高灵敏低源强微机核子秤的研制

0　引言

微机核子秤是一种用于测量各种输送系统的物料流量及质量的在线式测量控制仪表,是一种非接触测量仪表,系统不受传输带的松紧程度、风载、震动及其他外力的影响,没有磨损,维护简便。在许多输送系统中,放射性称量是确定物质流量及质量的最佳手段,微机核子秤不仅可以测量螺旋输送机、斗提输送机、刮板输送机等传输系统的物料流量,还可以直接测量斜槽、管道里“自由落体”状态的物料流量。微机的应用可实现空带漂移和放射源衰减的自动补偿,保证了系统运行的长期稳定性。我们对国外的核子计量系统做出深入调研后,在实验室原有的KD-418型核子秤的基础上加以改进,采用高灵敏度的闪烁探测器取代了电离室,降低了放射源的活度。系统应用8098单片机的自身的A/D转换功能,一台主机最多可接4个测量通道,显示采用LCD方式,可同时显示累计流量、瞬时流量和时间,通过6个触模键操作,使系统的操作简单、方便,计量精度优于0.5%。所有的标定数据存储在EEPROM中,不需电池。

1　系统原理与设计

1.1　称量传感器

有关核子计量的原理许多论文都有介绍[1],此处不在赘述。在核子计量系统中,称量传感器是关键部件,其原理如图1所示,棒状放射源根据物料的运量和输送机的特殊性而设计,闪烁探测器采用高灵敏度的NaI(Tl)晶体。放射源安装在传输机的下方可锁定的长圆柱形铅罐中,在圆柱面上开凿有一条线状孔,打开时可以向上发出一平面γ射线束,闪烁探测器安装在传输带的正上方,与放射源处在同一平面内。这样的设计减少了运行环境的辐射剂量,特别是对一定高度的传输带,即使辐射剂量超标也不至于在传输机下面出现非安全区,从而可以避免辐射对现场工作人员的伤害。闪烁探测器由NaI(Tl)闪烁体、光电倍增管(PMT)及相关的电子线路组成。当γ射线射入闪烁体时,在闪烁体中激发出瞬时闪烁光,光电倍增管的光阴极将闪烁光转变成光电子经倍增极多次放大,在阳极形成电流脉冲。电子学单元将脉冲放大、整形,转换成幅度和宽度恒定的电压脉冲。探测器与主机之间的数据采用振幅键控(ASK)调制的方式传输。ASK调制使载波的幅度随着调制信号而变化,其最简单的形式是载波在二进制调制信号0或1的控制下通或断,这种幅度键控方式称为通-断键控(OOK),它的时域表达式为:

S(t) =rAcosωt

　　其中r为调制信号,对脉冲信号可以用0和1表示。ASK信号可以通过电源线传输,这样,称量传感器和主机之间只要通过电源线连接即可,节省了电缆的敷设,便于安装维护。

传感器部分的电子学单元还要为光电倍增管的正常工作提供高压电源,高压电源的电压变化会使各个倍增极的倍增系数和聚焦情况发生变化,从而影响到总的倍增系数,造成输出脉冲的幅度不稳,因此要求高压电源的输出电压有较高的稳定度(在0.1%～0. 05%的范围)[2]。在这里为避免噪声增加和工作点不稳定,光电倍增管的光阴极和外壳要接地,闪烁体的避光外壳和电子学单元的电磁屏蔽也处于地电位,因此我们采用正高压供电,这样脉冲输出就要采用耐高压电容。