度可达 0．2％，Z向最大测量误差为0．000 6 em，因此，经过 Z向距离补偿后，可以将 z向距离变化带来的定量误差减小为0．007 758 g／m 。

3．2 XY向错位造成的定量测量误差及补偿方法工业用 p射线放射源是定量发射 p射线的。放射源与探测器之间的距离一般在25 mm左右，放射源直径为30 mm，实际发射窗口直径约为25 mm，电离室的直径为76 mm。扫描架在带动定量传感器工作时，XY向错位一般小于2 mm，因此 XY向错位对定量测量误差可以忽略。当错位较为严重时，在软件处理定量数据时用横向空态补偿方法进行修正。

3．3 气隙温度变化造成的测量误差及补偿方法定量传感器一般安装在纸机干燥部的压光机后，该处一年四季 的温度变化可达 4O℃以上。当环境温度变化时源盒和探头间的2个空气柱也随着变化，而气体密度的变化则引起与定量测量无关的变化。文献[4]表明，温度变化1℃，定量变化 1 g／m 。气隙温度的测量采用AD590温度传感器、OP07运算放大器为核心的放大电路组成的电路，电路示意图如图2所示。温度传感器信号经运放 OP07放大电路变换成0—5 V标准信号，并用 RC滤波电路对0—5 V信号范围内的高频干扰信号进行滤波，温度测量误差小于0．I~C。经温度补偿后，温度引起的气隙密度变化测量误差可以减小为0．1 g／m 。

3．4 灰尘累计造成的测量误差及补偿方法在纸机运行过程中，定量传感器发射窗口与电离室之间不可避免的存在各种灰尘。其中多为细小纤维、填料、胶乳等，另外由于纸张在传感器中间高速穿行，造成局部负压，周围空气中悬浮的灰尘也会累积在传感器之间。由于灰尘的组分不定，无法用一种测量的方法进行补 图2 气隙温度测量电路示意图偿，通常通过两种途径来解决。一种为发射窗口、电离室四周留有细小缝隙，在传感器内部通洁净压缩空气，形成气帘，减少灰尘积聚；另外一 种为将灰尘记为本底误差的一部分，通过手动或自动的方式进行校正。

3．5 纸种变化造成的测量误差及补偿方法纸种的变化不仅是纸种定量的变化，有时纸张的填料、施胶量也发生变化，其中填料的变化对定量测量最大。由于根据不同纸种的需求，添加的填料也不相同，常用的填料有 TiO：、CaCO 高岭土、滑石粉等。但相对来说对于同一 种纸张其填料组分相对稳定，因此可以针对不同的纸种建立参数库，通过修改式(1)中系数，不同纸种采用不同计算系数进行校正。

3．6 放大器选取文献[3]和文献[5]分别给出了放大电路的设计方法以及放大器的选型原则，结合性价比，信号放大器件采用美国国家半导体器件公司高精度仪表放大器AD624。其性能参数为：噪声0．2 V P—P 0．1 Hz一10 Hz；非线性0．001％max；共模抑制比130 dB rain；输入漂移0．25 v／C max，其电路原理如图3所示。

改变RG大小即可方便调节放大倍数，选用放大倍数为500，实验电压输出为O一8 V。Uout= Uin G，其中C=500，RG=40 k／(G一1)80 Q。当温度恒定时，放大电路输出电压波动最大值为0．000 l V，经式(1)计算后，由放大电路输出电压波动造成的最大测量误差为0．002 m 。

4 传感器恒温温度变化除了会造成气隙密度变化外，还可以引起电离室工作环境温度变化、放大电路温度漂移等造成测量误差。对射线发射端以及电离室接收端采用恒温处理，可以避免电离室一 rr+烈 )T图3 AD624电路及元器件老化，将放大电路的温度漂移降至最低，减小了测量误差的同时，保证了传感器的稳定性。

5 传感器自动校正扫描在每次开始正常扫描之前，或扫描一段时间后各项累计测量误差较大时，必须做标准化工作，在标准化过程中主要完成在线扫描时所需的测量基准数据和计算标样基准偏差。

通过传感器内部设置标样，扫描架可以实现对标样的自动测量，根据与标样之间的误差在实时测量时进行校正，可以将灰尘累积等其它误差消除。

6 量程分段处理由于纸张产品种类不同，其定量范围也变化较大，为了保证传感器对不同纸种有足够的灵敏度，通过调整图3中的 RG阻值可以使传感器处于不同工作量程。采用60 g／m 的标准纸张进行测试，依次叠加到 l 500 g／m 的试验方法 ，得到图4中0一l 500 g／m2、480—1 500g／m 、720—1 500 g／ 和 1 200—1 500 g／m。4种不同量程的传感器工作特性曲线。通过曲线可以看出在0—700 g／Il2范围内该曲线 1具有良好的灵敏度。同理 500—1 000 g／m 范围内纸种采用曲线2，800—1 200 g／m 采用曲线3，1 000～1 500 g／m。采用曲线4，均可得到良好的灵敏度。

7 定量检测性能对比在经过上述 3．1—3．6节中误差补偿、恒温、自动补偿以及量程分段后，定量测量精度得到了大幅提高。定量传感器采用上述技术设计制作成功后与国外某知名 QCS厂商定量传感器做了性能对比，对比结果见表2。

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、 、～■～～ ， ≤兰薹：图4 定量传感器工作特性曲线由对比结果可以看出，本次设计传感器可重复性、静态精度和动态精度指标非常接近国外知名厂商定量传感器检测精度。

8 总结纸张定量的精确测量是设计机械、电气、数据处理和软件设计的综合性课题，本文着重从定量测量误差成因上探讨提高纸张定量检测精度的方法，采用补偿、恒温、自动校正以及量程分段等多种方式，最终达到了纸张定量高精度表2 定量传感器测量性能对比检测的目的，设计出的定量传感器检测的性能接近进口QCS系统定量传感器同等水平。

参考文献：[1]汤伟，王孟效，陈玉钟．一种进口QCS的改造实现[J]．中国造纸 ，2004，23(7)：27—33.

[2]李刚，候跃新，周东亮 ，等．纸张定量检测中放射源强度的选择[J]．核电子学与探测技术，2009，29(5)：1189—1192.

[3]陈国杰，曹辉．高性能微电流集成放大器的设计[J]．核电子学与探测技术，2005，25(O3)：243—245.

[4]孙瑜，周强，王盂效．国产定量仪温漂问题的研究与改进[J]．中华纸业，2003，24(9)：29—32.

[5]彭进先，刘国福 ，彭俊，等．低噪声电荷灵敏前置放大器关键技术的现状及研究[J]．核电子学与探测技术，2012，32(1)：l一6.

[6]美国模拟器件公司 AD624器件手册.

The Research on Accurate M easurement of PaperBasis W eight by Using Beta RayHU Lian—hua ，LI Xin—ping ，TANG Wei。

(1．Colege of Light Industrial＆Energy，Shaanxi University of Science＆Technology，Xi hn，Shaanxi Province，710021，China；2．Shaanxi Key Laboratory on Paper Technology and Specialty Papers，Xi矗n，Shaanxi Province，7113021，China；3．CoUege of Electrical＆Information Engineering，Xi，眦，Shaanxi Province，7113021，China)Abstract：In the paper，after introducing the measurement principle of paper’S basis weight，the factors whichare affecting the measuring accuracy，such as the Z distance，XY dislocation，air gap temperature，dust andpaper grades are analyzed．And the compensations or solving methods of accurately measuring are given．Themethods of thermostat，automatic calibration and range segmentation are combined in order to improve the accu—racy of basis weight measurements．The measurement performance of the designed basis weight sensor is at thesame level of imports basis weight sensor．The purpose of the paper~basis weight accurate measurement is real—ized.

Key words：Beta ray；basis weight；accurate measurement872