核子式稱重傳感器，稱重傳感器，科里奧利質量流量計

核子式稱重傳感器（又稱核子秤）是一種基于核物理學原理的非接觸式測量設備，主要用于工業場景中對物料質量或流量的連續測量。其核心原理是利用放射性同位素發出的射線與被測物料的相互作用，通過檢測射線衰減程度來推算物料的質量。以下是關于核子式稱重傳感器的詳細解析：

### **一、工作原理**

1. **核輻射基礎**  

  核子式傳感器主要由**放射源**（如γ射線源，常用同位素包括銫-137、鈷-60等）、**探測器**（如閃爍計數器、蓋革計數器）和信號處理電路組成。  

  - 放射源發出的射線穿過被測物料（如皮帶輸送機上的物料層）時，部分射線被物料吸收或散射，剩余射線被探測器接收。  

  - 物料的質量越大（單位面積質量，即面密度），射線衰減越顯著。根據**朗伯-比爾定律**，探測器信號強度與物料質量呈指數關系：  

    \[

    I = I_0 \cdot e^{-\mu \cdot \rho \cdot h}

    \]  

    其中，\(I_0\) 為入射射線強度，\(I\) 為透射強度，\(\mu\) 為物料的質量吸收系數，\(\rho\) 為物料密度，\(h\) 為物料厚度。  

2. **流量計算**  

  結合物料輸送速度（通過測速裝置獲取），可實時計算物料流量：  

  \[

  Q = \rho \cdot h \cdot v \cdot S = \frac{1}{\mu} \cdot \ln\left(\frac{I_0}{I}\right) \cdot v \cdot S

  \]  

  其中，\(v\) 為輸送速度，\(S\) 為輸送截面積。

### **二、核心特點**

#### **優點：**

1. **非接觸式測量**  

  無需直接接觸物料，適用于高溫（如熔融金屬）、高壓、強腐蝕、粉塵爆炸等惡劣環境，或高粘度、易粘附的物料（如礦漿、瀝青）。  

2. **動態測量能力**  

  可實時監測運動中物料（如皮帶輸送機、管道內流體）的質量流量，無需停機或中斷流程。  

3. **長期穩定性高**  

  無機械磨損部件，受振動、沖擊等干擾較小，適合長期連續運行的工業場景（如礦山、化工、冶金生產線）。  

#### **缺點：**

1. **放射性**隱患**  

  放射源具有放射性，需嚴格遵循輻射防護法規（如《電離輻射防護與輻射源**基本標準》），安裝、維護需專業人員操作，可能涉及環保審批和定期檢測。  

2. **成本較高**  

  放射源采購、防護裝置、專業校準及合規成本顯著高于傳統稱重傳感器（如應變式、振動式）。  

3. **精度限制**  

  典型測量精度為 **±1%~±3%FS**（低于應變式傳感器的±0.1%FS），且受物料成分（密度、原子序數）變化影響較大，需定期用標準物料校準。  

4. **環境依賴性強**  

  射線穿透能力有限（如γ射線穿透厚度通常小于30cm），被測物料厚度或密度波動較大時需調整放射源強度或更換同位素。

### **三、典型應用場景**

1. **工業物料計量**  

  - 礦山、港口：皮帶輸送機上煤炭、礦石的實時流量監測。  

  - 化工、建材：高溫粉料（如水泥熟料）、腐蝕性液體（如硫酸）的連續計量。  

2. **特殊環境測量**  

  - 核工業：放射性物料的非接觸式稱量（避免人員接觸輻射）。  

  - 高溫窯爐：熔融金屬或玻璃液的在線質量監測（傳統傳感器無法耐受高溫）。  

3. **動態過程控制**  

  - 自動化生產線：根據實時流量數據調節給料機轉速，實現閉環控制（如配煤系統、混凝土攪拌）。

### **四、選型與使用要點**

1. **放射源選型**  

  - **能量與半衰期**：根據物料厚度和密度選擇射線能量（如銫-137的γ射線能量為0.66MeV，適合中等厚度物料；鈷-60能量為1.17~1.33MeV，適合較厚物料）。  

  - ****性**：優先選擇半衰期較長的同位素（如銫-137半衰期30年），減少換源頻率；采用密封式放射源容器，確保輻射泄漏劑量低于**閾值（如公眾年有效劑量≤1mSv）。  

2. **探測器匹配**  

  - 閃爍計數器：適合高計數率場景，響應速度快，常用于動態測量。  

  - 蓋革計數器：靈敏度高，但線性范圍較窄，適合低強度射線檢測。  

3. **安裝與防護**  

  - 放射源與探測器需正對安裝，確保射線垂直穿過物料，避免散射干擾。  

  - 配備鉛屏蔽層（厚度根據射線能量計算），設置警示標識和連鎖保護裝置（如人員靠近時自動切斷放射源）。  

4. **校準與維護**  

  - 定期用已知密度的標準物料（如金屬板、礦石樣本）進行零點和滿量程校準。  

  - 監測放射源活度衰減（隨時間自然衰減），必要時通過軟件修正或更換放射源。  

### **五、替代技術與發展趨勢**

1. **非核子替代方案**  

  - **微波/激光測量**：利用微波反射或激光掃描測量物料厚度，結合密度計算質量（如微波固體流量計），無輻射風險但受粉塵影響大。  

  - **振動式傳感器**：通過物料對振動梁的阻尼效應測量質量，適合固態物料但不適用高溫環境。  

2. **核子技術改進**  

  - **數字化與智能化**：集成微處理器實時補償物料成分變化，結合物聯網（IoT）實現遠程監控與故障預警。  

  - **低劑量化**：采用新型探測器提高靈敏度，降低放射源強度，同時滿足環保要求。  

### **六、**與法規遵循**

- **輻射防護標準**：需符合國際原子能機構（IAEA）《放射源**和保安行為準則》及各國本地法規（如**《放射性同位素與射線裝置**和防護條例》）。  

- **操作人員培訓**：接觸放射源的人員需通過輻射**培訓，佩戴個人劑量計，定期進行健康檢查。  

**總結**：核子式稱重傳感器在極端環境下具有不可替代的優勢，但其放射性特性限制了普及。選型時需綜合評估工況需求、**成本及法規合規性，優先用于傳統傳感器無法勝任的場景（如高溫、強腐蝕、動態連續測量），并確保輻射防護措施到位。