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港口散料装船作业的计量与控制


 第 22 卷 第 6 期   2002 年 11 月

核电子学与探测技术
N uclea r E lect ron ics & D etect ion T echno logy

. V o l 22 N o. 6  N ove  2002  

港口散料装船作业的计量与控制
吴志芳, 周立业
( 清华大学核能技术设计研究院, 北京 100084)
微   摘要: 阐述了一种新型的港口散料装船作业计量控制系统。该系统采用先进的核辐射测量技术、 机测控技术和数字信号处理技术, 对物料进行非接触式动态计量, 计量控制精度达到了 0. 5%~ 1. 0% 。 抗干扰性好, 运行稳定可靠, 能很好地应用于港口装船作业现场恶劣的工作环境。 关键词: 核技术; 计量; 装船作业 中图分类号:  TN 715. 1  文献标识码:  A   文章编号:  025820934 ( 2002) 0620512203

0 引言

目前港口装船作业常用的计量手段有两 装船不均匀等因素的影响, 精度不能保证; 后者 使用力敏传感器, 结构复杂, 难调整, 易变形, 存 在磨损、 疲劳等问题, 故障率高, 维护量大, 难以 济方面的问题, 散料装船作业往往很大, 每 h 可

种: 一是水尺, 二是电子秤。 前者受风浪、 水文、

多, 一般的仪器设备难以长期使用。 针对这种情 况, 本系统采用先进的核辐射测量技术, 对物料 进行非接触式动态计量, 利用计算机进行智能 控制, 设计科学合理的数学模型和处理算法提 高计量和控制精度。 系统分为两部分: 一次仪表安装在现场装 船机上, 由放射源、 支架、 气体电离室构成, 探头 采用全密封形式, 内设恒温装置, 坚固耐用, 适 应性强, 维护量小, 工作稳定, 不受温差影响; 二 次仪表放在主控室, 由计算机和控制柜构成, 为 计量和控制提供极大的灵活性。 系统框图如图 1 所示。

适应港口散料作业的恶劣环境。 更有安全和经

高达几千 t, 操作工稍有疏忽或计量精度失控 而造成装货过多, 使船舶超载, 则可能造成严重 的沉船、 翻船事故 ( 曾发生过) , 如果装载过少, 又增加了运输成本。 因此, 港口散料装船作业的 计量和控制是一个很有实用意义的问题。

1 系统设计

港口装船作业的现场环境极其恶劣, 通常 是露天, 高潮湿、 高粉尘, 位于江边或海边, 雨水
收稿日期: 2001207209 术研究。

作者简介: 吴志方 ( 19682) , 男, 河北人, 清华大学核 能技术设计研究院副研究员, 硕士, 从事核电子学与 学核能技术设计研究院研究员, 博导, 从事核探测技 辐射成像研究; 周立业 ( 19632) , 男, 山东人, 清华大

图 1 系统框图

1. 1 散料计量原理及特点

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根据 Χ射线与物质的相互作用理论[ 1 ] , Χ 射线穿透物料后强度会减弱。 对于单能窄束 Χ 射线, 当其通过一定厚度的物料后, 其强度按指
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g;

穿透物料后的射线强度 I 只与物料的几何厚度 d 有关。 只要测量出 I 就可以求出物料的几何 厚度, 进而可以求出物料的流量。 由式 ( 1) 经过 数学推导可得从 t1 到 t2 时刻输送机运送的物 料总量W 为
W = k ∫ln (v
t1 t2 i

数规律减弱, 即: ) I = I 0 exp ( - Λ d Θ m
3

( 1)

式中, I 为穿透物料后的 Χ射线强度; I 0 为没有穿透物料时的 Χ射线强度;
d 为吸收物质的几何厚度, cm ; v o ) sd t

强, 故障率极低。 而一般的称量方式如电子秤, 是根据力的相互作用原理, 通过力敏传感器测 量物料的质量 ( 即万有引力) , 静态效果还好, 对 于动态, 它会受物料、 皮带运动状态的影响。 更 重要的是, 它是一种接触式测量, 不可避免地存 在着机械磨损、 老化等问题, 故障率高, 维护量 大, 在实际应用中往往因维修赶不上而影响正 常工作。 在这一点上, 该系统无疑具有很大的优 越性。 1. 2 数据采集与处理 数据采集板选用台湾 AX I ON 公 司 产 A X 5210 采集板, 具有 16 路模拟 A D 通道, 8 路数字 I O 通道。 此采集板性能稳定, 可靠性 高, 具 有 很 强 的 抗 干 扰 能 力, A D 变 换 精 度 12b it, 能同时支持多路输入输出计量与控制。 数据采集采用 1kH z 的采样率, 实现微步 长积分, 提高积分的计算精度。 对流量采用一维数字信号处理技术[ 3 ] , 设 计了高效的 A R 滤波算法, 消除随机干扰, 降低 统计误差, 提高累积计量的精度, 并跟踪和缓冲 流量变化的趋势和剧烈程度, 提高控制性能与 控制精度。 1. 3 流程及控制设计 该系统采用微机作为主控设备, 统一实现 了计量和控制功能, 具有高度智能化。 该系统对装船作业实现了自动和手动两种 工作方式, 可自由切换, 以备紧急处理, 保证作 业的正常进行。 作业流程控制如图 2 所示。 它 具有如下特点: 1 ) 可随时终止或暂定当前作业流程, 进行 作业参数修改。 2) 可随时启动新的作业流程或继续原来的 作业。 3 ) 提供预警信号, 装船到一定程度时自动 对操作工进行声光报警。 4 ) 提供到量信号, 装船完成后自动停止执 行设备。 5) 提供吨脉冲信号, 用于与上位机联网, 集 中显示。 操作使用极其灵活方便。 该系统既要控制大型执行设备, 如上料机、 装船机, 还要与上位机进行通讯联络, 在功能设 计上, 基于模块化设计思想, 各部分功能相对独 立, 尽可能降低它们之间的相互干扰。 在控制接
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Θ为物料密度, g cm 。 对于确定的 Χ射线和物料, 在射线强度和 几何测量结构一定的条件下, Λ 、 m Θ均为常数, I 0 是可以预先确定的常数。由式 ( 1) 可以看出,
( 2)

式中, k 为与物料种类、 安装结构等因素有关的 常数; v o 为没有物料时的信号电压; v i 为有物料 时的信号电压; s 为物料运动速度。 在通常情况下, 按照式 ( 2) 处理可以得到很 好的效果, 达到 1% 的计量精度。 但是, 严格地 讲, 式 ( 1) 只描述了物料对射线的吸收作用, 而 忽略了物料对射线的散射作用。 而在港口装船 作业中, 载荷往往很大, 散射作用的影响明显增 大, 必须加以修正。 对这种散射影响, 引入积累 因子 B 来描述。 那么, 式 ( 1) 变成 ) ( 3) I = I 0B exp ( - Λ d Θ m   在测量过程中, 物料变化时, 积累因子 B 并不是一个常数, 可用下面的 B erger 经验公 式[ 2 ] 表示 B = 1 + C ( E r ) ΛΘd Θ [D ( E r ) ΛΘd Θ] ( 4) exp 式中, C ( E r ) 、 ( E r ) 为在某种物质中能量为 E r D

的 Χ射线的 B erger 积累因子系数。 根据式 ( 4) 可知, 对于确定能量的 Χ射线和 确定的物料, B 只与物料的质量厚度有关, 因 此, 可以测出 B 与物料质量厚度的关系曲线, 对瞬时载荷进行线性校正, 提高计量精度。

核辐射测量称量技术是一种成分测量技 术。 从微观上讲, 它测量的是物料原子的数目、 结构和种类等信息; 从宏观上讲, 它测量的是物 料的质量信息, 与力的概念毫不相干。 它的显著 特点是非接触式动态计量, 无磨损、 抗干扰性

Λ 为物料对 Χ射线的质量吸收系数, cm m

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物料种类繁多, 为了使用方便, 本系统运行软件 提供一个物料信息库, 由用户自己动态维护, 可 任意选择、 增添、 删除和修改记录。 软件功能框 图如图 3 所示。

图 3 软件功能框图 图 2 装船作业流程

3 系统性能
本系统具有以下显著特点: 1) 适应性强, 可用于高粉尘、 露天、 潮湿、 腐 蚀等恶劣环境。 2) 动态计量精度高, 可达 0. 5%~ 1. 0% 。 3 ) 抗干扰性强, 零点漂移小, 不受温差影 响。 4) 无机械磨损, 故障率低, 维护量极小。 5) 使用寿命长, 长期稳定性好。 6) 使用微机自动控制, 装船效率高。

口上实现各个部分间的电气隔离, 提高了抗干 扰能力。 执行设备控制接口、 上位机接口均采用 先进的交直流固态继电器技术, 进行光电隔离, 无触点、 无机械运动部件、 无火花、 无动作、 无噪 声、 耐振动、 使用寿命长、 可靠性高。 控制逻辑由微机产生, 并通过数据采集板 的数字 I O 通道发出。

2 软件设计
系统软件全部用 C + + 语言和汇编语言编 写, 采用了先进的面向对象程序设计技术, 操作 界面全中文提示, 具有友好的人机对话接口。 软 件除了实现计量和控制功能外, 还提供了自动 诊断功能, 能对系统运行状态如空载、 过载、 故 障、 正常、 预警、 到量等进行自动判断并显示; 还 提供了管理功能, 自动进行作业记录、 存档和统 计报表输出。 采用联网技术后, 企业主管在办公 室就能对生产作业状态进行及时监督和指导。 软件设计基于 DO S 编程环境, 提供图形界 面, 规模小, 便于实时控制; 本身自带国标汉字 库, 不依赖任何汉字操作系统, 运行稳定可靠; 提供类 M icro soft W indow s 界面风格, 三维立 体显示, 支持弹出式窗口和菜单操作。 本系统的计量方法实质上是一种成分计 量, 对不同物料具有不同的标定参数。 港口装船

4 结语
该系统扩展了核技术的应用领域, 为港口 散料装船作业提供了一种新的计量监测手段。 该系统在我国一港口投入实用, 运行性能良好, 稳定可靠, 计量精度达到 0. 5%~ 1. 0% , 带来 了较大的社会、 经济效益。
参考文献:
[ 1 ] 复旦大学, 等. 原子核物理实验方法 ( 上 ) [M ]. 北

京: 原子能出版社, 1981.
[ 2 ] 谢弗 NM. 核反应堆屏蔽工程学 [M ]. 北京: 原子能

出版社, 1983.
[ 3 ] 宗孔德, 等. 数字信号处理 [M ]. 北京: 清华大学出

版社, 1988.
( 下转第 531 页, Con tinued on p age 531)

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电子学实验和核物理实验中常用的核仪器中的 N I 插件, 所以学生可以通过该实验系统地理 M 解工业核仪器的组成部分及原理, 学会工业核 仪器的设计方案和调试过程, 对学生的动手能 力和实际操作能力能够得到很好的训练。
图 1 Χ射线密度计原理示意图

3 结束语
本文介绍的放射性同位素密度计主要是利 用 N I 插件组成, 比较方便实用, 在大学中较 M 易于实现。 我校已经在本科学生实验中采用, 取 得了较好的实验效果。 对于定标器可以改成智 能定标器 ( 目前, 我们正在进行这方面的工作) , 以便能够直接读取测量计数和密度值, 取得更 好的实验效果。 参考文献:
[ 1 ]〔 S. 罗萨. . 工业中的核测量 [M ] ( 纪裕盈, 等 匈〕

图 2 Χ射线石碴密度计线路框图

离, 并向前置放大器送出脉冲, 由前置放大器输 出的信号再送入线性放大器放大、 然后再送入 单道成形、 成形后的脉冲再送入定标器计数。 在 实验中, 根据测得的数据, 在标准曲线上很方便 地查得对应的密度值或者通过标准函数很容易 地计算出相应的密度值。由于该系统几乎是核

译). 北京: 原子能出版社, 1995.
[ 2 ] 王功庆, 等. 炮弹体内炸药密度的测定 [J ]. 核电子

学与探测技术, 1999, 19 ( 3) : 172.

A den s i eter w ith rad ioactive isotope for teach ing m
QU Guo 2 u, ZHAO X iu 2liang, CH EN G P in 2jing p
H engyang of H unan P rov. 421001, Ch ina )

(Co llege of N uclea r Science and T echno logy, N anhua U n iversity ,

Abstract A den sim eter w ith radioact ive iso tope beseem ed experim en t teach ing fo r speciality of nuclear engineering and nuclear techno logy in h igher educat ion is p resen ted. P rincip le of w o rk and com po sing of in st rum en t system are in t roduced b riefly in th is paper. Key words: t ran sm ission; den sim eter; nuclear techno logy

( 上接第 514 页, Con tinued from p age 514)

W e igh ing & con trol of bulk ma ter ia l in sh ip - lad ing process a t harbor
W U Zh i2fang, ZHOU L i2ye

( In stitu te of N uclea r T echno logy, T singhua U n iversity , B eijing 100084, Ch ina )

Abstract   T h is p ap er describes a new w eigh ing & con t ro l system fo r bu lk m aterial in sh ip 2loading T he m easu re accu racy reaches to 0. 5%~ 1. 0%. loading spo t at harbo r. Key words: nuclear techno logy; m easu re; sh ip 2lading p rocess techn iques to w eigh the bu lk m aterial w ith no 2touch w ith the advan tages of stab ility and an t i2jamm ing.

p rocess at harbo r. It adop t s nuclear radiat ion m easu rem en t, com pu ter con t ro l and digital signal p rocess It is w ell app licab le in the bad condit ion of sh ip 2

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