基于STM32的無源核子料位計的設計

余 龍，孔德文，張成永

（江蘇信息職業(yè)技術學院 機電工程學院，江蘇 無錫 214153）

在國內，絕大多數(shù)的火力發(fā)電廠都配備了除灰系統(tǒng)，并采用料位計來檢測灰斗和倉泵的灰位，以實現(xiàn)除灰作業(yè)的自動化控制[1]。但是，這些料位計絕大多數(shù)為接觸式料位計，在使用時容易因掛灰而產生誤報警，需要技術人員不斷地跑現(xiàn)場對料位計的誤報警進行確認和處理，增加了技術人員的工作強度；同時，誤報警會導致氣力輸灰提前，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，增加了設備磨損[2]。

目前市面上用于解決上述問題的一種手段是采用無源核子料位計，用非接觸式測量代替接觸式測量[3]。但是，這些料位計普遍存在指向性差、抗干擾能力弱、溫度漂移嚴重等問題，導致在電廠的應用并不理想，普及率很低。

1 無源料位計工作原理

無源核子料位計的工作原理如圖1所示。γ射線照射到碘化鈉晶體后，發(fā)生作用后產生次級帶電粒子，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倍增，最終在陽極上收集到電流；高壓偏置電路用于為光電倍增管提供高壓偏置電壓，并將陽極的電流信號轉換為電壓脈沖信號；脈沖調理與放大器對電壓脈沖進行整形和放大，以便于后面的AD轉換；處理分析單元整個料位計的核心，用于對脈沖信號進行處理，并根據(jù)計算模型計算實時料位；用戶接口用于實現(xiàn)和用戶的信息交互，包括輸出開關量報警信號、模擬量料位信號，實現(xiàn)和手持調試器的交互等功能。

圖1 無源核子料位計工作原理Fig.1 Working principle of passive nuclear material level meter

圖2 光電信號轉換Fig.2 Optical signal conversion

2 無源料位計的硬件設計

2.1 整體設計

粉煤灰中的γ射線入射到晶體中產生微弱的光信號，這些光信號只有經過光電管的光電轉換以后才能變?yōu)殡娮与娐纺軌蛱幚淼碾娦盘朳6]。由光電管的光電轉換原理可知，光電管只有在合適的高壓偏置下才能夠將光信號轉換為電信號。因此，必須要配備專門的高壓偏置電路，電路設計中采用的是經典的電阻鏈分壓方式。由于光電轉換得到的電信號并不一定在后續(xù)AD電路的輸入范圍內，還需要對該電信號進行必要的放大和調理。實現(xiàn)整個上述過程的原理框圖如圖2所示。

經過調理和放大后的信號通過AD轉換進入微處理器，微處理器根據(jù)所接收到的信號，采用特定的算法計算出料位高度[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)信息和上位機通信等功能。這部分功能邏輯如圖3所示。

2.2 電路設計

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

圖4 信號調理與放大電路Fig.4 Signal conditioning and amplification circuit

無源核子料位計的硬件系統(tǒng)主要包括主控模塊、信號處理模塊、無線通信模塊、人機接口模塊以及電源模塊。

其中信號調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，并且可以直流5V～24V寬電壓輸入，其額定溫度范圍為-40℃～+85℃，簡單易于使用，完全可以滿足工業(yè)上的使用要求，電路圖如圖4所示。

3 無源料位計的軟件設計

無源核子料位計是通過檢測粉煤灰中微量放射性元素衰變時發(fā)射出的γ射線來計算料位。接收的γ射線經過閃爍體和光電倍增管轉換成電脈沖信號，電脈沖信號經過處理后，單片機記錄單位時間內脈沖個數(shù)。

流程圖如圖5所示。當系統(tǒng)通電時，必須要對各個模塊進行初始化，其中包括定時器初始化，串口初始化、LED初始化、繼電器初始化、OLED初始化等初始化。初始化完成進入主循環(huán)，在主循環(huán)中通過定時器進行外部指令獲取單位時間內記錄射線數(shù)的值，然后進行均值濾波處理，掃描按鍵狀態(tài)，讀取系統(tǒng)溫度值，并且更新系統(tǒng)變量，顯示屏實時顯示射線數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)。報警點當料位到達設置值時，程序計算模擬量輸出ma值，并且LED亮起繼電器閉合，對外輸出報警信號。

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

圖6 抗干擾對比試驗Fig.6 Contrast test against interference

4 試驗數(shù)據(jù)分析

為了避免環(huán)境中無關γ射線的干擾，提高其指向性，如圖6所示設置了由鉛皮材料和坡莫合金材料制作的屏蔽層。測試結果如圖7所示，在安裝屏蔽層后，計數(shù)率明顯降低了，說明無關的γ射線被屏蔽掉了；同時，測量結果的波動也基本消失了，說明屏蔽層確實起到了預期的效果。

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

圖8 溫度適應性對比測試數(shù)據(jù)Fig.8 Temperature adaptability comparison test data

如果采用固定的甄別閾值，則測量結果必然會受到溫度的影響。為了解決這個問題，通過特征提取來識別K40的主峰，并以其為基準來計算料位[8]。由圖8測試結果可以看出：料位計1不使用溫度自適應算法，則隨著溫度的升高，計數(shù)率降低；料位計2使用溫度自適應算法以后，計數(shù)率基本不隨溫度而變化。由此可見，溫度自適應法可以有效地減少溫度對于測試結果的影響。

5 結束語

本文設計了一種無源核心料位計測量系統(tǒng)，通過軟硬件的安裝與調試，經過試驗研究得知：采用屏蔽層來屏蔽磁場和環(huán)境中無關γ射線的干擾，提高了料位計的指向性和穩(wěn)定性，采用溫度自適應算法大大降低了溫度對測量結果的影響。