（粒子物理与原子核物理专业论文）核子计量与控制技术应用研究.pdf

摘要 中国科学技术大学核技术应用研究室从事多年核仪器仪表的研究工作，曾研 制出管道流量计、含沙量计、料位计、产量计等工业核仪表，8 0 年代初期已注 意到国外开始使用的核子秤，在进一步深入对国内外的核子秤技术的发展和国内 需求情况全面调研的基础上，经分析和论证，认为核子计量系统的研究和开发具 有很大的应用价值和很强的现实意义，确立了本研究课题。经十多年的不懈努力， 作者主持的课题组完成原设想和计划，取 ! 搴“k d 一系列微机核子计量和控制系 统”的研究成果。 核子计量及控制系统涉及核与粒子物理、核探测技术、核电子学、自动控制、 计算机、网络及计量技术等多门技术学科。本文介绍部分核子计量技术和核子计 量系统及其控制系统相关的技术原理；论述作者研究工作中的“k d 一4 1 8 型微 机核子计量系统( 采用s t d 总线工业控制机作处理机的一机四秤系统) ”、“k d 一 4 1 8 x v i 型微机核子计量配料系统( 采用p c 4 8 6 以上工业控制机作处理机的机 1 6 秤及其控制配料系统) ”、“k d 一4 1 8 高温物料微机核予计量系统( 用于计量高 温水泥熟料的重量) ”及“i ( d 4 1 8 高灵敏低源强的微机核子计量系统”等部分 成果。 研究工作中，在多种( 如链斗式、刮板式、螺旋式等) 输送机械上进行核子 计量的模拟实验，证明核子计量系统的可行性；对核子计量系统实际使用中物料 成分及外界因素对计量精度影响进行试验研究；在进行微机核子计量及控制系统 的研究中，尝试应用模糊控制的方法，试验中达到较好的效果；提出制定 ( ( h c k d 4 1 8 微机核子秤企业标准的申请，并由安徽省计量科学研究所组织， 以我们为主编写完成。 研制过程中完成多项创新： l 、研究并应用自动空带零点跟踪技术。输送机的皮带( 或刮板等) 使用过 程中存在物料沾粘及磨损( 即空带零点变化) ，严重影响计量精度，该技术有效 跟踪其变化，以消除其影响； 2 、研究并应用监控定时器( w a t c h d o g ) 技术。工业现场干扰严重，死机现 象常有发生，该技术能在发生死机时自动使系统恢复到原状态继续运行； 3 、研究并应用放射源衰减自动修正技术； 4 、研制高灵敏度的电离室并带有气压指示，提高系统精度； 5 、研制独特的防盗型辐射输出器，增强辐射防护安全； 6 、首次选用s t d 工控机于核子秤； 7 、研制了灵活实用的系统处理软件，具有独特的界面、人机对话和其它独 特功能。 在所研究的成果中大多形成产品。其中典型的k d 一4 1 8 型微机核子计量系 统通过安徽省科委组织的专家鉴定，鉴定认为：“k d 一4 1 8 型微机核子秤的技术 指标及主要功能在国内同类产品中处于领先水平，达到了国际先进水平”。经省 科委推荐，该项目通过国家科委组织的专家评审和答辩，被列入“国家重点科技 成果推广计划”。省科委专门下文要求重视其应用推广工作。 目前，该项目的产品省内已有科大等四家生产销售，应用于省内的水泥、冶 金、炼焦、矿山、化工、电力、轻工等行业的几十个企业中，给它们带来了很大 的经济效益和社会效益，受到一致好评。该成果在国内各种技术展示会上多次获 奖，该系列中的其它型号核子秤也相继通过法定部门检定并获得产品生产许可 证。 “k d 一系列微机核子秤”( 计量和控制系统) 获安徽省科技进步三等奖。 a b s t r a c t n t a l ( n u c l e a rt e c h n i q u e sa p p l i c a t i o nl a b o r a t o r y ) o fu s t c ( u n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a ) h a sd o n eag r e a td e a lo fr e s e a r c ho nn u c l e a r i n s t r u m e n ta n daa c h i e v e dr e m a r k a b l es u c c e s s i th a dd e v e l o p e dn u c l e a rp i p e f l o w - m e t e r , n u c l e a rs a n dc o n t a i n - m e t a r , m a t e r i a l sp o s i t i o n - m e t e r , m a t e r i a l s y i e l d - m e t e ra n do t h e r si n d u s t r i a ln u c l e a ri n s t r u m e n t s i nt h ee a r l y19 8 0 s ，n t a lb e g a n t ok n o wt h a tn u c l e a rw e i g h ts c a l es y s t e mh a db e e nu s e da b r o a d ，a n da f t e ra n e x t e n s i v ef u r t h e ri n v e s t i g a t i o na n ds t u d yo ft h en u c l e a rw e i g h ts c a l et e c h n i q u e s d e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a da n dt h e d o m e s t i cd e m a n d s ，a n da f t e rc a r e f u l a n a l y s i sn t a lr e s e a r c h e r sr e a l i z e dt h a tn u c l e a rw e i g h ts c a l es y s t e mr & dh a sag o o d u s i n gv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ，s ot h e ys e tu pt h er e s e a r c hp r o j e c t a f t e ry e a r s o fh a r dw o r k ，t h eg r o u pl e db yt h ea u t h o rh a v er e a l i z e dt h ei n i t i a la s s u m e sa n d p r o p o s a l sa n dg a i n e dt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so f “k d s e r i e sm i c r o c o m p u t e r n u c l e a rw e i g h ts c a l ea n dc o n t r o ls y s t e m t h en u c l e a rw e i g h ts c a l ea n dc o n t r o ls y s t e md e a l sw i t hn u c l e a ra n dp a r t i c l e p h y s i t s ，n u c l e a rd e t e c tt e c h n i q u e s ，n u c l e a re l e c t r o n i c s ，a u t o m a t i cc o n t r o l ，c o m p u t e r ， n e t ，m e t r o l o g ya n do t h e rt e c h n i c a ls u b j e c t s t h i st h e s i sa i m st oi n t r o d u c ep a r t so f t h e t e c h n i c a lp r i n c i p l e sr e l a t e dt ot h en u c l e a rw e i g h ts c a l ea n dc o n t r o ls y s t e ma n dd i s c u s s t h e “k d 4 18 i vm i c r o c o m p u t e rn u c l e a rw e i g h ts c a l es y s t e m ”fa4s c a l e ss y s t e m w h o s ep r o c e s s o ra d o p t ss t db u si n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r ) ，“k d 一4 1 8x v i m i c r o c o m p u t e rn u c l e a rw e i g h ts c a l ea n dm i xm a t e r i a l ss y s t e m ”fa1 6s c a l e sw i t l lm i x m a t e r i a l ss y s t e mw h o s ep r o c e s s o ra d o p t sb e t t e rt h a np c 4 8 6i n d u s t r i a lc o n t r o l c o m p u t e r ) ，“k d - 4 18m i c r o c o m p u t e r n u c l e a r w e i g h t s c a l e s y s t e m f o r h i g h t e m p e r a t u r em a t e r i a l ”( f o rw e i g h t st h eh i g ht e m p e r a t u r ec e m e n tc l i n k e r ) a n dt h e “k d - 418h i g h l ys e n s i t i v ea n dl o w e rr a d i a t i o ni n t e n s i t ym i c r o c o m p u t e rn u c l e a rw e i g h t s c a l es y s t e m a n ds oo n i nt h ec o m s eo fr e s e a r c h e s ，t h es i m u l a n te x p e r i m e n t so nn u c l e a rw e i g h ts c a l e w i t hd i f f e r e n tc o n v e y o r s ( s u c ha sc h a i nb u c k e tc o n v e y o r , s c r a p e rc o n v e y o ra n d s c r e wc o n v e y o ra n ds oo n ) w e r ed o n et op r o v et h a t | w e i g hm a t e r i a li nt h en u c l e a r w e i g h ts c a l es y s t e mi sf e a s i b l e t h ee f f e c t so fm a t e r i a lc o m p o s i t i o na n ds o m eo t h e r e x t e r n a lf a c t o r sf o rm e a s u r i n gp r e c i s i o no fn u c l e a rb e l tw e i g h ts c a l es y s t e mi nr e a l i t y w e r es t u d i e db yt h ee x p e r i m e n t s ；i tt r i e dt 0u s ef u z z yc o n t r o lm e t h o da n dg o tag o o d r e s u l t s t h es t a n d a r do f e n t e r p r i s ef o rk d 4 1 8m i c r o c o m p u t e rn u c l e a rw e i g h ts c a l e s y s t e m w a sp u tf o r w a r da n dh a sb e e nd r e wu pb yt h er e s e a r c hg r o u pa n da n h u i i n s t i t u t eo fm e a s u r e m e n t t h er e s e a r c hp r o c e s sh a sb r o u g h tf o r t hm a n yi n n o v a t i v ei d e a s ： 1 ，t h ea u t o m a t i cf o l l o wt h ez e r op o i n to ft h ee m p t yb e l tm e t h o dh a sb e e n s t u d i e da n dd e v e l o p e d 2 ，t h ew a t c ha n dc o n t r o lt i m e r ( w a t c h d o g ) h a sb e e ns t u d i e da n dd e v e l o p e d 3 ，t e c h n i q u ef o ra u t o m a t i cc o r r e c t st h ed e c a yv a l u eo fy - r a ys o u r c eh a sb e e n s t u d i e da n dd e v e l o p e d 4 ，h i g h l ys e n s i t i v ei o n i z a t i o nc h a m b e rw i t hb a r o m e t e rh a sb e e nd e v e l o p e d 5 ，ad i s t i n c t i v er a d i a t i o ne x p o g e rh a sb e e nd e v e l o p e dt os t r e n g t h e nr a d i a t i o n p r o t e c t i o ns a f e t y 6 ，s t db u si n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e ri su s e df o rn u c l e a rw e i g h ts c a l es y s t e m f i r s t l y 7 ，f l e x i b l ea n dp r a c t i c a lp r o c e s s i n gs o f t w a r e ，w h i c hh a sd i s t i n c t i v et o u c hf a c e a n dt h ef u n c t i o no ff o rp e r s o n - a n d - c o m p u t e rd i a l o g u eh a sb e e ns t u d i e da n d d e v e l o p e d m o s to ft h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sh a v eb e e nd e v e l o p e di n t op r o d u c t s t h e t y p i c a lo n e “k d 一4 18i vm i c r o c o m p u t e rn u c l e a rw e i g h ts c a l es y s t e m w a sa p p r a i s e d a n dp a s s e db ya n h u is c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i t t e e t h eo p i n i o n sm i l l l 【t h a t ： “k d 一4 18i vm i c r o c o m p u t e rn u c l e a rw e i g h ts c a l es y s t e m sf e a t u r e sa n dm a i n f u n c t i o n sa r eo ft h el e a d i n gl e v e la m o n gt h ed o m e s t i cp r o d u c t so ft h es a l t l ek i n da n d l i v eu pt oa d v a n c e dl e v e li nt h ew o r l d ”r e c o m m e n d e db ya n h u is c i e n c ea n d t e c h n o l o g yc o m m i t t e et h i sr e s e a r c hp r o j e c tm e ta l l t h e r e q u i r e m e n t so ft h e s p e c i a l i s t s e v a l u a t i o ns y s t e m w h i c hw a so r g a n i z e db yn a t i o n a ls c i e n c ea n d t e c h n o l o g yc o m m i t t e e ，s oi tw a sc h o s e na n dl i s t e di n n a t i o n a lm a j o rs c i e n c ea n d t e c h n o l o g ya c h i e v e m e n t ss p r e a dp l a n s of a r , i na n h u if o u ru n i t sh a v eb e e np r o d u c i n ga n ds e l l i n gt h ep r o d u c t so ft h e k d - s e r i e sm i c r o c o m p u t e rn u c l e a rw e i g h ts c a l ea n dc o n t r o ls y s t e m ，i th a sb e e nu s e d i nd o z e n so ff a c t o r i e sw h i c ha r ei nt h el i n e so fc e m e n t ，m e t a l l u r g y , c o k i n g ，m i n e ， c h e m i c a li n d u s t r y , e l e c t r i cp o w e ra n dl i g h ti n d u s t r ya n ds oo n t h e ) rh a v eg a i n e dg r e a t e c o n o m i cb e n e f i t sa n ds o c i a lb e n e f i t s t h i sr e s e a r c hp r o j e c ta n di t ss u c c e s s f u l a p p l i c a t i o nh a sg a i n e dw i d ea c c e p t a n c ea n dw o nal o to f a w a r d s 中国科学技术大学博士论文第一章绪论 第一章绪论 动态称量是对输送机械上( 中) 运动物料的重量进行实时累积计量。皮带秤 是安装在皮带输送机上，对其输送的散状物料自动、连续进行累积称量的计量仪 器。微机核子计量系统是在电子皮带秤的基础上发展起来的，目前已广泛应用于 生产工艺流程中的物料计量和物料的配比控制。 第一节皮带秤的发展情况 十九世纪末，西方工业发达国家开始发展动态称量技术。最初源于对斗式输 送机所运送的连续物料的自动称量，1 8 8 0 年这种称量装置获得计量许可。1 9 0 7 年由英国制订了第一部自动秤检定规程，次年英国公布第一个皮带秤专利。但之 后的近四十中，动态计量技术的发展进展缓慢，皮带秤只能用于工业生产的过程 控制和企业内部的库存物料管理等。二次大战后，特别是近四十年代中期，传感 器技术和电子技术的高速发展促进了皮带秤计量性能的大幅度提高。 一、 皮带秤发展经历 皮带秤的发展大致经历了四代： 第一代即最初的纯机械皮带秤，其采用增量式编码器、机械式或光电式扫描 码盘等，此时的皮带秤的机械杠杆具有平衡条件，识别计数和启动功能。 第二代是传感器电子仪表皮带秤，检测部分采用光电脉冲或磁脉冲变送器测 速，二次仪表采用模拟积分放大电路或数字系统积分电路实现动态称量过程的平 衡、识别和累积计算功能。 第三代、第四代将微处理机应用于皮带秤即传感器微机式皮带秤和微机智能 化的皮带秤时代。该时期的皮带秤的电子元件结构、内容和集成化程度大大提高。 生产厂家可以根据使用现场的条件以满足各用户的要求。近年来研制的微机核子 皮带秤，采用了非接触式称重传感器和微机智能化处理，使皮带秤的性能得到更 大的提高。由于系统中采用了微机智能化原理，使得这种称重系统具有了测量、 计算、控制、校准、联网、上下量程监控以及故障报警等功能。从而其应用领域 得以不断扩大，目前皮带秤已广泛应用于化工、冶金、建材、矿山、电力、港口 等行业。 中国科学技术大学博士论文第一章绪论 二、 国外的皮带秤发展动态 在技术先进的西方国家较早对物料动态称量技术引起重视，他们分别建立了 许多皮带秤研究试验基地，有相当的科技人员从事浚项技术的研究和丌发工作。 由于广大科技工作者的不解努力，相关的技术不断发展，围绕提高皮带秤动态称 量精度和改善检测方法的技术专利不断被公布，据不完全统计，从1 9 8 0 年至今 国外公布的有关皮带秤的技术专利7 0 多个。其中最多出于前苏联和日本。 美国设置了专门的从事物料动态称量和控制技术服务公司，有偿为工矿企业 中的皮带秤进行各种技术咨询和服务，以确保称量系统在现场的正常使用。 荷兰菲利普( p h i l i p s ) 公司的技术人员从1 9 6 6 年开始皮带秤相关技术的试 验研究，创立了多托辊皮带秤的计量性能优于单托辊皮带秤的理论，成为高精度 皮带秤在机械秤架设计方面的里程碑。 美国t h a g e r 衡器公司的f h y e r 博士在6 0 年代初利用应变能法建立了皮带 秤重力测量数学模型，为皮带秤动态计量误差分析提供了可行途径。 瑞典和挪威在皮带秤的现场维护技术上作出了出色成就，保证了能将皮带秤 做为物料进出口贸易结算的公平秤，使用中的计量精度i 0 2 三、 国内的皮带秤发展状况 国内从5 0 年代始设计制造滚筒式机械皮带秤。6 0 年代后期到7 0 年代术出 现传感器电子仪表式皮带秤。限于当时国内的传感器制造工艺和电子技术水平， 真正使用中皮带秤的计量精度和稳定性都较差。 1 9 7 9 年国内生产的第一台多托辊皮带秤在湖南省湘潭钢铁厂投入使用。之 后国外( 美国、日本、德国等) 的皮带秤设计、制造及计量检测技术被大量引进， 促进了国内相关技术的快速发展。这十几年中，国内建立了多套皮带秤试验装置， 为新产品的开发和检测提供了研究和试验条件；开发出了大量性能良好的皮带秤 专用二次仪表，微机智能化仪表投入现场使用；一种单弹性体无杠杆的平行板簧 式散料称重系统研制成功，开创了一f 艺秤的新途径；皮带秤国家标准和检定规程 发布，使皮带秤产品规范化，皮带秤的性能检测技术被广泛重视；国内的皮带秤 技术指标提高了一个量级，有些产品加入了国外同类产品的先进行列。 四、皮带秤产品的发展趋向 根据中国衡器协会的调查及推算，国内市场皮带秤的年需量在3 0 0 0 0 台以 上。当前国内外皮带秤产品结构与档次的发展趋向为： 中国科学技术大学博士论文第一蠢绪论 1 、提高计量精度 0 1 的计量精度是目前国际上散料贸易中动态称量的追求，近些年国内外 计量专家和科技工作者一直在努力向此目标奋斗。英国为此而投巨资建立了个 功能齐全、全部计算机控制的皮带秤试验基地一v s l 试验中心，以求在近期内使 皮带秤的计量性能指标满足国际上所需的商检贸易要求。 由于影响皮带秤计量精度的因素很多，提高此指标在技术上有很大难度。国 内外的有关专家和科技工作者在寻求各种技术途径。 2 、称重原理上的创新 传统重力皮带秤的称重原理所造成的“皮带效应”是其主要误差的来源。核 子计量称重方法是非接触式的，其主要优点是原“皮带效应”的相关参数在此检 测中基本没有影响、可靠性高、安装调试简单、在恶劣环境中可以使用，但放射 源强度的衰减、物料成分和水分含量以及皮带上物料的堆形和物料颗粒的大小等 计量结果有较大的影响。在产品的计量检测中精度可达0 5 ，实际使用中 1 1 l 。 3 、 重力式称重系统结构的创新 同样为摆脱“皮带效应”的影响，近些年国际上又开发了一种新型动态计量 结构一失重式计控系统。它是在料斗式计量系统的基础上，增添了加料设备和输 料设备组成的连续计量控制系统，其不仅能对固体物料进行计量控制，也可对一 般液体和浓稠的液体进行计量控制。它在进行动态计量时脱离了与输送机皮带的 连接，体现的优点为：克服了“皮带效应”的影响，计量精度可达0 1 ，定量 控制精度i o 2 i ；检测、维护方便，一般用标准砝码即可进行全性能检测： 物料运转中可密封以减少环境污染。但此系统造价相对较高，现场安装调试占用 空间和面积较大。 4 、 计算机软件功能的创新 高精度重力式皮带秤限于较复杂的秤架结构和使用环境及条件，客观存在着 诸多动态参数对测量结果的影响。人们设想在称重系统对物料进行连续计量中， 对某些起主导作用的变化参数用计算机功能软件进行自动跟踪补偿。即对皮带上 通过秤架的实际物料与仪表显示值的一致性进行自动跟踪。随时进行自校，这是 提高皮带秤计量精度和长期稳定性的积极有效的新途径。多年来相关领域的科技 工作者进行了反复试验、研究，取得了良好的效果。 5 、 发展新型计量技术一核子计量系统 中国科学技术大学博士论文 第一章绪论 第二节核子计量技术的发展 一、核子计量技术发展势在必行 微机核子计量系统即微机核予秤系统，简称核子称。 核子秤是一种非接触式计量仪表，是核探测及核电子学和计算机等多技术学 科综合的计量系统。在测量过程中6 口端称重传感器不与输送设备的皮带或管道等 接触，与传统皮带秤相比( 见表1 ) ，核子秤工作不受机械振动、皮带张力、惯 性冲击、物料过载、恶劣环境等因素的影响：并且不需机械维护、安装简便( 不 需停机即可完成安装) 、工作稳定可靠、经久耐用、精度可满足一般要求，所以 非常适合传统皮带秤所不能应用的场合，如履带( 链板) 式、螺旋式、刮板式、 链斗式、振动式等输送机。 在我国的工业生产( 如水泥、冶金、炼焦、矿山、电力、化工、轻工等) 以 及食品、医药等部门，一直存在着计量不准或难以计量的老大难问题，给企业的 管理考核和经济核算造成严重困难，甚至影响产品的质量。其原因就是我国新型 计量技术发展滞后，各相关条件和环境差的生产现场安装传统的皮带秤，使用一 段时间后便出于其天生缺陷而不能满足要求或被损坏或被迫拆除，且有些场合根 本不能使用传统的皮带秤。因此，在我国发展和推广核子计量技术势在必行。 二、核子计量技术的发展情况 在国外，核子计量技术发展较l ( 约2 0 世纪7 0 年代之前) ，8 0 年代核子计 量系统已广泛应用于上述的一些企业和部门。其中最具代表性的有美国拉姆斯 ( r a m s e y ) 公司的w s 型核辐射式皮带秤，美国伽l 瑞( k a y r a y m c ) 公司的6 0 0 0 x 型核辐射式核子秤，英国艾弗里( a v e r y ) 公司的9 0 0 0 型核予秤以及德国波索尔 德( b e r t h o l d ) 公司的l b 3 3 0 型核子秤等。国内，8 0 年代中期内蒙古包头第一 热电厂、北京首都钢铁公司、上海吴泾化工厂等国有大中型企业最早引进安装了 美国伽瑞公司的6 0 0 0 x 型核子秤，耿得了良好的效果，从而引起国内科技工作者 和相关厂家的极大兴趣。1 9 8 7 年我们核技术应用研究室根掘国外的核辐射计量 系统技术的发展和国内使用进口核子秤状况，提出了发展我们国内的核子计量仪 器的想法并进行了申报，同时着手核子计量系统中部分关键单元的研究。同期国 内有几家单位投入了较大力量进行类似课题的研究，并于1 9 8 8 年诞生了我们国 内生产的微机核子秤( 根据安徽省科技情报所检索的结果) 。之后国内的核子计 量技术根据市场的需求，在功能、种类、适用性、创新性等方面都有长足的发展。 除在进口国外成套生产流水线上配套的核子计量系统外，国内已基本不再进口国 中国科学技术大学博士论文第一章绪论 外的核子计量系统。 表1核子秤与传统皮带秤的比较 核子皮带秤传统皮带秤 r 料时的惯性 不寅输送火块物料，但大块剌在大荷重情况下可以输送大块物料， 物冲击对托辊的冲击不影响称重。大块物料对托辊冲击可引起误差。 料 种类变化对每种物料要单独校准一般不需单独校准 情 含水蠡| ：变化影响精度 水分作为荷重被检测 况 堆积截面形状影响精度 不影响精度 粒度变化影响精度不影响精度 重量超载不致损“：秤可能损坏秤重传感器 皮带张力不影响精度很重要，张力变化引起误差。 皮 皮带硬度不影响精度很重要，皮带硬度变化引起误著。 带 皮带倾角 水平和倾斜安装效果一样影响精度 机 皮带跑偏不影响 | 度根重要严重影响精度。 状 托j ；| _ 6 为校准不；i ! ；响 度很重要，影响精度。 况 托辊偏心不影响精度很重要，严重影响精度。 安安装进行中不影响输送机i l 常运行安装时必须停机 装 安装费用 低高 情 大风恶劣气候影响很小影响很大 况 物料泄漏只要探测器上保持清沾，川无影响很大 影响。 机械振动 影响小 影响人 维 i 。作越很小l ：作餐人，因运动部竹多需经常清 护灰，经常校准。 一赞川少多 作 精度 1 0 5 m e v 中国科学技术大学博士论文第二章核辐射探测技术及其原理 3 、电子对效应 能量大于电子静止质量两倍( 2 o 5 1 1 m e v ) 的光子在原子核场附近湮没而 生成一对f 负电子，光子的一部分能量转化为j 下负电子的静止质量，另一部分转 化为它们的动能，这种现象称为电子对效应。产生电子对效应的截面与吸收体有 关，还取决于入射y 光子的能量，表达式为： ：盥黑业( 孥2 e 2 1 8 ) i n当1 3 7 彩z 】t 彩 仃对= _ 1 j 弓一可2 m e - 2 7 当1 37 脚矿z ， e ”) 埘c 蔓兰! 兰些1 3 7 ( 堡l n l 8 3 z 1 3 79 当e ， 1 3 7 m c 2 z 。1 7 3 生成的负电子，在物质中运动时因电离、激发等逐渐损失能量而被阻止。生 成的正电子，在损失能量之后，将与物质中的电子相结合而湮没，产生y 射线， 称之为湮没辐射。 二、物质对y 射线的吸收规律 y 射线入射进物质时主要发生的三种效应将使其强度减弱，遵循指数衰减规 律，如图2 4 所示。 1r 1r1r1r 1r1r1，厶i 静掣一1 手 表达式为 式中 l v 5 时，探测器进入了连续放电区，不能用于探测系统。 3 、相应的气体探测器 根据气体电离形成的脉冲高度( 收集离子数) 与外加电压的关系，在不同的 区域，可制成不同的气体探测器，实现不同的探测目的。从原理上讲，对一只气 体探测器，可以改变外加电压使其工作在不同的区域。但实际中，每只探测器的 结构已定，只适用工作在某个特定的区域，因此形成各类气体探测器。 在核子计量系统中使用的气体探测器主要为电离室。它是一种最简单的气体 电离探测器，选择在饱和工作区工作。该区既没有离子对的复合现象，也没有气 体放大作用，射线产生的全部初始离子对形成输出电流。 电离室的工作气体多为氩气、氮气或甲烷等。其工作状态可分成两类：一类 是测量单个入射粒子的，称作脉冲电离室；另一类是测量大量入射粒子的平均效 应的称之为f i 流电离室。 ( 1 ) 脉冲电离室 脉冲电离室的结构与图5 所示的类似，当一个带电粒子入射到灵敏区时，损 失自己的能量，使室内的一部分气体电离成电子和正离子。在电场的作用下，电 子将以1 0 6 g i t i s 左右的速度向阳撇运动，形成电流。设两电极相距l c m ，则经 过1ps 电子被阳极收集，f 离子j j l l j 要经过约l m s 被阴极收集，电流脉冲终止， 在r 上产生一电压脉冲，经耦合电容c 输出。这个脉冲的高度和宽度与电流脉 冲有关，还与电路的时间常数有关。当入射粒子不太强，各个粒子之间有足够长 时间间隔，使电压脉冲不重叠，即可将单个粒子记录下来( 当入射粒子流强度 线 c b u s 数据 锁 隔v ( i ) p 缓冲存离输出 图4 4输出控制模板框图 4 、监控定时器( w a c t h d o gt i m e ) 的设计 由于核子计量系统通常被用于现场条件差的工业生产场所，存在不可预测的 干扰，往往在系统正常运行时，突然进入死机状态( 多数原因是由于干扰引起系 统程序混乱，不能按正常流程运行，俗称“飞程序”) ，监控定时器刚好能在系 统出现“飞程序”时，自动恢复程序的正常运行。 ( 1 ) w a c t h d o gt i m e r 工作原理 w a c t h d o gt i m e r 实质是由一个在程序正常运行时可被c p u 定时重新启动， c10ck 一1 广 厂 r 一一 e ti ：坠i o ! s 上f pn i ! ( b ) 图4 5w a c th d o gr i f i l e r 原理图 中国科学技术大学博士论文第四章微机核子计量系统研制 而在“飞程序”时使c p o 复位( 或产生中断) 的硬件与软件配合的定时器。其工 作原理如图4 5 所示。 两个计时周期不同的定时器t ：和r ，其时钟源相同。假设t = 1 0 s ，t 2 = 1 1 s ， 而用t ，定时器的溢出脉冲p l 同时对t 。和t 。定时器清“o ”，只要t 定时器工作正 常，则两个定时器每隔1 o s 清“0 ”一次，t ：定时器永远不会产生溢出脉冲p ：。 若t - 工作不正常，到l - o s 后l 定时器就会产生溢出脉冲p ：。换句话说，若有p ： 脉冲产生，则表明t 定时器工作出了故障。所以利用输出脉冲p ：并配合相应软 件的巧妙设计，可以检测出采集系统是否出错，而后使“飞掉”的程序重新恢复 运行。 在实际系统中，t 并不是定时器，而是应用程序的运行周期。其构成如图4 6 所示。其实际上是一个定时器和c p u 构成的闭合回路。定时器的溢出( 定时到) 图4 6 实际w a t c h d o gti m e r 原理框图 脉冲连到c p u 的复位端或中断输入端，其每一次溢出将引起一次系统复位，使系 统重新初始化，即从头开始运行，或产生中断( 高优先级) ，使系统进入故障处 理程序，从而进行必要的处理，自动恢复正常程序的运行。 定时器受c p u 程序的控制，c p u 重新设置定时值或重新启动时，定时器被清 零重新开始计时。只要按程序正常工作，可保证在定时器“定时到”之前c p u 访问其一次，定时器就将重新，l ：始计时，因此其永远不会产生溢出脉冲，c p u 就 不会被复位或产生相关的中断。若系统程序运行发生故障，在定时器的定时时间 内c p u 将不会访问它，“定时到”( 溢出) 脉冲将出现，从而引起系统复位或中断。 四、系统软件设计 1 、简述 由于本系统是应用于工业环境中，所以我们的软件设计最显著的特点就是紧 密配合硬件，做到高可靠性，强抗干扰性和高度兼容性，同时又考虑到现场操作 中国科学技术大学博士论文第四章微机核于计量系统研制 人员的实际情况，特别设计了非常友好的人机界面。全部应用软件采用模块化结 构设计。系统实际运行中所有必要的数据键入，都进行了类型判断，只有合法的 数据爿。予以接受，否则不予理会。对重要的参数进行修改时，均显示出修正后的 值，并提示确认，经操作人员确认后才真正以新值取代原参数值，否则将保持原 参数值。为防止无关人员误操作，本系统对重要的功能键都设置的密码( 密码可 在对e p r o m 编程时向各台秤写入相应的码) ，并要求密码能被熟练的键入( 采用 定时有效方法) ，短时问内( 5 秒钟) 输入密码不正确则功能无效。 系统中根据实际的应用情况，首次研制使用了独具特色的输送带自动零点跟 踪技术，有效地减小了由于本底的物料粘连及皮带破损和放射源衰减等带来的称 量误差。 我们还结合硬件在软件系统中研制使用了w a t c h d o g 技术，保证了系统长期 在强干扰环境中工作永不手及死机。 本系统设计可同时独立对四台输送机传送的物料进行计量，四台秤的启、停、 及工作状态无任何相关。每台秤采样时间的选择是根据该秤实际计量的物料以及 现场工况而定，其范围可为卜2 5 5 秒。因此当存在两台及以上的秤工作时，就有 可能两台或更多台秤在某个时刻同时采样时问到，此时采样可先后依次进行，因 编程中只用了少量几条语句，故只会早造成几微秒的误差( 因为8 0 3 1 单片机的 机器周期为l “s ，这对大于1 s 的采样时间来说可以不计) 。采样后的处理过程 时间较长，特将数据的采集与处理分别设计在两个中断服务程