基于STM32的无源核子料位计的设计

余 龙，孔德文，张成永

（江苏信息职业技术学院 机电工程学院，江苏 无锡 214153）

在国内，绝大多数的火力发电厂都配备了除灰系统，并采用料位计来检测灰斗和仓泵的灰位，以实现除灰作业的自动化控制[1]。但是，这些料位计绝大多数为接触式料位计，在使用时容易因挂灰而产生误报警，需要技术人员不断地跑现场对料位计的误报警进行确认和处理，增加了技术人员的工作强度；同时，误报警会导致气力输灰提前，输送灰气比低，耗气量大，系统能耗高；较低的输送灰气比增大了输送流速，增加了设备磨损[2]。

目前市面上用于解决上述问题的一种手段是采用无源核子料位计，用非接触式测量代替接触式测量[3]。但是，这些料位计普遍存在指向性差、抗干扰能力弱、温度漂移严重等问题，导致在电厂的应用并不理想，普及率很低。

1 无源料位计工作原理

无源核子料位计的工作原理如图1所示。γ射线照射到碘化钠晶体后，发生作用后产生次级带电粒子，碘化钠晶体吸收其能量后，从而使碘化钠原子、分子发生电离和激发，接着发射出闪烁光子[4]；光电子在光电倍增管中逐级倍增，最终在阳极上收集到电流；高压偏置电路用于为光电倍增管提供高压偏置电压，并将阳极的电流信号转换为电压脉冲信号；脉冲调理与放大器对电压脉冲进行整形和放大，以便于后面的AD转换；处理分析单元整个料位计的核心，用于对脉冲信号进行处理，并根据计算模型计算实时料位；用户接口用于实现和用户的信息交互，包括输出开关量报警信号、模拟量料位信号，实现和手持调试器的交互等功能。

图1 无源核子料位计工作原理Fig.1 Working principle of passive nuclear material level meter

图2 光电信号转换Fig.2 Optical signal conversion

2 无源料位计的硬件设计

2.1 整体设计

粉煤灰中的γ射线入射到晶体中产生微弱的光信号，这些光信号只有经过光电管的光电转换以后才能变为电子电路能够处理的电信号[6]。由光电管的光电转换原理可知，光电管只有在合适的高压偏置下才能够将光信号转换为电信号。因此，必须要配备专门的高压偏置电路，电路设计中采用的是经典的电阻链分压方式。由于光电转换得到的电信号并不一定在后续AD电路的输入范围内，还需要对该电信号进行必要的放大和调理。实现整个上述过程的原理框图如图2所示。

经过调理和放大后的信号通过AD转换进入微处理器，微处理器根据所接收到的信号，采用特定的算法计算出料位高度[7]。用户接口用于完成接收用户指令、显示料位高度和系统信息和上位机通信等功能。这部分功能逻辑如图3所示。

2.2 电路设计

图3 信号分析处理与用户接口Fig.3 Signal analysis processing and user interface

图4 信号调理与放大电路Fig.4 Signal conditioning and amplification circuit

无源核子料位计的硬件系统主要包括主控模块、信号处理模块、无线通信模块、人机接口模块以及电源模块。

其中信号调理和放大电路是硬件系统的核心，其采用的是电压反馈型AD8065芯片，具有工作噪声低和输入阻抗高的特点，并且可以直流5V～24V宽电压输入，其额定温度范围为-40℃～+85℃，简单易于使用，完全可以满足工业上的使用要求，电路图如图4所示。

3 无源料位计的软件设计

无源核子料位计是通过检测粉煤灰中微量放射性元素衰变时发射出的γ射线来计算料位。接收的γ射线经过闪烁体和光电倍增管转换成电脉冲信号，电脉冲信号经过处理后，单片机记录单位时间内脉冲个数。

流程图如图5所示。当系统通电时，必须要对各个模块进行初始化，其中包括定时器初始化，串口初始化、LED初始化、继电器初始化、OLED初始化等初始化。初始化完成进入主循环，在主循环中通过定时器进行外部指令获取单位时间内记录射线数的值，然后进行均值滤波处理，扫描按键状态，读取系统温度值，并且更新系统变量，显示屏实时显示射线数和系统参数。报警点当料位到达设置值时，程序计算模拟量输出ma值，并且LED亮起继电器闭合，对外输出报警信号。

图5 程序工作流程图Fig.5 Program workflow flowchart

图6 抗干扰对比试验Fig.6 Contrast test against interference

4 试验数据分析

为了避免环境中无关γ射线的干扰，提高其指向性，如图6所示设置了由铅皮材料和坡莫合金材料制作的屏蔽层。测试结果如图7所示，在安装屏蔽层后，计数率明显降低了，说明无关的γ射线被屏蔽掉了；同时，测量结果的波动也基本消失了，说明屏蔽层确实起到了预期的效果。

图7 抗干扰对比测试数据Fig.7 Anti-jamming contrast test data

图8 温度适应性对比测试数据Fig.8 Temperature adaptability comparison test data

如果采用固定的甄别阈值，则测量结果必然会受到温度的影响。为了解决这个问题，通过特征提取来识别K40的主峰，并以其为基准来计算料位[8]。由图8测试结果可以看出：料位计1不使用温度自适应算法，则随着温度的升高，计数率降低；料位计2使用温度自适应算法以后，计数率基本不随温度而变化。由此可见，温度自适应法可以有效地减少温度对于测试结果的影响。

5 结束语

本文设计了一种无源核心料位计测量系统，通过软硬件的安装与调试，经过试验研究得知：采用屏蔽层来屏蔽磁场和环境中无关γ射线的干扰，提高了料位计的指向性和稳定性，采用温度自适应算法大大降低了温度对测量结果的影响。