核子秤计量系统的设计与实现

发表于:2022-10-23 20:15:03 来源:网友投稿

摘要:文章介绍了一种基于单片机的核子秤计量系统的设计与实现,以及该计量系统中各个模块的工作原理及其硬件电路的设计。经过实物测试试验表明,该计量系统能够达到比较满意的精度,适用于对精度要求较高的核子秤系统。

关键词:核子秤;计量系统;弱电流;I/V转换;AD7715

中图分类号:TH715文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)21-0022-03

核子秤是核技术、电子技术和微机技术相结合的一种在线计量仪表,具有结构简单、动态精度高、稳定、快速、寿命长、非接触式测量等特点,广泛应用于冶金、化工、煤炭、水泥等工业部门。

工业现场的核子秤用探测器获取穿过物料后的射线信号,信号的强弱反映了物料的多少,将该信号进行测量后传输到监控中心,监控中心根据测量得到的数据,通过控制电机的速度来控制物料的流量。由于工作现场环境恶劣,干扰大,急需一种实时性好、抗干扰能力强的测试计量模块保证核子秤的精度。本文设计并实现了一个高精度的核子秤计量系统,该计量系统采用I/V转换器、斩波运算放大器、双极性AD转换器等采集电路,通过单片机将采集到的探测信号传入到计算机进行进一步处理。设计并实现的整个计量系统模块工作稳定、可靠,能够满足工业现场中核子秤的要求。

1计量系统硬件设计

核子秤系统常用气体电离室作为探测器,气体电离室接收到被衰减的伽玛射线时,长圆柱型铅筒内充的氩气在高压电场作用下,产生电离,生成正负离子,离子的数目同射线强度成正比,由于高压作用,电极上输出与伽玛射线强度成正比的弱电流信号,对此信号进行采集并分析即可得到物料质量。

从气体电离室测得的电流信号范围在10-12～10-9A之间,为了实现对此弱电流信号的采集,传统的做法是:放大器将电流信号放大,经过压频转换器得到脉冲信号后再经高速光耦将信号传入单片机采集并处理。其核心部件为压频转换器(VFC),原理是首先将输入的模拟信号转换成频率,然后用计数器将频率转换成数字量,同时需要外部计数电路共同完成AD转换。这种方法处理此电离电流信号有一定的抗干扰能力,但实现过程中VFC所用的关键电容器必须随温度变化保持稳定,而工业现场环境恶劣,温度变化大,如果电容器有介质吸收,VFC会产生线性误差并使建立时间变坏,这直接影响数据采集的准确性。

为了提高核子秤系统精度,本设计采用I/V转换模块作为前置放大器,将此电离电流信号放大并转换为电压信号,采用斩波稳零运放ICL7650作为主放大器,克服了干扰信号和温度漂移问题,将此信号差分后送入A/D转换器。单片机经SPI接口读取经A/D转换后的数据,然后经串口将数据送入计算机进行处理,其原理框图如图1所示:

1.1I/V转换电路

I/V转换是整个数据采集的前置放大部分,由于电离电流信号在10-12～10-9A范围内,需将此弱信号放大并转换为电压信号,以便后级电路进一步处理。I/V转换电路的原理如图2所示:

运放是该I/V转换电路主要组成部分,在理想条件下,运放的输入电阻Ri=0,因而电流iF=iS,故输出电压:U0=-isRf所以该电路可实现将微弱的电流信号转换成放大的电压信号。由于探测器输出的信号较微弱,易受外界干扰,因此该运放选用抗干扰能力强、精度高的AD549放大器。

1.2主放大电路

本设计选用ICL7650斩波运放作为主放大器,它具有高输入阻抗和低输出阻抗,低失调电压和温度漂移以及精密的反馈特性和高的共模抑制比能力。图3是主放大电路的原理图。运放采用反向放大方式,通过调节R18电阻的大小来调节该放大电路的增益。为平衡I/V转换给后级电路带来的失调电压(这由放大器本身决定),加入了调零电路。为保证放大器电源的稳定,在ICL7650的电源端加入了电感及电容,抑制了电源噪声,使放大精度提高。由于AD7715采用双极性输入方式,故经ICL7650放大后的信号用AD8138产生两路差分信号后再送入AD7715。并采用高精度的电压基准源MC1403为AD8138的COM端提供2.5V的参考电压。

1.3A/D转换电路和单片机系统

A/D转换器选用芯片AD7715,测量信号范围从-30mV～2.5V,具有差动输入、串行接口、输入缓冲、输出更新速度可编程等特点,因此AD7715特别适用于低频模拟小信号的测量,且具有较强的干扰抑制能力。单片机系统及A/D转换电路如图4所示:从AD8138送来的两路差分信号经滤波后送入AD7715的7,8端。基准源MC1403从2脚输出的参考信号经C38,C20旁路滤波后送入AD7715的9端,为AD7715提供参考电压。SCLK ,DIN,DOUT,/DRDY分别接单片机的P0口,以SPI方式将数字信号送入单片机。单片机将采集到的数据经过处理后由串口送入计算机对数据进行进一步的处理。

2软件设计

本计量系统软件部分包括数据采集和RS232串口通信程序两部分,分别实现对A/D转换的数据采集、RS232串口通信。其程序流程图如图5所示。

首先,单片机通过SPI接口向AD7715发出指令,对ADC写入必要的控制字,初始化AD7715,接着对单片机的串口进行初始化设置,波特率设置为9600。然后由单片机发送指令给AD7715,启动AD转换,并读取转换结果。累积转换10次后把结果求取平均值,并将该值通过串口发送到计算机。最后程序返回到AD转换,如此循环反复,完成数据的实时采集与传送。

3计量系统测试结果

为了验证我们设计的计量系统的精度,我们对该系统进行了实物测试试验。

(1)当不加入I/V转换电路时,采用直流电压源作为系统的输入,并用Agilent公司的6位半的直流电压表精确的测量电压值。输入电压经放大、差分、A/D转换后将测得的数值由单片机送到PC机中,在不同输入电压的情况下,该计量系统得到的测量值如表1所示,其对应的输入输出电压关系如图6所示。从图6可以看出,输入电压与测得的输出值的对应关系是线性的。

表1计量系统实测输入电压与测得电压表

次数123456789101112

输入(mV)16.722.239.756.562.475.186.198.1111.7129.4139.8147

输出(mV)3355122154193216262303348398463503

(2)当加入I/V转换电路,在测试时,系统前端采用直流电流源作为输入电流,该电流为10-10A级的弱电流,该电流信号经I/V转换、放大、差分、A/D转换后得到的输出值与电流关系图如图7所示。

图7显示的线条有些地方出现偏移是由于输入电流的实际值由电流源多圈电位器的刻度输出读出,而刻度存在误差引起。从以上两个图可以看出,核子秤I/V转换系统和数据采集系统工作在线性度良好的误差范围内,对于从电离室采集的电流信号经I/V转换、放大、差分、AD转换后的电压值是可信的。

4结论

本文设计的核子秤计量系统采用的I/V转换器、主放大器、差分运放、AD转换等器件能协调工作,保证了模块工作的稳定性。由于该模块中元件选用合理,保证了采集数据的精确性和整个系统的精度。经过测试试验可知,经过探测器输出的信号能被该计量系统精确的采集,抗干扰能力强。

参考文献

[1] 刘彭义.轻型微机核子秤的设计[J].传感器世界,2002,8(1).

[2] 马跃洲,等.核子秤二次仪表的研制[J].仪器仪表装置,2002,17(2).

[3] 陈杰,黄鸿.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社,2002.