煤炭元素含量在線測量程序的設(shè)計

李 鑫，呂健雄，程道文，李萬龍

(長春工業(yè)大學a.軟件職業(yè)技術(shù)學院;b.基礎(chǔ)科學學院，長春130012)

0 引 言

火電廠入爐煤的在線測量，煤炭交易的快速結(jié)算都急需一種快速測量煤炭內(nèi)碳、氫、氧3種元素含量的方法和儀器?；瘜W分析方法是一種小體積抽樣測量方法，測量過程復雜，時間長，代表性差，很難滿足煤炭工業(yè)快速發(fā)展的需求。中子感生瞬發(fā)伽馬射線分析(NIPGA:Neutron Induced Prompt Gamma－Ray Analysis)方法具有可在線測量、分析速度快、測量精度高、代表性強等優(yōu)點，是一種很有發(fā)展前途的煤炭元素含量在線測量方法［1－4］。基于NIPGA的煤炭元素含量測量裝置一般包括中子源、伽馬射線探測器、多道脈沖分析器以及中子探測儀等，測得的伽馬射線數(shù)據(jù)儲存在譜文件中［5］。煤炭元素在線自動測量時，硬件的控制以及利用譜文件計算元素含量都需要編寫相關(guān)程序。C#是一種簡單、安全、穩(wěn)定的高級程序設(shè)計語言，是由C和C++衍生的，在繼承其強大功能的同時去掉一些復雜特性，同時也綜合了VB的可視化操作和C++運行的高效率，是開發(fā)煤炭元素含量在線測量程序的首選語言［6］。

1 煤炭元素含量在線測量儀

煤炭元素在線測量儀主要包括脈沖D－T中子發(fā)生器(產(chǎn)額為108n/s，中子能量為14 MeV)、BGO(Bi3Ge4O12)伽馬射線探測器(直徑和高分別為100 mm)、4 096道脈沖分析器(MCA:Multi－Channel Analyzer)、中子探測器和兩個鉛筒(中子發(fā)生器外的鉛筒用于慢化中子，伽馬射線探測器外的鉛筒用于屏蔽干擾伽馬射線)以及聚乙烯外殼(防護中子輻射)。煤炭放置在煤炭運輸帶上(見圖1)，1～10分別是煤炭運輸帶、煤炭、鉛筒、中子探測器、D－T中子發(fā)生器、鉛筒、BGO伽馬射線探測器、聚乙烯外殼、MCA和計算機。在中子產(chǎn)額為108n/s，測量時間為120 s時，BGO探測器測得的典型伽馬能譜如圖2所示，其中H、Pb、C以及O的特征伽馬射線能量分別為2.22 MeV，2.62 MeV，4.43 MeV，6.13 MeV。

圖1 煤炭元素在線測量儀示意圖Fig.1 Diagram of on－line coal element contents analysis

圖2 伽馬能譜圖Fig.2 Spectrum of gamma－ray

2 測量程序的設(shè)計

為實現(xiàn)煤炭元素含量在線測量的自動化，在計算元素含量前需要依次開啟中子探測器、MCA、BGO伽馬射線探測器和D－T中子發(fā)生器。D－T中子發(fā)生器開啟后，C#程序每秒計算一次中子產(chǎn)額并根據(jù)產(chǎn)額調(diào)整中子發(fā)生器的離子源電流和加速器電壓。當中子產(chǎn)額達到預設(shè)值時，MCA開始計數(shù)。當測量時間達到預設(shè)時間時，MCA停止測量，并將測量結(jié)果以譜文件的形式保存在特定的文件夾中，其流程如圖3所示。由于自身電學、溫度等特性，中子探測器、MCA、BGO伽馬射線探測器從開啟至穩(wěn)定一般需要2 h。為縮短設(shè)備的穩(wěn)定時間，無特殊情況不關(guān)閉其電源。D－T中子發(fā)生器開啟后，測量程序每秒計算一次中子產(chǎn)額，并根據(jù)此值和預設(shè)值(φ)調(diào)節(jié)離子源電流或加速器電壓，8 min后可使中子產(chǎn)額穩(wěn)定在(1－5%)φ與(1+5%)φ之間。

圖3 測量流程圖Fig.3 Flowchart of detection

3 解譜程序的設(shè)計

C#程序開啟后，程序中的FileSystemWatcher控件開始監(jiān)測用以儲存譜文件的特定文件夾，當有譜文件生成時，程序開始按照下列步驟解析此文件。

3.1 伽馬射線計數(shù)的讀取

BGO探測器測量的伽馬能譜通過MCA處理后存儲在擴展名為rsm的譜文件中，每道計數(shù)用32 bit存儲。讀取每道計數(shù)的程序代碼如下。

3.2 伽馬能譜的平滑

在解譜時，平滑可以減小統(tǒng)計誤差［7］。但如果用于平滑的道數(shù)太多，很容易把特征峰拉平;如果用于平滑的道數(shù)太少，無法達到平滑效果。綜合考慮，該程序用y'i=(－3yi－2+12yi－1+17yi+12yi+1－3yi+2)/35表示的五點二次平滑法對每道計數(shù)進行平滑。

3.3 特征伽馬射線峰位的尋找

實驗中，可通過調(diào)整伽馬射線探測器的高壓或MCA的放大倍數(shù)使元素特征伽馬射線峰的峰位基本不變，但由于BGO晶體的溫度特性、電源電壓等因素的影響，峰位無法保持不變，需要尋峰程序確定特征伽馬射線的峰位［8］。

由于統(tǒng)計誤漲落，峰位漂移等因素的影響，峰位附近的計數(shù)有可能突然增大，超過峰位處的伽馬射線計數(shù)。如果用計數(shù)最大值確定峰位，伽馬計數(shù)突然增大的可能被誤認為是峰位。為避免此現(xiàn)象的出現(xiàn)，在尋峰程序中，不是尋找單道計數(shù)的最大值，而是尋找11道計數(shù)和的最大值，并把中間這一道作為峰位。

由圖2可以看出，Pb，C，H，O的峰位大約分別在1 350道，2 200道，1 150道和3 000道，峰位與峰谷間的距離大于50道，因此可以用下列程序?qū)ふ曳逦弧?/p>

3.4 伽馬射線峰面積的計算

元素特征伽馬射線的峰面積是指兩個峰谷間所有計數(shù)之和，但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，把峰位前23道與后21道間的計數(shù)之和作為峰面積計算元素含量，其誤差最?。?］。

3.5 元素含量的計算

原子核與中子作用時，非彈反應(yīng)和俘獲反應(yīng)都釋放出瞬發(fā)伽馬射線。在NIPGA中可選擇產(chǎn)額高，受其他伽馬射線干擾小的伽馬射線作為該元素的特征伽馬射線。因此，在測得的伽馬能譜中可根據(jù)特征伽馬射線的能量確定元素種類，利用特征伽馬射線的總計數(shù)(也稱為峰面積)計算該元素含量，公式如下［10，11］

其中，N為該元素特征伽馬射線的相對峰面積，可用特征伽馬總計數(shù)除以中子產(chǎn)額表示。該裝置中，由于中子發(fā)生器和BGO伽馬射線探測器周圍鉛筒質(zhì)量較大，其特征伽馬射線總計數(shù)與煤炭樣品無關(guān)，只與中子產(chǎn)額有關(guān)，所以可用此計數(shù)代替中子產(chǎn)額。

根據(jù)60組標準煤炭樣品中碳、氫、氧的含量及其特征伽馬射線相對峰面積，利用線性回歸程序，得出計算碳、氫、氧3種元素含量的公式［12］

其中AC，AH，AO分別是3種元素特征伽馬射線的相對峰面積。

3.6 測量結(jié)果分析

以碳含量為54.96%的6號煤炭樣品為例，分別用本程序和原有程序測量10次，碳含量的測量結(jié)果如表1所示。

表1 兩種程序測量結(jié)果Tab.1 Contents of carbon determined by two programs

表1中的標準偏差是10次測量結(jié)果的標準偏差，體現(xiàn)了測量結(jié)果的重復性。由表1可以看出，該程序測量結(jié)果的重復性明顯優(yōu)于原有程序，原因是筆者用五點二次平滑法減小了每道計數(shù)的統(tǒng)計誤差，用11道計數(shù)和尋找特征伽馬射線的峰位減小了峰位的錯尋率，用線性回歸方程計算元素含量提高了計算精度，用自動測量程序控制相關(guān)硬件提高了設(shè)備的穩(wěn)定性。表1中的絕對誤差是測量值與化驗值之差的絕對值，在實際應(yīng)用中碳元素所允許的最大絕對誤差為2.00%。由表1可以看出，該程序的測量結(jié)果都達到要求，而原程序只有5個測量結(jié)果達到要求。

4 結(jié) 語

在煤炭元素含量在線測量中，用C#編寫的程序穩(wěn)定、可靠，可方便地實現(xiàn)煤炭元素含量的自動測量，具有較高的應(yīng)用價值?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明，程序自身問題引起的設(shè)備故障率幾乎為零，每個伽馬能譜的解析時間小于1 s，能滿足煤炭元素含量在線測量的要求。

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