數字式一體化γ射線物位計的研制

摘 要:本文介紹了一種基于微處理器技術和一體化結構形式的γ射線物位計，簡述了γ射線物位計的測量原理，并從結構設計、電路設計和軟件設計三個方面介紹了儀表的設計方法。該核物位計具有數字標定、測量準確、反應時間快、抗干擾能力強和測量靈敏度高，在檢測點處輻射強度達到75uR/h物位計即可正常工作等性能。

關鍵詞:微處理器一體化γ射線物位計

中圖分類號:TP2文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(b)-0021-01

1 測量原理

眾所周知，核子物位檢測設備，在國內、外已經廣泛地應用于冶金、化工、電力、礦山、建材等行業的物位檢測與控制，特別在高溫、高壓、強腐蝕性、有毒等環境條件比較惡劣的工業現場，核物位檢測設備具有不可替代的地位。

核料位計是根據介質對r射線的吸收原理研制的，其吸收規律符合比爾定律，可表述為如下函數:

I=I０ｅ－μｄ

式中:I為射線被介質吸收后的強度;I０為射線被介質吸收前的強度;μ為介質吸收系數;ｄ為介質厚度。

當盛裝介質的容器內有、無介質時其射線強度將分別為I１、I２。根據公式則有I１＝I０ｅ－μｄ１、I２＝I０ｅ－μｄ２。

式中I１為有介質時的射線強度;I2為無介質時射線強度，即d２＝０時的射線強度。

由于上述公式中ｅ－μｄ的因子的作用，I２〉〉I１。

將被測的兩種狀態下的射線強度進行判別比較，即可判斷介質的“空”、“滿”。

2 系統設計

2.1 結構設計

數字式一體化γ射線物位計由輻射源和主機兩部分組成。輻射源安裝在特制的工作鉛罐中，輻射源將射線經鉛罐上的準直孔形成一個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關。主機包含傳感器和控制線路。由于數字式一體化γ射線物位計是室外控制型儀表，因此對其抗電磁波等因素的干擾，外界環境溫度變化的影響，在比較惡劣的工業現場應用的適應性都提出了新的更高要求。為此外殼設計采用重鋁壓鑄，有效的屏蔽了各種電磁輻射，以適應應用現場的各種惡劣環境。

2.2 硬件電路設計

數字式一體化γ射線物位計主要由AT89C4051單片機、顯示驅動控制、按鍵輸入、參數掉電保存，繼電器驅動輸出、信號整形倍頻電路等組成。儀器以AT89C4051單片機為核心來檢測γ射線強度的變化的。γ射線傳感器傳來的信號經過反向器整形，整形后的信號作為振蕩器的控制開關，振蕩器的輸出經整形、驅動提供給單片機處理。單片機將傳來的頻率信號換算為γ射線強度值。經過顯示驅動電路后顯示;同時將檢測到的γ射線強度值與程序設定的γ射線下限強度值進行比較，低于設定的允許值時報警繼電器動作，供上位機集中監控使用。

(1)單片機。

主控部分由89C4051單片機完成。提供以下幾個功能。

①為系統測量提供精確的定時器。

②通過控制片內計數器的啟停，獲取γ射線強度的大小。

③通過P1.1、P1.2、P1.3口控制PS7219顯示芯片的工作。

④通過P1.4、給出1路繼電器的輸出控制信號。

⑤用P1.5、P1.6控制數據掉電保護芯片的工作。(模擬I2C總線)

⑥通過P2.3、P2.4、P2.5、在面板上提供3個功能鍵，以便進行數據修改。

(2)繼電器及驅動電路。由555集成芯片驅動1個直流繼電器輸出控制信號。

(3)數碼管譯碼、驅動電路。由PS7219、主板上的4位ＬＥＤ數碼管組成。

(4)儀器掉電保護，ATMEL24C01

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

(6)傳感器。

核儀表按探測器的不同，可分為閃爍體、蓋革計數管、電離室等幾種。在本課題中，經過綜合比較，探測器選用了蓋格計數管。

3 軟件設計

軟件的功能是通過控制單片機內部計數器進行數據采集，并將采集的數據進行處理，轉化為輻射強度，最后根據數據結果進行各種輸出控制。軟件以c語言作為編程語言，考慮到程序的可移植性和以后的功能升級，以及調試的方便性，采用模塊化程序設計。

4 儀表靈敏度測試結果

測試主要目的是確認智能料位計的靈敏度。原因是實際應用中，在滿足使用的前提下，輻射源的強度都盡可能采用較低強度的輻射源，這主要是考慮到對應用現場的安全保護。所以現場設計的原則是，介質滿時能將輻射源的輻照劑量完全吸收，即為天然本底狀態;在無介質時其輻照量與有介質時的輻照量應能被料位計準確的區分開。測試的方法如下。

4.1 測試設備

料位計、輻射源、輻射劑量儀、計算機(記錄用)。

4.2 測試過程

將計算機與料位計通過串行通訊口連接起來，輻射源與料位計探頭位置固定后，用輻射劑量儀檢測出料位計探頭所在位置的輻射劑量，然后打開料位計和計算機，由計算機記錄下在此輻射劑量環境下料位計檢測計算出的結果。由于放射性儀表的特殊性，即輻射劑量越小，統計漲落越大，使用計算機可進行長時間、大數據量的測試，可以得到準確的測試結果。

通過上面的方法可以得到某一特定輻射劑量環境下料位計檢測計算出的結果。接下來則向輻射源與料位計探頭之間放入一定密度的介質，這樣就可以得到不同的輻射劑量環境下料位計檢測計算出的結果。

4.3 測試結果

在低輻射劑量的環境中的，核輻射儀表的測量誤差統計漲落很大，因此物位計能否準確區分本底輻射強度與75μR左右的輻射強度是本儀器最重要技術指標。為此設計了如下實驗。在實驗里，將儀表置于固定的輻射強度下進行連續3000次的測試，將16μR(本底)、50μR、75μR三種輻射強度下的測量結果分別統計處理，最后放到一起進行比較，從測試的數據結果可以看出，16μR(本底輻射強度)時物位計測量輸出最小值為21，最大為44;50μR時物位計測量輸出最小值為49，最大為77;75μR時物位計測量輸出最小值為61，最大為93。16μR與50μR的測量結果沒有重疊;16μR與75μR的測量結果也沒有重疊。

本數字式一體化γ射線物位計能準確區分本底輻射強度與75μR左右的輻射強度，在75μR的輻射強度下即可工作。

參考文獻

[1]馬忠梅，籍順心，張凱，等．單片機的c語言應用程序設計[M]．北京:航空航天大學出版社，1999.

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