基于单片机的中子测水系统的研究与实现
2008-07-25
作者：蔡欣荣1，王晓森1，崔龙振1，李
摘 要：中子测水" title="中子测水">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" 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title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统" title="中子测水系统">中子测水系统是基于快中子与物料周围水分中的氢原子相碰撞而慢热化，探头探测慢中子数量的原理制成的。文章对中子测水系统的原理进行分析，提出采用单片机加计数电路、反馈补偿" title="反馈补偿">反馈补偿电路和报警装置等电路实现中子测水系统。
关键词：中子测水；单片机；压流转换电路；反馈补偿；高炉炉温
用核物理测量水份是基于快中子被物料中的氢原子核散射而变为慢中子的原理。中子与物质的相互作用是由于中子与氢原子的质量接近。根据弹性碰撞理论，中子与质量体积几乎相等的物质相互碰撞后，能量损失一半，而待测物料中其他的非氢元素的原子核质量一般要比氢核大的多，故碰撞之后，能量几乎不损失。因此，在中子探头发射中子源的附近，有很多因碰撞而慢化热化的中子，也称为慢中子或热中子" title="热中子">热中子，所含慢中子的数目与待测物料中氢元素的含量有关[1]。若将中子源与热中子探测器放在一起，就可以测得物料中水份的含量。根据氢原子在水中所含的比重，若氢含量变化1%，则水份含量变化9%[2]。
1 中子测水系统原理
1.1 测定公式
若将慢中子探测器紧挨快中子的探头放置在无穷大或半无穷大的介质中，慢中子计数率与介质体积百分比湿度或单位体积内的水份含量近似成正比，可近似表示如下：
其中：N0为介质湿度为0时的中子计数率，对特定料在特定几何下为常数；c为一系数；N为在体积百分比湿度Fv下的中子计数率。应用中一般需知质量百分比湿度Fg：
由(1)和(2)式可得：
在二级近似下，可将(3)式改写为：
其中M为接近于1 的一个常数。
1.2 标定
为了得出未知数c和M，需要标定多组数据，以确定c和M。从原理上讲，N-N0≥0，但在湿度非常低，即N值很小时，由于统计误差也有可能使N-N0<0，从而将出现错误计算和显示。令
。
若不需要密度补偿,可令ρ=1。标定时需要不同温度的料，测出相应的Fg、Ni和ρi值以及干料（Fg=0）时的本底计数。用统计对数回归的方法，求出
和M，从而确定Fg的表达式，为便于标定，可将（5b）式改写为：
对(6)式去对数，则：
令Y=ln(ρ×Fg)，A=ln(E×10-G)，X=ln(N-N0)，则式(7)可变为：
式中yi和xi分别有标样密度Fgi所测出Ni算出的值。标样越多，标定曲线越接近实际。回归公式为：
式中：r为相关系数，标志着曲线计数值与实测值的误差很小，其值接近于1。当r=1时，误差最小。
2 系统硬件实现
硬件框图如图1所示。
图1中AT89S52[3]是ATMEL公司生产的具有8KB内部FALSH和256BRAM的51核单片机，在本系统中作为主控模块。中子发射探头和热中子探测探头同时捆绑在金属探头圆缸内部。从探测探头发射的数微秒脉冲方波经过6N136[4]光电隔离器件进入8254计数器[5]。8254计数器通道0作为定时计数器，如每隔10ms就计数通道1和通道2的计数脉冲，同时清零准备下一次计数。两路输入，一路差分信号输入，一路数字脉冲信号输入。AT89S52扩展了8KB的ROM以保存程序，其中采用ACT573作为地址/数据缓冲寄存器。
采用AT24C16[6]保存现场标定数据，包括10组湿度及其对应下的中子计数率，还有开机密码、标定日期、上次测定湿度等数据。DS1302[7]是三总线RTC时钟芯片，现场操作人员可以方便地查看日期时间下对应的水份湿度，DS1302具有可充电配置寄存器，外部接3.6V可充电锂电池。
LED和键盘模块采用INTEL8279芯片[8]，接口方便，占用很少的单片机处理资源，具有按键中断，在标定数据时，一旦中断到来，单片机判断数字并做相应存储或计算处理。因为该中子水份仪安装在生产间，环境比较恶劣，故复位电路和电源监测电路显得尤其重要。提供三路继电器报警输出，如果水份过小、过大或故障，都提供继电器输出报警。
物料空或满，都可以发送信号到单片机以作调整。如物料空时可以停止计数；物料满时全速计数。但这些信号必须在机器运行之后一直保持下去，若改变其一，则计数状态发生改变，如空时，停止计数和运算。
AD420[9]是模拟器件公司的电压电流转换芯片，具有0/4～20mA可选，内部集成16位积分型D/A转换芯片，以便适时将水份湿度以电流的形式上传给上位机" title="上位机">上位机。上位机对水份波动曲线进行实时跟踪，通过反馈补偿电路对炉温、焦碳、水份量进行实时控制。
3 系统软件实现
系统软件实现主要流程如图2所示。
图2只给出了系统主程序和主要器件的操作流程。在图1中，I2C ROM保存标定数据、上次测定的水份湿度和日期数据，对其读写遵循一定的命令格式，AD420是电压电流转换芯片，串口写入，先写最高位，写完16位后，其DAC锁存输入端由低到高的上升沿脉冲将16位水份湿度电压串行数据转化为电流数据。
4 实验室数据标定测试
完成了硬件设计与软件设计后，在脉冲输入部分加入不同频率的计数脉冲，可得出相应的水份湿度。但这只是调试硬件的理论，要实际测试现场不同湿度的焦碳的计数率和显示水份湿度，还需要实验室进行现场数据标定，并在模拟现场装置下测试不同湿度焦碳对应的中子计数率和水份湿度。表1是对应的10组数据的标定值。
由表2的数据分析可知，中子测水法测得水份值与实验室化学测定的含水率的值基本相等，符合生产要求。值的减少是因为从工厂车间到实验室之间水分的挥发，所以比实验室分析的数值小，但其吻合度为96.56%，其计算式为：
/2=96.56%。
中子测水系统实现了测水的实时性，提高了工作效率，通过电压/电流转换，实时将水份值上传给控制室上位机，操作人员根据水份波动曲线图，可以实时调整入炉煤量、水量、风温等，以实现反馈补偿控制，为高炉操作和生产提供了可靠的依据。有的企业已经部分装配了德国Berthold公司的中子测水系统[10]，但其价格昂贵，所以酒钢和金川要求实现中国化中子测水系统，这也是开发该系统的目的。
参考文献
[1] 罗本怀，刘晓昌．高炉焦碳中子测水系统的应用[J]．鞍钢技术，2001.
[2] LB350中子水份计.Berthold Technologies，1995.
[3] AT89S52 Datasheet．Atmel Corporation，2005.
[4] 6N136．Fairchild Semiconductor，2005.
[5] MSM82C54．OKI Semiconductor，1998.
[6] AT24C16．Datasheet．Atmel Corporation，2007.
[7] DS1302．DALLAS Semiconductor，2001.
[8] C8279．CAST Semiconductor，2004.
[9] AD420．Datasheet．Analog device，1999.
[10] 贾文宝．中子测水在酒钢高炉上的成功应用[J]．甘肃科学学报，2001.