多路二线制料位计

料位计是用来检测容器内部流体或散状固体物料等充填物质位置的仪器,并对物流达到某一指定位置时发出告警信号,或进行人工控制,或进行自动控制物流的充填或排放。被检测的容器包括高压密闭容器和常压开口容器,这些容器设备广泛出现在工业生产的各个部门。料位的检测有重锤法、浮漂法、超声波法、电容容抗法、核射线方法等。每种方法都有一定的适用范围和局限性。核方法料位计与其他方法料位计相比,具有反应速度快、灵敏度高、稳定可靠、非接触、无破坏性、连续在线检测等优点,特别是在高温、高压、剧毒等恶劣条件下,核料位计独具优势。

核料位计是利用γ射线穿过被测物质时,由于射线与物质相互作用而使γ射线被部分地吸收其射线强度减弱的原理制成的。料位计的实现比较容易,使用又比较方便并且需求量也大。料位计的出现比较早,应用研究也逐渐深入。在使用方法上,从单一固定位置测量向高低双向限位测量或连续测量方向发展;在管理上,由一(主)机带单点(测量)系统向一机带多点集中监控方向发展;在功能上,由单纯γ开关或γ继电器向自动控制与调节方向发展;在电路上,先后经历过电子管、晶体管、集成电路、单片机或微机等阶段并伴有温度、半衰期补偿等。

1　设计框图(图1)

探测器的二线制电路在文献[1]中已做详细介绍,其优点是适合信号的长距离传输,信号抗干扰能力强,衰减少,传输稳定可靠,节省传输电缆芯线数。二线制电路的输出为幅度均匀的负脉冲,其幅度取决于供电电压,本设计采用+12V供电,幅度约为-9V。其余电路分述如下。

2　F/V变换与驱动电路

来自探测器的计数率或瞬时频率f与被监测的物位具有相关性,计数频率高表示“空”料状态,计数频率低表示“满”料状态。F/V变换的作用是将频率为f的脉冲信号变为与频率成正比的直流电压信号。集成电路LM331为V/F变换器,通过特定的外接电路可构成F/V变换器。图2中LM331为F/V接法,来自探头的幅度均匀的负脉冲经C0R1耦合到输入端,R1正偏置。输出的直流电压V与外电路的相关参数有如下关系:

式中Rt、Ct为外接积分电阻和积分电容,RL为负载电阻,RS为增益电阻,f为计数频率。当f确定后,改变式中任何一个参数都可改变V与f的比例系数或满刻度值。通常用Rt粗调,用RS细调来改变比例系数或满刻度值。输出电压建立时间或反应时间t=2.2RLCL,CL为滤波电容。

    F/V变换产生的直流电压信号一是供给显示电路,以监测料位的变化,二是供给驱动电路以带动执行机构。

驱动电路由定时集成电路NE555构成,接成比较器型工作状态。F/V变换产生的直流电压作为触发电压,当触发电压由最大值逐渐降低并引起NE555的输出由低电平跳向高电平时,所对应的FVC输出电压值取做比较器的阈电压或设定电压(VS)。在实际应用中,设定电压即为满料时FVC的输出电压。为使γ射线强度减弱一半所需要的厚度叫做半减弱层,γ射线料位计所监测的物料厚度通常为2～3个半减弱层,因此设定电压的大小约为FVC额定输出电压的1/4至1/8。设定电压的取值可通过改变反馈回路电阻R10的值来调节,降低R10可降低设定电压的值。