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        基于STM32的無(wú)源核子料位計(jì)的設(shè)計(jì)

        2019-05-29 07:01:20孔德文張成永
        儀器儀表用戶 2019年6期
        關(guān)鍵詞:料位計(jì)核子無(wú)源

        余 龍,孔德文,張成永

        (江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214153)

        在國(guó)內(nèi),絕大多數(shù)的火力發(fā)電廠都配備了除灰系統(tǒng),并采用料位計(jì)來(lái)檢測(cè)灰斗和倉(cāng)泵的灰位,以實(shí)現(xiàn)除灰作業(yè)的自動(dòng)化控制[1]。但是,這些料位計(jì)絕大多數(shù)為接觸式料位計(jì),在使用時(shí)容易因掛灰而產(chǎn)生誤報(bào)警,需要技術(shù)人員不斷地跑現(xiàn)場(chǎng)對(duì)料位計(jì)的誤報(bào)警進(jìn)行確認(rèn)和處理,增加了技術(shù)人員的工作強(qiáng)度;同時(shí),誤報(bào)警會(huì)導(dǎo)致氣力輸灰提前,輸送灰氣比低,耗氣量大,系統(tǒng)能耗高;較低的輸送灰氣比增大了輸送流速,增加了設(shè)備磨損[2]。

        目前市面上用于解決上述問(wèn)題的一種手段是采用無(wú)源核子料位計(jì),用非接觸式測(cè)量代替接觸式測(cè)量[3]。但是,這些料位計(jì)普遍存在指向性差、抗干擾能力弱、溫度漂移嚴(yán)重等問(wèn)題,導(dǎo)致在電廠的應(yīng)用并不理想,普及率很低。

        1 無(wú)源料位計(jì)工作原理

        無(wú)源核子料位計(jì)的工作原理如圖1所示。γ射線照射到碘化鈉晶體后,發(fā)生作用后產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子,碘化鈉晶體吸收其能量后,從而使碘化鈉原子、分子發(fā)生電離和激發(fā),接著發(fā)射出閃爍光子[4];光電子在光電倍增管中逐級(jí)倍增,最終在陽(yáng)極上收集到電流;高壓偏置電路用于為光電倍增管提供高壓偏置電壓,并將陽(yáng)極的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號(hào);脈沖調(diào)理與放大器對(duì)電壓脈沖進(jìn)行整形和放大,以便于后面的AD轉(zhuǎn)換;處理分析單元整個(gè)料位計(jì)的核心,用于對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行處理,并根據(jù)計(jì)算模型計(jì)算實(shí)時(shí)料位;用戶接口用于實(shí)現(xiàn)和用戶的信息交互,包括輸出開(kāi)關(guān)量報(bào)警信號(hào)、模擬量料位信號(hào),實(shí)現(xiàn)和手持調(diào)試器的交互等功能。

        圖1 無(wú)源核子料位計(jì)工作原理Fig.1 Working principle of passive nuclear material level meter

        圖2 光電信號(hào)轉(zhuǎn)換Fig.2 Optical signal conversion

        2 無(wú)源料位計(jì)的硬件設(shè)計(jì)

        2.1 整體設(shè)計(jì)

        粉煤灰中的γ射線入射到晶體中產(chǎn)生微弱的光信號(hào),這些光信號(hào)只有經(jīng)過(guò)光電管的光電轉(zhuǎn)換以后才能變?yōu)殡娮与娐纺軌蛱幚淼碾娦盘?hào)[6]。由光電管的光電轉(zhuǎn)換原理可知,光電管只有在合適的高壓偏置下才能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。因此,必須要配備專(zhuān)門(mén)的高壓偏置電路,電路設(shè)計(jì)中采用的是經(jīng)典的電阻鏈分壓方式。由于光電轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)并不一定在后續(xù)AD電路的輸入范圍內(nèi),還需要對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行必要的放大和調(diào)理。實(shí)現(xiàn)整個(gè)上述過(guò)程的原理框圖如圖2所示。

        經(jīng)過(guò)調(diào)理和放大后的信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換進(jìn)入微處理器,微處理器根據(jù)所接收到的信號(hào),采用特定的算法計(jì)算出料位高度[7]。用戶接口用于完成接收用戶指令、顯示料位高度和系統(tǒng)信息和上位機(jī)通信等功能。這部分功能邏輯如圖3所示。

        2.2 電路設(shè)計(jì)

        圖3 信號(hào)分析處理與用戶接口Fig.3 Signal analysis processing and user interface

        圖4 信號(hào)調(diào)理與放大電路Fig.4 Signal conditioning and amplification circuit

        無(wú)源核子料位計(jì)的硬件系統(tǒng)主要包括主控模塊、信號(hào)處理模塊、無(wú)線通信模塊、人機(jī)接口模塊以及電源模塊。

        其中信號(hào)調(diào)理和放大電路是硬件系統(tǒng)的核心,其采用的是電壓反饋型AD8065芯片,具有工作噪聲低和輸入阻抗高的特點(diǎn),并且可以直流5V~24V寬電壓輸入,其額定溫度范圍為-40℃~+85℃,簡(jiǎn)單易于使用,完全可以滿足工業(yè)上的使用要求,電路圖如圖4所示。

        3 無(wú)源料位計(jì)的軟件設(shè)計(jì)

        無(wú)源核子料位計(jì)是通過(guò)檢測(cè)粉煤灰中微量放射性元素衰變時(shí)發(fā)射出的γ射線來(lái)計(jì)算料位。接收的γ射線經(jīng)過(guò)閃爍體和光電倍增管轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào),電脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后,單片機(jī)記錄單位時(shí)間內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)。

        流程圖如圖5所示。當(dāng)系統(tǒng)通電時(shí),必須要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化,其中包括定時(shí)器初始化,串口初始化、LED初始化、繼電器初始化、OLED初始化等初始化。初始化完成進(jìn)入主循環(huán),在主循環(huán)中通過(guò)定時(shí)器進(jìn)行外部指令獲取單位時(shí)間內(nèi)記錄射線數(shù)的值,然后進(jìn)行均值濾波處理,掃描按鍵狀態(tài),讀取系統(tǒng)溫度值,并且更新系統(tǒng)變量,顯示屏實(shí)時(shí)顯示射線數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。報(bào)警點(diǎn)當(dāng)料位到達(dá)設(shè)置值時(shí),程序計(jì)算模擬量輸出ma值,并且LED亮起繼電器閉合,對(duì)外輸出報(bào)警信號(hào)。

        圖5 程序工作流程圖Fig.5 Program workflow flowchart

        圖6 抗干擾對(duì)比試驗(yàn)Fig.6 Contrast test against interference

        4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

        為了避免環(huán)境中無(wú)關(guān)γ射線的干擾,提高其指向性,如圖6所示設(shè)置了由鉛皮材料和坡莫合金材料制作的屏蔽層。測(cè)試結(jié)果如圖7所示,在安裝屏蔽層后,計(jì)數(shù)率明顯降低了,說(shuō)明無(wú)關(guān)的γ射線被屏蔽掉了;同時(shí),測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)也基本消失了,說(shuō)明屏蔽層確實(shí)起到了預(yù)期的效果。

        圖7 抗干擾對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.7 Anti-jamming contrast test data

        圖8 溫度適應(yīng)性對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.8 Temperature adaptability comparison test data

        如果采用固定的甄別閾值,則測(cè)量結(jié)果必然會(huì)受到溫度的影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題,通過(guò)特征提取來(lái)識(shí)別K40的主峰,并以其為基準(zhǔn)來(lái)計(jì)算料位[8]。由圖8測(cè)試結(jié)果可以看出:料位計(jì)1不使用溫度自適應(yīng)算法,則隨著溫度的升高,計(jì)數(shù)率降低;料位計(jì)2使用溫度自適應(yīng)算法以后,計(jì)數(shù)率基本不隨溫度而變化。由此可見(jiàn),溫度自適應(yīng)法可以有效地減少溫度對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)源核心料位計(jì)測(cè)量系統(tǒng),通過(guò)軟硬件的安裝與調(diào)試,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究得知:采用屏蔽層來(lái)屏蔽磁場(chǎng)和環(huán)境中無(wú)關(guān)γ射線的干擾,提高了料位計(jì)的指向性和穩(wěn)定性,采用溫度自適應(yīng)算法大大降低了溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

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