1 引言
在石墨電極生產過程中,需要對分時注入浸漬容器中的高溫高壓瀝青和冷卻水的輸液管線進行動態液位監測,確保輸液管線內只能存在一種介質。傳統的監測方法多採用浮子裝置,浮子需緊密接觸液體並由管線外的浮子連動部件將浮子的當前位置傳送給接收裝置,實現液位報警,這種方法不可避免地產生誤報。γ射線探測技術具有非接觸測量的優勢,同時結合單片機的實時監測分析功能,可以在線監測生產過程,根據設定的報警液位進行報警處理。現場人員能夠及時,準確地掌握生產數據,正確地指導生產和設備維修,提高產品質量和浸漬容器的運行水平,避免事故,為企業帶來巨大的經濟效益和社會效益。
2 系統的工作原理
這種測量儀表的基本工作原理主要利用了γ射線透射的有關性質。
射線源產生γ射線,射線穿過物質時,將與物質原子發生光電效應,康普頓效應和電子效應。射線與物質原子間只要發生一次碰撞就會偏離原來的入射方向(即被吸收),同一能量的γ射線在不同物質中的吸收係數不同。當一束初始強度為N0的γ射線穿過厚度為x的介質(分時輸入管道中的高溫高壓瀝青和冷卻水)時,它的強度衰減為N,可由下式表示:
式中:N0為管線中沒有介質時探測到的γ線的初始強度;N為γ射線穿過介質厚度為x後探測到的強度;μ為介質對γ射線的吸收係數。
μ值與γ射線的能量和介質的成份有關,μ值越大,表示介質對γ射線的吸收越強,反之,則弱。當被測介質的吸收係數不變且為已知值時,介質的厚度(液位x)可由下式求出:
在實際的生產過程中,根據操作流程,控制注入管線的介質。這樣就可以由上式精確地測得管道中介質的液位。由單片機系統顯示,報警控制電路將報警信號進行光電指示,開關量輸出並傳輸給PLC裝置,實現液位測量監控,正確指導生產。
3 儀表硬體構成
儀表主要由兩部分組成:γ射線探測部分和單片微機測控部分。γ射線探測部分完成對輸液管線內的液位探測;單片微機測控分完成對探測液位的計算與報警控制。系統硬體構成如圖1所示。
γ射線探測器由碘化鈉閃爍體、光電倍增管及附屬電路構成。當射線與閃爍體作用時使閃爍體發生閃光現象,這種光通常都很微弱並且持續時間很短,難以用肉眼觀測,所以要用光電倍增管把光放大並轉換成電脈衝,然後由放大器對電脈衝進行放大,測量電路對電脈衝進行測量,從而達到探測射線的目的。
當射線照射閃爍體時,射線的能量使晶體原子中的電子激發而逸出產生光子,碘化鈉閃爍體轉換來的光子打到光電倍增管的光陰極上,可從光陰極上打出電子,電子就在光電倍增管高壓所形成的電場中形成電流而被陽極收集起來,電流在光電倍增管負載電阻上產生信號壓降輸出。輸出信號由前置放大器傳送給單片微機接口電路,接口電路將輸入信號與後續電路隔離,放大整形為標準TTL信號,由8031單片機計數電路獲取。
智能化的儀表都以微處理器為核心。在線式液位測量儀採用了具有較高性能價格比的8031單片機。MCS-51單片機內部集成了4個8位雙向並行I/O口線,每位均設有輸出鎖存器,輸出驅動器和輸入緩衝器。P1口是一個8位準雙向並行I/O口,作通用I/O口使用。在位操作方式下,Pl口可進行每位單獨輸入輸出操作。MCS-51提供了結構完備而獨立的布爾(位)處理器,利用布爾(位)邏輯操作功能進行監測,增強了實時性,提高了運算速度,在線式液位報警監控就是基於單片機的位控操作實現的。
8031內部只有128位元組的RAM,沒有程序存儲器,因此必須對它們進行擴充。數據存儲器擴充了一片RAM6264。它是容量為8K字節的靜態存儲器。RAM是易失性的存儲器,一旦掉電內部所有信息將丟失,這在生產上是不允許的,所以必須對6264進行掉電保護。6264配有專門用於掉電保護的引腳,它的第二片選端CS2為低電平時即進入保護狀態,利用此特性設計了6264的掉電保護電路,穩壓管提供基準電壓Vr(Vr=3V),當VCC為+5V時,比較器LM339輸出高電平,這時CS2為高電平,6264處於工作狀態;當掉電時,VCC下降,比較器LM339輸出低電平,6264進入數據保護狀態;當VCC繼續下降小於後備電源電壓E時,後備電源投入使用。
當系統重新上電時,由延時電路進行抗幹擾保護,延時結束,電源穩定後,CS2升高為高電平,6264轉為工作狀態。程序存儲器擴充了兩片8K字節的EPROM2764,為軟體系統的模塊化提供硬體支持。鍵盤及顯示電路利用一片可編程晶片8155進行擴展,8155與8031接口簡單,是單片機應用系統中使用最廣泛的晶片。用8155PC口和PB口分別作為行列式鍵盤的行線和列線,構成16鍵位鍵盤,鍵位的合斷瞬間存在的抖動採用軟體方法來消除。8位LED動態顯示電路採用掃描顯示方式,將8個數碼管的段選線連在一起,由8155的PA口控制段選碼,PB口控制位選碼,由程序輪流選通每個數碼管的位選信號,顯示當前液位。數據採集電路的任務是將探測器的物理量轉換成電信號進行量化和編碼,探測器輸出的核脈衝信號經預處理電路成為標準的TTL脈衝,然後送入計數器,8031擴展了計數電路,計數電路設計在一塊插件板上,用8253可編程定時/計數晶片作計數器,8253內部有3個功能相同的16位減1計數器,每個計數器的工作方式及計數常數分別由軟體編程選擇,最高計數頻率為2·6 MHz.為保證轉換精度,選用12位的D/A轉換器DAC1210,輸出標準(4~20mA)信號。
報警監控是該儀表的關鍵。系統要求對輸液管線實行三級液位測量報警,所以設計了三級功能相同的報警控制及報警指示電路,完成上液位、中液位、下液位報警。當系統報警時,報警信號由報警控制電路中的小型繼電器進行開關量輸出,同時進行光電指示。
報警輸出接口輸出的開關量由PLC獲取後控制生產流程中的其他設備。因此,在輸出鎖存器與低壓小繼電器之間採用電極開路的OC門型驅動器75452P驅動小型繼電器實現開關量的隔離輸出。單片機對獲取的當前液位進行精確計算後與設定液位比較,當到達某一報警液位時,單片機對控制該報警電路的P1口進行位操作,P1口置位時,觸發相應的報警單元電路。
4 儀表軟體設計
儀表軟體採用了單片微機彙編語言編程。主要包括以下模塊:系統初始化子程序,鍵盤輸入處理子程序,顯示子程序,計算與處理子程序,監控子程序。主程序流程圖如圖2所示。
系統開機後,主程序首先對系統初始化,然後進入正常的測量及監控處理。系統初始化子程序對系統的可編程晶片進行初始化,將它們設定為預定的工作方式。可編程晶片8155的I/O口工作方式選擇是通過對8155內部命令寄存器(命令口)設定命令控制字來實現的。8155編程為ALT1,控制字為03H時,PA口PB口定義為輸出方式,PC口定義為輸入方式;8253的工作方式由軟體編程給定,通過將給定工作方式控制字寫入控制寄存器的方式實現。計數常數分別由軟體編程選擇,將操作方式控制字34H寫入控制寄存器,使計數器0以方式4二進位計數,先讀寫低位字節,後讀寫高位字節工作。
鍵盤輸入處理子程序判斷當前是否有鍵位閉合,有鍵位閉合時從鍵盤獲取一個鍵值。顯示子程序將當前顯示緩衝區的內容在8位數碼管上動態顯示。監控子程序完成液位報警處理。液位儀要求每6s進行一次液位監控報警,使PLC能實時跟蹤當前液位。其實現方法是:單片機系統採用6MHz晶振,通過軟體對方式控制寄存器TMOD編程,由定時器/計數器T0提供時間基準,定時器T0工作於方式2。方式控制寄存器TMOD的格式如下表:
其中:C/T為定時器/計數器方式選擇位;C/T=0,為定時器方式;C/T=1,計數器方式。定時器/計數器T0由軟體對狀態寄存器TCON的控制位編程啟動,狀態寄存器TCON的格式如下表:
定時器/計數器T0的運行控制位TR0=1時,啟動定時器/計數器T0。定時器/計數器T0每隔100 ms產生一次中斷,產生100ms定時中斷所對應的初始時間常數為3CB0,中斷服務子程序計算出液位報警所需的時間。報警監控子程序框圖見圖3。
監控子程序判斷當前報警液位,將探測到的管線液位與設定的報警液位進行比較。當液位達到上位報警液位時,單片機P1口的P1·7置位,觸發上液位報警控制電路;當液位達到中位報警液位時,單片機P1口的P1·6置位,觸發中液位報警控制電路;當液位達到下報警液位時,單片機P1口的P1·5置位,觸發下液位報警控制電路,完成生產流程的報警控制。下液位報警時,生產管理人員能夠準確掌握輸液管線內剩餘液體的液位,準確控制返液泵的運行時間,這是保證設備安全、高效運行的重要依據。
5 結束語
核輻射工業檢測儀表具有投資少,見效快,效益高的特點,可以在高溫、高壓、酸鹼腐蝕等環境中工作,能做到不接觸,不破壞被測對象,這是其他儀表不及的。系統利用γ射線探測技術非接觸測量的優勢,結合單片微機控制技術實現石墨電極生產過程中對浸漬容器輸液管線的液位進行動態監測,成功地解決了管線液位測量的難題,不僅提供直接經濟效益,而且使產品性能穩定。系統測量精確度高、日常維護少、操作規程簡單、系統工作穩定可靠,在碳素、石油、化工等廠礦企業得到了廣泛的應用。