多道脈沖幅度分析器在中子活化多元素在線分析儀中的應(yīng)用

肖憲東，龔亞林，張 偉，張 建，佟 超，趙 龍

（丹東東方測控技術(shù)股份有限公司，遼寧 丹東118002）

有色金屬領(lǐng)域的各個生產(chǎn)過程中，物料的元素含量需要進(jìn)行分析。傳統(tǒng)工藝中，要對各環(huán)節(jié)物料的元素成分含量進(jìn)行分析，通常需要經(jīng)過人工取樣、人工制樣、實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)等幾個環(huán)節(jié)，才能得到最終結(jié)果。經(jīng)過這一必要環(huán)節(jié)所需的時間，少則幾個小時，多則幾天。檢測結(jié)果存在很大的滯后性，這對于產(chǎn)品的工藝控制影響非常大，既耗費(fèi)大量的人力、物力、時間，又無法得到最佳的控制效果，是工藝控制中的一大弊病。

采用中子活化多元素在線分析儀，可以很好地解決控制過程中的時間滯后問題。因?yàn)?，中子活化多元素在線分析儀可以實(shí)時、連續(xù)地檢測各生產(chǎn)過程中物料各元素的成分含量，并根據(jù)元素成分含量對生產(chǎn)工藝進(jìn)行實(shí)時控制，大大降低工藝控制中的時間滯后問題?？梢詾槠髽I(yè)節(jié)省大量人工化驗(yàn)中的人力、物力成本，同時可以顯著提高企業(yè)生產(chǎn)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本、科學(xué)合理利用資源、創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益，對企業(yè)的生產(chǎn)及工藝控制具有革命性的重要意義。

中子活化多元素在線分析儀是一款技術(shù)含量非常高的在線分析儀表，儀表涉及核物理與核技術(shù)、核電子學(xué)、電子信息、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、工業(yè)儀表、機(jī)械加工、工業(yè)控制、工藝控制、安全與環(huán)保等多學(xué)科專業(yè)技術(shù)。每項(xiàng)技術(shù)對于中子活化多元素在線分析儀來說都非常重要，都會影響到產(chǎn)品的測量精度和運(yùn)行的可靠性。

多道脈沖幅度分析器是中子活化多元素在線分析儀的重要組成部分，是中子活化產(chǎn)品不可缺少的部件。采用多道脈沖幅度分析器，可以大幅度提高中子活化多元素在線分析儀的性能指標(biāo)，從而提高其在有色金屬領(lǐng)域工業(yè)控制過程中的檢測與控制精度。通常情況下，多道脈沖幅度分析器都是應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室條件下，用于核技術(shù)的應(yīng)用與研究，對產(chǎn)品的使用環(huán)境沒有特殊要求。中子活化多元素在線分析儀最終要應(yīng)用到工業(yè)環(huán)境下，對產(chǎn)品部件的工作環(huán)境、體積、通信方式都有特殊要求，要能夠滿足工業(yè)環(huán)境下的長期可靠運(yùn)行。

1 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)中子活化多元素在線分析儀的使用要求，本文介紹的多道脈沖幅度分析器的幾項(xiàng)必要指標(biāo)如下：總道數(shù)1 024道，道容量232，測量信號范圍0～5 V，微分非線性＜1%，積分非線性＜0．025%，系統(tǒng)通過能力＞500kcps［1－4］。

2 原理介紹

多道脈沖幅度分析器的原理如下：通過對探測器輸出信號的幅度信息和數(shù)量信息進(jìn)行采集、統(tǒng)計(jì)、分析，最終得到被測物料的元素信息。整個系統(tǒng)由放大整形電路、甄別電路、控制電路、ADC電路、DAC電路、CPU系統(tǒng)電路、數(shù)據(jù)存儲電路、數(shù)據(jù)通信電路幾部分組成［1－2］。多道脈沖幅度系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig．1 The functional block diagram of system

3 關(guān)鍵技術(shù)

將實(shí)驗(yàn)室條件下的多道脈沖幅度分析器應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場，特別是有色金屬領(lǐng)域的各惡劣環(huán)境下，需要根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的使用要求進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，下面將從幾個方面介紹對多道脈沖幅度分析器的特殊設(shè)計(jì)。

3．1 可靠性設(shè)計(jì)

對用于工藝控制的儀表來說，除了儀表的檢測精度要滿足要求外，儀表的可靠性和穩(wěn)定性也非常重要。對于儀器儀表來說，有色金屬領(lǐng)域的各生產(chǎn)控制環(huán)境非常復(fù)雜?，F(xiàn)場的環(huán)境溫差變化大，水氣、灰塵比較大，同時大型的電氣設(shè)備也比較多，設(shè)備的啟停會產(chǎn)生復(fù)雜的電磁環(huán)境。多道脈沖幅度分析器要在這樣的環(huán)境下長期穩(wěn)定運(yùn)行，必須進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。本多道脈沖幅度分析器分別從防水防塵、電磁兼容、溫度控制等方面進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)［5］。

首先，針對有色金屬領(lǐng)域現(xiàn)場水氣和灰塵比較大的環(huán)境，產(chǎn)品對防水防塵功能進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。產(chǎn)品的外殼采用全封閉結(jié)構(gòu)，所有連接器均采用防水防塵連接器。應(yīng)用于現(xiàn)場的樣機(jī)防水防塵等級可達(dá)到IP65級別，可以安全穩(wěn)定地應(yīng)用于惡劣的工業(yè)環(huán)境中［5］。

其次，針對有色領(lǐng)域現(xiàn)場復(fù)雜的電子環(huán)境，選擇全金屬外殼設(shè)計(jì)。使產(chǎn)品能夠符合抗電磁干擾設(shè)計(jì)要求，同時對產(chǎn)品進(jìn)行了專門的接地設(shè)計(jì)。就現(xiàn)場應(yīng)用情況來看，本文介紹的產(chǎn)品的抗電磁干擾能力完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品可以安全可靠地應(yīng)用于復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中［5］。

另外，針對有色金屬領(lǐng)域的環(huán)境溫度，進(jìn)行恒溫設(shè)計(jì)。在中子活化多元素在線分析儀中，為了減小環(huán)境溫度變化對產(chǎn)品性能指標(biāo)的不利影響，對儀表中所有電子部件進(jìn)行恒溫設(shè)計(jì)，使其工作環(huán)境溫度盡量保持在恒定的溫度下。

3．2 數(shù)據(jù)傳輸

中子活化多元素在線分析儀是通過對多道脈沖幅度分析器測量的譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后才能計(jì)算出物料中各種元素的含量，然后再對生產(chǎn)工藝進(jìn)行控制。因此，多道脈沖幅度分析器測量的譜數(shù)據(jù)的完整性對于整個產(chǎn)品是非常重要的。如果要將多道脈沖幅度分析器應(yīng)用到工業(yè)控制中，就必須保證測得的譜數(shù)據(jù)能夠完整無誤地上傳給上位機(jī)。

在本應(yīng)用中，從兩方面設(shè)計(jì)來保證數(shù)據(jù)傳輸過程的完整性。首先，選用光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。正常情況下，多道脈沖幅度分析器都是安裝在現(xiàn)場，而上位機(jī)主機(jī)則是安裝在控制室，兩者距離少則幾百米，多則上千米。要想保證數(shù)據(jù)能夠安全、完整地上傳到上位機(jī)，選用光纖傳輸是最理想的選擇。在多道脈沖幅度分析器附近，利用光電轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，然后在上位機(jī)主機(jī)附近再利用光電轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，這樣可以最大可能地減少數(shù)據(jù)在傳輸過程中所受干擾的影響［5］。

另外，本文介紹的應(yīng)用中，在譜數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸之前，對譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了加密處理，上位機(jī)接收到譜數(shù)據(jù)后，根據(jù)加密協(xié)議，對譜數(shù)據(jù)進(jìn)行解密處理。這樣，數(shù)據(jù)傳輸過程中可以根據(jù)加密協(xié)議將干擾數(shù)據(jù)舍棄，從而保證產(chǎn)品分析結(jié)果的正確性。

4 應(yīng)用效果

本文介紹的多道脈沖幅度分析器在中子活化多元素在線分析儀中已經(jīng)成功應(yīng)用，大幅度提高了中子活化在線分析儀元素含量的分析精度。表1為應(yīng)用本多道脈沖幅度分析器前后，中子活化在線分析儀對物料各有色金屬元素含量分析對比結(jié)果，表1中數(shù)據(jù)為元素百分含量的相對偏差［6］。

表1 元素含量分析相對偏差的對比結(jié)果Table 1 Comparation results of relative error in elements content analysis／%

5 結(jié)論

目前，本文介紹的多道脈沖幅度分析器完全能夠滿足中子活化多元素在線分析儀的使用要求，并成功應(yīng)用到有色金屬領(lǐng)域的工藝控制中，對提高企業(yè)生產(chǎn)效率、降低人力成本、節(jié)約資源、增加利潤等方面發(fā)揮了重要作用，具有非常好的應(yīng)用前景。

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