數(shù)字式一體化γ射線物位計(jì)的研制

摘 要:本文介紹了一種基于微處理器技術(shù)和一體化結(jié)構(gòu)形式的γ射線物位計(jì)，簡(jiǎn)述了γ射線物位計(jì)的測(cè)量原理，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面介紹了儀表的設(shè)計(jì)方法。該核物位計(jì)具有數(shù)字標(biāo)定、測(cè)量準(zhǔn)確、反應(yīng)時(shí)間快、抗干擾能力強(qiáng)和測(cè)量靈敏度高，在檢測(cè)點(diǎn)處輻射強(qiáng)度達(dá)到75uR/h物位計(jì)即可正常工作等性能。

關(guān)鍵詞:微處理器一體化γ射線物位計(jì)

中圖分類號(hào):TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)05(b)-0021-01

1 測(cè)量原理

眾所周知，核子物位檢測(cè)設(shè)備，在國(guó)內(nèi)、外已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于冶金、化工、電力、礦山、建材等行業(yè)的物位檢測(cè)與控制，特別在高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕性、有毒等環(huán)境條件比較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，核物位檢測(cè)設(shè)備具有不可替代的地位。

核料位計(jì)是根據(jù)介質(zhì)對(duì)r射線的吸收原理研制的，其吸收規(guī)律符合比爾定律，可表述為如下函數(shù):

I=I０ｅ－μｄ

式中:I為射線被介質(zhì)吸收后的強(qiáng)度;I０為射線被介質(zhì)吸收前的強(qiáng)度;μ為介質(zhì)吸收系數(shù);ｄ為介質(zhì)厚度。

當(dāng)盛裝介質(zhì)的容器內(nèi)有、無(wú)介質(zhì)時(shí)其射線強(qiáng)度將分別為I１、I２。根據(jù)公式則有I１＝I０ｅ－μｄ１、I２＝I０ｅ－μｄ２。

式中I１為有介質(zhì)時(shí)的射線強(qiáng)度;I2為無(wú)介質(zhì)時(shí)射線強(qiáng)度，即d２＝０時(shí)的射線強(qiáng)度。

由于上述公式中ｅ－μｄ的因子的作用，I２〉〉I１。

將被測(cè)的兩種狀態(tài)下的射線強(qiáng)度進(jìn)行判別比較，即可判斷介質(zhì)的“空”、“滿”。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字式一體化γ射線物位計(jì)由輻射源和主機(jī)兩部分組成。輻射源安裝在特制的工作鉛罐中，輻射源將射線經(jīng)鉛罐上的準(zhǔn)直孔形成一個(gè)直徑很小的射線束射出，工作鉛罐備有可以控制輻射源射出的開(kāi)關(guān)。主機(jī)包含傳感器和控制線路。由于數(shù)字式一體化γ射線物位計(jì)是室外控制型儀表，因此對(duì)其抗電磁波等因素的干擾，外界環(huán)境溫度變化的影響，在比較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的適應(yīng)性都提出了新的更高要求。為此外殼設(shè)計(jì)采用重鋁壓鑄，有效的屏蔽了各種電磁輻射，以適應(yīng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的各種惡劣環(huán)境。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

數(shù)字式一體化γ射線物位計(jì)主要由AT89C4051單片機(jī)、顯示驅(qū)動(dòng)控制、按鍵輸入、參數(shù)掉電保存，繼電器驅(qū)動(dòng)輸出、信號(hào)整形倍頻電路等組成。儀器以AT89C4051單片機(jī)為核心來(lái)檢測(cè)γ射線強(qiáng)度的變化的。γ射線傳感器傳來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)反向器整形，整形后的信號(hào)作為振蕩器的控制開(kāi)關(guān)，振蕩器的輸出經(jīng)整形、驅(qū)動(dòng)提供給單片機(jī)處理。單片機(jī)將傳來(lái)的頻率信號(hào)換算為γ射線強(qiáng)度值。經(jīng)過(guò)顯示驅(qū)動(dòng)電路后顯示;同時(shí)將檢測(cè)到的γ射線強(qiáng)度值與程序設(shè)定的γ射線下限強(qiáng)度值進(jìn)行比較，低于設(shè)定的允許值時(shí)報(bào)警繼電器動(dòng)作，供上位機(jī)集中監(jiān)控使用。

(1)單片機(jī)。

主控部分由89C4051單片機(jī)完成。提供以下幾個(gè)功能。

①為系統(tǒng)測(cè)量提供精確的定時(shí)器。

②通過(guò)控制片內(nèi)計(jì)數(shù)器的啟停，獲取γ射線強(qiáng)度的大小。

③通過(guò)P1.1、P1.2、P1.3口控制PS7219顯示芯片的工作。

④通過(guò)P1.4、給出1路繼電器的輸出控制信號(hào)。

⑤用P1.5、P1.6控制數(shù)據(jù)掉電保護(hù)芯片的工作。(模擬I2C總線)

⑥通過(guò)P2.3、P2.4、P2.5、在面板上提供3個(gè)功能鍵，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)修改。

(2)繼電器及驅(qū)動(dòng)電路。由555集成芯片驅(qū)動(dòng)1個(gè)直流繼電器輸出控制信號(hào)。

(3)數(shù)碼管譯碼、驅(qū)動(dòng)電路。由PS7219、主板上的4位ＬＥＤ數(shù)碼管組成。

(4)儀器掉電保護(hù)，ATMEL24C01

(5)電源:由變壓器和穩(wěn)壓電路組成。作用是為探頭提供穩(wěn)定的390V直流電壓，為其他電路提供穩(wěn)定的5V工作電壓。

(6)傳感器。

核儀表按探測(cè)器的不同，可分為閃爍體、蓋革計(jì)數(shù)管、電離室等幾種。在本課題中，經(jīng)過(guò)綜合比較，探測(cè)器選用了蓋格計(jì)數(shù)管。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件的功能是通過(guò)控制單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化為輻射強(qiáng)度，最后根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行各種輸出控制。軟件以c語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，考慮到程序的可移植性和以后的功能升級(jí)，以及調(diào)試的方便性，采用模塊化程序設(shè)計(jì)。

4 儀表靈敏度測(cè)試結(jié)果

測(cè)試主要目的是確認(rèn)智能料位計(jì)的靈敏度。原因是實(shí)際應(yīng)用中，在滿足使用的前提下，輻射源的強(qiáng)度都盡可能采用較低強(qiáng)度的輻射源，這主要是考慮到對(duì)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的安全保護(hù)。所以現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的原則是，介質(zhì)滿時(shí)能將輻射源的輻照劑量完全吸收，即為天然本底狀態(tài);在無(wú)介質(zhì)時(shí)其輻照量與有介質(zhì)時(shí)的輻照量應(yīng)能被料位計(jì)準(zhǔn)確的區(qū)分開(kāi)。測(cè)試的方法如下。

4.1 測(cè)試設(shè)備

料位計(jì)、輻射源、輻射劑量?jī)x、計(jì)算機(jī)(記錄用)。

4.2 測(cè)試過(guò)程

將計(jì)算機(jī)與料位計(jì)通過(guò)串行通訊口連接起來(lái)，輻射源與料位計(jì)探頭位置固定后，用輻射劑量?jī)x檢測(cè)出料位計(jì)探頭所在位置的輻射劑量，然后打開(kāi)料位計(jì)和計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)記錄下在此輻射劑量環(huán)境下料位計(jì)檢測(cè)計(jì)算出的結(jié)果。由于放射性儀表的特殊性，即輻射劑量越小，統(tǒng)計(jì)漲落越大，使用計(jì)算機(jī)可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大數(shù)據(jù)量的測(cè)試，可以得到準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。

通過(guò)上面的方法可以得到某一特定輻射劑量環(huán)境下料位計(jì)檢測(cè)計(jì)算出的結(jié)果。接下來(lái)則向輻射源與料位計(jì)探頭之間放入一定密度的介質(zhì)，這樣就可以得到不同的輻射劑量環(huán)境下料位計(jì)檢測(cè)計(jì)算出的結(jié)果。

4.3 測(cè)試結(jié)果

在低輻射劑量的環(huán)境中的，核輻射儀表的測(cè)量誤差統(tǒng)計(jì)漲落很大，因此物位計(jì)能否準(zhǔn)確區(qū)分本底輻射強(qiáng)度與75μR左右的輻射強(qiáng)度是本儀器最重要技術(shù)指標(biāo)。為此設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)里，將儀表置于固定的輻射強(qiáng)度下進(jìn)行連續(xù)3000次的測(cè)試，將16μR(本底)、50μR、75μR三種輻射強(qiáng)度下的測(cè)量結(jié)果分別統(tǒng)計(jì)處理，最后放到一起進(jìn)行比較，從測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，16μR(本底輻射強(qiáng)度)時(shí)物位計(jì)測(cè)量輸出最小值為21，最大為44;50μR時(shí)物位計(jì)測(cè)量輸出最小值為49，最大為77;75μR時(shí)物位計(jì)測(cè)量輸出最小值為61，最大為93。16μR與50μR的測(cè)量結(jié)果沒(méi)有重疊;16μR與75μR的測(cè)量結(jié)果也沒(méi)有重疊。

本數(shù)字式一體化γ射線物位計(jì)能準(zhǔn)確區(qū)分本底輻射強(qiáng)度與75μR左右的輻射強(qiáng)度，在75μR的輻射強(qiáng)度下即可工作。

參考文獻(xiàn)

[1]馬忠梅，籍順心，張凱，等．單片機(jī)的c語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M]．北京:航空航天大學(xué)出版社，1999.

[2]ATMEL 89C52用戶手冊(cè)[Z].2010 Atmel Corporation.