采用单片机的结晶器γ射线液位测量仪设计

　　在钢铁生产钢水浇铸过程中,结晶器钢水液位是影响钢坯质量的重要参数。结晶器内钢水温度高,周围环境条件较差,采用同位素检测是测量结晶器钢水液位的主要方法。本文讨论的γ射线结晶器液位测量仪采用计算机技术和信号数字处理方法,既能象模拟仪表那样进行连续测量,又简化了仪表结构和调试过程,改善和增强了仪表的性能,较好地满足了生产对测量的要求。

　　1　测量仪硬件设计

　　采用γ射线的结晶器液位测量仪组成框图如图1所示,由信号变换装置和信号测量装置两大部分组成。放射源和核辐射探测器组成传感器实现信号变换,以单片机为核心组成测量装置进行信号处理。

　　1.1　信号变换装置

　　安装于结晶器上的放射源放射的γ射线穿过结晶器,为其对面的探测器所接受,射线强度衰减遵从指数衰减规律:

　　式中I₀和I是放射线穿越结晶器前后的强度,ρ和d分别是所穿越的介质的密度和厚度,μ是质量吸收系数。由于钢水的密度很大,变化很小,密度变化对射线强度的影响可以忽略,因此探测器接收的射线强度随结晶器内钢水液面高度的改变而变化。但是,射线强度与钢水液面高度之间是非线性关系,因此,放射源设计成使其放射强度呈一定函数分布的特殊线状放射源,以使得测量仪的输出信号总是与钢水液位成近似线性关系。实际采用60Co放射源,60Co制成金属丝状,以不同绕距(螺距角)绕在芯棒上,产生符合要求的射线强度分布。

　　核辐射探测器采用闪烁计数器,由NaI闪烁晶体和光电倍增管组成。探测器及其高压电源和前置放大器一同封装在探头内,原理电路如图2所示。前置放大器由脉冲形成电路、电流放大电路、脉冲整形电路和功放电路组成。闪烁计数器将接收的射线转换成电脉冲输出,经V1、V2组成的电流放大器放大后,再由比较器N1等组成的单稳态触发器进行脉冲幅度甄别和整形,形成一定宽度的方脉冲,脉冲宽度通过电容C1调整,由电阻Rl、R2确定脉冲幅度甄别阈值以滤掉散射干扰和电路噪音。

　　1.2　单片机信号测量系统

　　信号测量装置采用单片机控制,对传感器送来的脉冲信号进行处理,转换成钢水液位进行显示,同时转换成标准的直流电压和电流信号输出,测量系统组成如图3所示。

　　适配电路由一组BCD码系数乘法器组成,来自探头的脉冲经光电隔离后,由适配电路乘以一个适当的系数,调整脉冲计数率,以适应仪表的测量范围。单片机系统由87C51单片机及接口电路组成,采用定时计数方法测量放射强度。单片机的定时/计数器T0工作于计数方式,用于接收测量脉冲,T1用作测量定时。串行口P3.0(RXD)和P3.1(TXD)用作显示器接口。测量结果除了实时显示外,还由DAC-0832转换成模拟信号,输出0~5V的直流电压和4~20mA的直流电流。钢水液位越上限或下限时,显示报警信息,同时由P3.2和P3.3驱动继电器,输出报警触点信号。