1 引 言
核检测及屏蔽技术的发展为核技术的工业应用提供了广阔的空间。由核透射原理可知,核射线对物质的辐射是非机械接触的,因而对被辐射物体的检测不受大小、形状、运动状态等的影响。将其应用于运动中的皮带上物料的检测,能有效避免皮带传送带的张力、厚度、振动、惯性、冲击等限制,为皮带在线称重提供了一条有效方法。
文献[1~3]提出了采用工控机实现核子秤的方法及应用,但它们体积大、功耗大,不适合于一些特殊的应用场合,如煤矿井下采煤分班计量、野外混泥土配料计量等。研究一种小巧而功能实用的核子秤具有实际意义。
2 核子秤检测原理
γ射线经过物料后的强度会由于物料对它的吸收而发生变化,不同物质对γ射线的吸收率不同;同一种物质会由于质量不同,而对γ射线的吸收量不同。通过采用稳定的放射源(采用137Csγ源,其半衰减期为30年[4]),再利用γ射线探测器将γ强度信号转换成电压信号,经安装在探测器上的高灵敏前置放大器放大送出,这个信号能反映出被检测物料对射线的吸收程度。其关系如下:
U= U0e(-μF/W)
式中:U0———皮带上无物料时探测器输出的电压;U———皮带上有物料时探测器输出的电压;μ———物料的质量吸收系数;F———单位距离上的物料重量;W———检测宽度,一般为皮带宽度。
计算出单位距离上的物料重量:
F = W/μln(U0/U)
再利用速度传感器将检测到的皮带速度与其相乘,即可得到物料的流量。通过时间的累加即得到重量:
这就是皮带核子秤测重的基本原理。
3 系统组成及其功能
3.1 系统组成
系统由以80C196KC为核心的控制器、γ射线放射源、γ射线探测器、速度传感器和电源组成。其示意图如图1所示。
3.2 功 能
控制器自带有硬时钟和掉电保护RAM,停电后时钟不停,参数不会丢失。还有数码显示和小键盘,可以完成参数的设定、自动校正、实物标定与计量、打印报表生成控制等功能。在计量过程中,可以实时显示物料的流量、累计总重量、分时段累计重量、皮带速度、时间及日期等信息。为适应各种应用场合,除了以上基本功能外,还允许4 ~ 20 mA的电流信号输入、能输出4~20mA瞬时流量信号以及为进行扩展流量控制的4~20 mA或0~5 V控制信号,这个控制信号可以用来控制带动皮带的变频电动机的速度或给料机速度。另外,为满足现代数据管理网络化的需要,使皮带秤容易与上位微型机组成检测和数据处理系统,特开发了通讯程序,使数据方便地传输给上位微型机。
4 系统实现
4.1 硬件的实现
考虑到数据计算的复杂性及接口的方便,控制器采用高性能的16位单片机80C196KC为核心,同时扩展一些必须的功能芯片,如数据存贮、实时时钟及I/O扩展等。其内部结构框图如图2所示。其中主要要考虑的是以下两点。
(1)信号处理。
由于γ射线探测器输出信号很微弱,同时为防止传输干扰,在探测器上就地加入前置放大器。它由两级运放组成,第一级放大一定要选用高增益、低温漂、低偏置的高性能运放,否则,检测精度无法保证。经前置放大器输出的信号电压为0~5V或电流为4~20 mA,这个信号经过简单的滤波和变换处理送80C196KC的A/D口。
由于80C196KC没有D/A口,为了能输出带模拟量的控制信号(如采用PWM输出作为D/A变换输出,其分辨率只能达到八位,且还要经滤波环节,会影响控制速度),因而扩展一片10位AD7228使其输出0或1~5V的电压,这个信号可以直接输出,也可以再经运放处理得到0或4~20mA的电流信号输出。这个V/I变换电路如图3所示,其输出:Io= Vi·R22/(R21·R23),R23阻值要求较小。这个电路的优点是输出电流几乎不受外接负载的影响。
(2)通讯接口。
80C196KC只有TTL电平的通讯接口,而皮带秤大多被应用于各种工业现场,为提高通信的可靠性及现场的适用能力,电路上扩展了一个485接口,为防止干扰影响到控制器,在485接口前采用光电隔离。为满足可能多机组成检测和控制系统,在控制器上设置DIP开关来设定80C196KC的通讯地址。
4.2 软件处理
对于80C196KC对A/D口的读取、送出到显示以及打印等的处理相对较容易,这里仅叙述以下两方面。
(1)自然对数lnX的计算[5]。
要将检测的信号反映出物料流量的大小,从上述核子秤原理可知,需要经过自然对数计算才能得到。首先将Uo/U的结果转换成规格化浮点数表示,X=2mt,m为X的阶码,t为X的尾数,对于已规格化的浮点数,有0.5≤t <1。
(2)通 讯。
80C196KC串行通信具有其独特之处,利用串行口操作模式2和模式3很方便地实现多机通讯。主机(PC机)向从机(80C196KC)发送的信息分为两类:数据帧和命令帧。在命令帧要求第9 位数据为1,同时带有接收命令从机的地址与命令,使工作在模式2的从机产生中断,从机比较地址是否与本机相同,相同则接受命令,并转操作模式3,准备接收或发送数据帧。而其它从机仍然工作在模式2方式;在数据帧,这一帧要求第9数据位为0,只有工作在模式3方式的从机才会接收。从机只能发送数据帧不发送命令帧。
如要与上位微机组成系统,核子秤只做为从机。只有接收到来自主机的命令,才进行数据的接收或发送。接收的数据为主机发来的本条皮带的应控制的流量。发送的数据包括本皮带的实际速度、物料的流量及重量。来自主机的命令包括对皮带的启动、停止和数据接收与发送控制。
(3)程序安排。
由于数据计算处理占据了控制器的大部分时间,为保证数据的实时性,对A/D口的采集采用中断方式,通讯处理也采用中断,键盘输入以及打印输出采用顺序查询方式。为防止干扰,对于输入数据采用中值平均滤波法进行处理。
5 结束语
采用80C196能有效地完成对核子探测器数据的采集,并能做到精确的计算及处理,实现了系统的小型化、低功耗,使皮带在线称重在特殊场合也得以实现。系统在煤矿井下应用近3年表明,其计量精度高、抗外界干扰能力强(几乎不受环境的影响)。因而也能应用于化工、医药、建筑等各种工业现场,同时它具有较强的通讯能力,可以方便地组成检测和控制系统。
[参考文献]
[1] 金 钰.工控PC核子秤计量与监控系统的设计与应用[J].制造业自动化,2000,(4).
[2] 张永明,等.基于核子秤的水泥厂预加水成球系统[J].核电子学与探测技术,2000,(3).
[3] 晁世永,等.自动配煤系统在焦化厂的应用[J].工业计量,2000,(1).
[4] 徐克尊,等.粒子探测技术[M].上海科学技术出版社,1981.
[5] 张幽通,陈宝江.MCS8098系统实用大全[M].清华大学出版社,1993.
