??? 摘 要：中子測水" title="中子測水">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" 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title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統" title="中子測水系統">中子測水系統是基于快中子與物料周圍水分中的氫原子相碰撞而慢熱化，探頭探測慢中子數量的原理制成的。文章對中子測水系統的原理進行分析，提出采用單片機加計數電路、反饋補償" title="反饋補償">反饋補償電路和報警裝置等電路實現中子測水系統。
??? 關鍵詞：中子測水；單片機；壓流轉換電路；反饋補償；高爐爐溫
?
??? 用核物理測量水份是基于快中子被物料中的氫原子核散射而變為慢中子的原理。中子與物質的相互作用是由于中子與氫原子的質量接近。根據彈性碰撞理論，中子與質量體積幾乎相等的物質相互碰撞后，能量損失一半，而待測物料中其他的非氫元素的原子核質量一般要比氫核大的多，故碰撞之后，能量幾乎不損失。因此，在中子探頭發射中子源的附近，有很多因碰撞而慢化熱化的中子，也稱為慢中子或熱中子" title="熱中子">熱中子，所含慢中子的數目與待測物料中氫元素的含量有關[1]。若將中子源與熱中子探測器放在一起，就可以測得物料中水份的含量。根據氫原子在水中所含的比重，若氫含量變化1%，則水份含量變化9%[2]。
1 中子測水系統原理
1.1 測定公式
??? 若將慢中子探測器緊挨快中子的探頭放置在無窮大或半無窮大的介質中，慢中子計數率與介質體積百分比濕度或單位體積內的水份含量近似成正比，可近似表示如下：
??? 
其中：N0為介質濕度為0時的中子計數率，對特定料在特定幾何下為常數；c為一系數；N為在體積百分比濕度Fv下的中子計數率。應用中一般需知質量百分比濕度Fg：
??? 
??? 由(1)和(2)式可得：
??? 
??? 在二級近似下，可將(3)式改寫為：
??? 
?
??? 其中M為接近于1 的一個常數。
1.2 標定
??? 為了得出未知數c和M，需要標定多組數據，以確定c和M。從原理上講，N-N0≥0，但在濕度非常低，即N值很小時，由于統計誤差也有可能使N-N0<0，從而將出現錯誤計算和顯示。令
。
??? 
??? 若不需要密度補償,可令ρ=1。標定時需要不同溫度的料，測出相應的Fg、Ni和ρi值以及干料（Fg=0）時的本底計數。用統計對數回歸的方法，求出
和M，從而確定Fg的表達式，為便于標定，可將（5b）式改寫為：
??? 
??? 對(6)式去對數，則：
??? 
?
??? 令Y=ln(ρ×Fg)，A=ln(E×10-G)，X=ln(N-N0)，則式(7)可變為：
??? 
??? 
???
式中yi和xi分別有標樣密度Fgi所測出Ni算出的值。標樣越多，標定曲線越接近實際?；貧w公式為：
??? 
?
??? 式中：r為相關系數，標志著曲線計數值與實測值的誤差很小，其值接近于1。當r=1時，誤差最小。
2 系統硬件實現
??? 硬件框圖如圖1所示。
????????????????????? 
????圖1中AT89S52[3]是ATMEL公司生產的具有8KB內部FALSH和256BRAM的51核單片機，在本系統中作為主控模塊。中子發射探頭和熱中子探測探頭同時捆綁在金屬探頭圓缸內部。從探測探頭發射的數微秒脈沖方波經過6N136[4]光電隔離器件進入8254計數器[5]。8254計數器通道0作為定時計數器，如每隔10ms就計數通道1和通道2的計數脈沖，同時清零準備下一次計數。兩路輸入，一路差分信號輸入，一路數字脈沖信號輸入。AT89S52擴展了8KB的ROM以保存程序，其中采用ACT573作為地址/數據緩沖寄存器。
??? 采用AT24C16[6]保存現場標定數據，包括10組濕度及其對應下的中子計數率，還有開機密碼、標定日期、上次測定濕度等數據。DS1302[7]是三總線RTC時鐘芯片，現場操作人員可以方便地查看日期時間下對應的水份濕度，DS1302具有可充電配置寄存器，外部接3.6V可充電鋰電池。
??? LED和鍵盤模塊采用INTEL8279芯片[8]，接口方便，占用很少的單片機處理資源，具有按鍵中斷，在標定數據時，一旦中斷到來，單片機判斷數字并做相應存儲或計算處理。因為該中子水份儀安裝在生產間，環境比較惡劣，故復位電路和電源監測電路顯得尤其重要。提供三路繼電器報警輸出，如果水份過小、過大或故障，都提供繼電器輸出報警。
??? 物料空或滿，都可以發送信號到單片機以作調整。如物料空時可以停止計數；物料滿時全速計數。但這些信號必須在機器運行之后一直保持下去，若改變其一，則計數狀態發生改變，如空時，停止計數和運算。
??? AD420[9]是模擬器件公司的電壓電流轉換芯片，具有0/4～20mA可選，內部集成16位積分型D/A轉換芯片，以便適時將水份濕度以電流的形式上傳給上位機" title="上位機">上位機。上位機對水份波動曲線進行實時跟蹤，通過反饋補償電路對爐溫、焦碳、水份量進行實時控制。
3 系統軟件實現
??? 系統軟件實現主要流程如圖2所示。
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??? 圖2只給出了系統主程序和主要器件的操作流程。在圖1中，I2C ROM保存標定數據、上次測定的水份濕度和日期數據，對其讀寫遵循一定的命令格式，AD420是電壓電流轉換芯片，串口寫入，先寫最高位，寫完16位后，其DAC鎖存輸入端由低到高的上升沿脈沖將16位水份濕度電壓串行數據轉化為電流數據。
4 實驗室數據標定測試
??? 完成了硬件設計與軟件設計后，在脈沖輸入部分加入不同頻率的計數脈沖，可得出相應的水份濕度。但這只是調試硬件的理論，要實際測試現場不同濕度的焦碳的計數率和顯示水份濕度，還需要實驗室進行現場數據標定，并在模擬現場裝置下測試不同濕度焦碳對應的中子計數率和水份濕度。表1是對應的10組數據的標定值。
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??? 由表2的數據分析可知，中子測水法測得水份值與實驗室化學測定的含水率的值基本相等，符合生產要求。值的減少是因為從工廠車間到實驗室之間水分的揮發，所以比實驗室分析的數值小，但其吻合度為96.56%，其計算式為：
/2=96.56%。
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??? 中子測水系統實現了測水的實時性，提高了工作效率，通過電壓/電流轉換，實時將水份值上傳給控制室上位機，操作人員根據水份波動曲線圖，可以實時調整入爐煤量、水量、風溫等，以實現反饋補償控制，為高爐操作和生產提供了可靠的依據。有的企業已經部分裝配了德國Berthold公司的中子測水系統[10]，但其價格昂貴，所以酒鋼和金川要求實現中國化中子測水系統，這也是開發該系統的目的。
參考文獻
[1] 羅本懷，劉曉昌．高爐焦碳中子測水系統的應用[J]．鞍鋼技術，2001.
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