无源核子料位计在煤灰检测中的应用研究

摘要

煤是我国的火力发电中不可或缺的原材料，煤经过燃烧产生了大量的煤灰，煤灰经过除灰系统被回收和再利用。由于煤灰含有放射性核素，这些核素经过衰变释放γ射线，利用煤灰的这种特性，可以使用无源核子料位计来监测煤灰在火电厂灰斗中高度。
　　料位测量在工业自动化系统起着重要的作用，是作为保证生产的连续型和生产的安全性的重要措施之一。基于煤灰放射性的料位测量属于非接触式测量方法，由煤灰本身释放的γ射线被闪烁体探测器接收并转化为光子信号，再经过光电倍增管放大从而输出不规则的核脉冲信号后被主控芯片捕捉计数，在实际实验的基础上，构建了核脉冲计数与煤灰高度的数学关系。
　　本文研究了无源核子料位计的测量原理，分析了射线与物质互相作用的效果、无源与有源的优缺点、闪烁体探测器的硬件结构和它的工作原理，深入探讨了滞回比较器的核脉冲整形原理，提出了优化的软件滤波算法，给出了无源核子料位计系统的硬件体系结构和软件设计方案。
　　在硬件体系结构上，无源核子料位计主要包括信号前置放大电路、信号甄别成形电路、控制模块、显示模块和无线通信模块。从光电倍增管输出的信号首先经过前置放大电路的无失真放大，再通过信号甄别成形电路实现对核脉冲信号的整形，经过整形后的信号被送进控制模块进行数据处理，处理后的结果控制开关量和4-20mA电流的输出，而同时微控制器可以与计算机中的上位计进行无线通讯。采用STM8S105K6作为系统的主控芯片，本文简单地描述了它的一些功能;输出模块由模拟输出和开关量输出组成，料位数字量经过转换产生4-20mA电流，微控制器输出的信号通过三极管来驱动继电器的输出;数据存储为系统的运算和标定提供了数据源;显示屏可直观的为用户提供当前的料位值。在软件方面详细地介绍了无源核子料位计系统中各功能模块的初始化流程、模块功能的实现流程以及上位机通信软件的实现，深入讨论了软件的滤波算法，在此基础上提出一种新的滤波算法即结合多种滤波算法，从而实现多级滤波。程序的设计分别采用了C语言和G语言。
　　系统通过实际测试，标定了一些重要的数据，系统的各个性能指标均符合设计方案要求，从而实现了一种功能丰富、操作简易的无源核子料位计系统。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 国内外料位计发展概况

1．3 课题研究背景和意义

1．4 课题整体内容规划

第二章 无源核子料位计检测煤灰料位的原理

2．1 煤灰的成分分析

2．2 γ射线与物质的相互作用

2．2．1 光电吸收效应

2．2．2 康普顿散射效应

2．2．1 电子对效应

2．3 无源核子料位计检测煤灰料位原理

2．4 无源和有源料位计的比较

2．5 本章小结

第三章 无源核子料位计在煤灰检测中的设计

3．1 无源核子料位计整体结构设计

3．2 闪烁体探测器的设计

3．2．1 闪烁体

3．2．2 光电倍增管

3．2．3 高压模块

3．3 信号处理电路

3．3．1 前置放大电路

3．3．2 整形电路

3．4 单片机部分

3．4．1 微控制器芯片简介

3．4．2 显示模块

3．5 模拟量及开关量输出模块

3．5．1 模拟电流输出

3．5．2 继电器控制模块

3．6 通信模块

3．7 电源模块

3．8 本章小结

第四章 无源核子料位计的软件设计

4．1 程序的设计软件和语言

4．2 无源核子料位计程序的总体架构

4．3 无源核子料位计软件的系统初始化

4．4 数据写入与读取

4．5 上位机无线通信

4．5．1 数据包处理方式

4．5．2 无线初始化

4．5．3 无线配置模式

4．6 输入输出信号处理

4．6．1 信号计算基本原理

4．6．2 软件滤波

4．7 上位机软件设计

4．8 本章小结

第五章 实验数据分析

5．1 高压坪曲线实验

5．2 甄别整形电路中阈值电压实验

5．3 稳定性对比实验

5．4 稳定性实验数据及分析

5．5 灰斗中煤灰料位检测实验

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文