作者　李德貴1 張廣海2 葉繁2 李蛟2 1.黃河水利委員會(huì)水文局(河南 鄭州 450004) 2.黃河水利委員會(huì)山東水文水資源局(山東 濟(jì)南 250100)

摘要：本文較為詳細(xì)地介紹了同位素測(cè)沙儀的原理、結(jié)構(gòu)、組成與硬件電路，對(duì)部分軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容也作了介紹，闡述了測(cè)沙儀在黃河潼關(guān)水文站試驗(yàn)應(yīng)用情況及測(cè)沙儀的主要技術(shù)指標(biāo)及特點(diǎn)，可為今后的進(jìn)一步研究及應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

引言

　　河流含沙量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于河流的輸沙計(jì)算、河道航運(yùn)、水庫(kù)運(yùn)行管理、引水灌溉、水資源開(kāi)發(fā)利用等都是非常重要的，能夠正確、及時(shí)地測(cè)量出河流含沙量數(shù)值意義重大。傳統(tǒng)的河流含沙量測(cè)驗(yàn)方法是采用取樣稱(chēng)重法，其設(shè)備簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高，但測(cè)量周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，實(shí)時(shí)性差。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科技人員一直在積極探求含沙量的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法，如超聲法、紅外線(xiàn)法、激光法、振動(dòng)法、同位素法等，這些方法各有其特點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也都存在著一定的局限性，至今還很少有能應(yīng)用于河流含沙量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的產(chǎn)品。利用同位素法測(cè)量河流含沙量多年前已有科技人員進(jìn)行研究，該法測(cè)沙探測(cè)效率高、穩(wěn)定性好、測(cè)量范圍廣，達(dá)0.3～1000 kg/m3 ^[1]，在水流含沙量較大時(shí)測(cè)沙精度比較高。隨著科技、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)對(duì)河流含沙量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，我們選241Am作為同位素放射源，用C8051F350單片機(jī)作為測(cè)沙儀的采集控制核心器件，設(shè)計(jì)了放射源的安全防護(hù)措施，研制出了新型的同位素測(cè)沙儀。

1 同位素測(cè)沙原理

　　241Am源 (即質(zhì)量數(shù)為241的镅同位素放射源 ) ^[2]的半衰期是432.2年，其能量是59.53KeV，屬于低能γ射線(xiàn)源。同位素測(cè)沙儀就是利用γ射線(xiàn)穿過(guò)含沙水流時(shí)的衰減情況進(jìn)行含沙量測(cè)量的，如圖1所示。圖1中放射源經(jīng)過(guò)厚度為L(zhǎng)的含沙水體后，進(jìn)入γ射線(xiàn)探測(cè)器，水流中含沙量愈大，γ射線(xiàn)被泥沙吸收的愈多，進(jìn)入γ射線(xiàn)探測(cè)器的射線(xiàn)就越少，經(jīng)過(guò)變換，轉(zhuǎn)變成的電壓信號(hào)就會(huì)越小;反之，當(dāng)水流含沙量小時(shí)，被泥沙吸收的少，最后γ射線(xiàn)探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)則會(huì)相應(yīng)變大。γ射線(xiàn)透射強(qiáng)度與含沙量呈一定關(guān)系變化，利用此原理即可通過(guò)測(cè)量γ射線(xiàn)探測(cè)器輸出電壓變化來(lái)計(jì)算出水流中的含沙量。

　　在圖1中，γ射線(xiàn)通過(guò)厚度為L(zhǎng)的含沙水體時(shí)，γ射線(xiàn)探測(cè)器輸出電壓信號(hào)呈指數(shù)減弱，并由式(1)確定。若ρ為渾水密度，U_w為清水的輸出電壓，則含沙渾水的輸出電壓U為：

(1)

　　式中：μ_m為渾水質(zhì)量吸收系數(shù)。

　　當(dāng)測(cè)沙儀結(jié)構(gòu)固定時(shí)，可利用渾水密度與含沙量的關(guān)系導(dǎo)出含沙量S的計(jì)算公式：

(2)

　　式中：k為斜率，只與純水和干沙的質(zhì)量吸收系數(shù)、密度及渾水厚度有關(guān)。

　　利用式(2)中含沙量與輸出電壓的關(guān)系，繪出輸出電壓隨渾水含沙量的變化曲線(xiàn)，由曲線(xiàn)擬合出修正式(實(shí)際應(yīng)用中用實(shí)測(cè)含沙量進(jìn)行標(biāo)定)。應(yīng)用時(shí)，就可由輸出電壓推算出含沙量。

2 測(cè)沙儀結(jié)構(gòu)

　　同位素測(cè)沙儀的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成鉛魚(yú)的尾部形狀，見(jiàn)圖2，主要由電源及控制電路倉(cāng)、放射源倉(cāng)、γ射線(xiàn)檢測(cè)電路倉(cāng)三部分組成。

　　在放射源倉(cāng)內(nèi)安裝 ²⁴¹Am放射源(本設(shè)計(jì)用50 mCi)，可電動(dòng)及人工控制γ射線(xiàn)的發(fā)射與關(guān)閉。在γ射線(xiàn)檢測(cè)電路倉(cāng)內(nèi)是采用電離室檢測(cè)γ射線(xiàn)的，與放射源倉(cāng)正對(duì)應(yīng)面的γ射線(xiàn)檢測(cè)電路倉(cāng)殼體材料采用新型鋁，對(duì)于γ射線(xiàn)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于是個(gè)窗口，γ射線(xiàn)從源倉(cāng)發(fā)射經(jīng)過(guò)水體后進(jìn)入電離室，在電離室內(nèi)經(jīng)γ射線(xiàn)檢測(cè)、信號(hào)放大、 電路變換后成直流電壓信號(hào)然后送至控制電路倉(cāng)。在電源及控制電路倉(cāng)內(nèi)設(shè)計(jì)有 12V/8Ah鋰聚合物電池、水溫傳感器、單片機(jī)控制(含A/D轉(zhuǎn)換)、電源變換、數(shù)據(jù)傳輸接口等電路。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

　　主要由單片機(jī)控制、測(cè)沙傳感器及檢測(cè)、水溫傳感器及檢測(cè)、接口、電源、測(cè)量工作指示等電路組成，圖3 同位素測(cè)沙儀硬件電路組成圖。

3.1 單片機(jī)控制電路

　　單片機(jī)控制采用美國(guó)Silicon Labs公司的C8051F350芯片完成，該芯片是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型 MCU，其主要功能有：51MCU內(nèi)核(可達(dá)50 MIPS)全速、非侵入式的在線(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))，有8路24bit A/D，A/D轉(zhuǎn)換具有0.0015%非線(xiàn)性度，2路8bit D/A;8K字節(jié)FLASH程序存儲(chǔ)空間、768字節(jié)的內(nèi)部RAM，可調(diào)增益放大器PGA(可編程達(dá)128倍)，可編程 16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA)，片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器，內(nèi)置時(shí)鐘、Watchdog、UART、SPI及SMBus接口等豐富的片上資源。

3.2 測(cè)沙傳感器及檢測(cè)電路

　　含沙量測(cè)驗(yàn)是本儀器設(shè)計(jì)重點(diǎn)，其原理圖如圖4 所示，由前置放大和電壓跟隨器組成。運(yùn)放采用美國(guó)模擬器件公司(Analog Devices)的高精度、低漂移、低功耗集成電路，由于要保證在測(cè)驗(yàn)含沙量范圍內(nèi)的線(xiàn)性及精度，所以運(yùn)放的供電采用正、負(fù)12V直流電壓，輸出V1O送單片機(jī)的A/D。

3.3 水溫傳感器及檢測(cè)電路

　　設(shè)計(jì)檢測(cè)水溫的變化范圍為-5～45℃，精確檢測(cè)水溫模擬信號(hào)也是整個(gè)儀器的重點(diǎn)，其檢測(cè)電路如圖5 所示。選用鉑電阻 PT1000作為測(cè)水溫的傳感器，為了減小傳感器導(dǎo)線(xiàn)電阻帶來(lái)的附加誤差，采用三線(xiàn)制接法。傳感器供電采用LM134、R01、R1、D1組成的無(wú)溫漂恒流源。電流流經(jīng)鉑電阻后的電壓信號(hào)由高精度、低功耗、低噪聲、低漂移、寬帶運(yùn)放U1B線(xiàn)性放大，再經(jīng) U1A濾波輸出V0，然后送單片機(jī)的A/D。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸接口電路

　　測(cè)沙儀測(cè)量數(shù)據(jù)主要為：γ射線(xiàn)衰減檢測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果為0.00000～10.0000V直流電壓，對(duì)應(yīng)含沙量1200～0 kg/m³;水溫測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)果為0.00000～2.50000V 直流電壓，對(duì)應(yīng)水溫-5～45℃;電路芯片溫度，結(jié)果為0.00000～2.50000V直流電壓，對(duì)應(yīng)溫度為-10～70℃。上述三種測(cè)量數(shù)據(jù)將由單片機(jī)實(shí)時(shí)通過(guò)RS485接口傳送至PC便攜機(jī)，進(jìn)行含沙量的計(jì)算。RS485接口電路由美國(guó)德州儀器生產(chǎn)的SN65HVD12D芯片實(shí)現(xiàn)，可遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)。

3.5 電源電路設(shè)計(jì)

　　測(cè)沙儀工作的電源由12V鋰電池供給，為了實(shí)現(xiàn)儀器的低功耗、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，工作電路中所用的電源VDD(5.0V)、VCC(3.3V)用MIC5236電源變換穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)，基準(zhǔn)電壓VREF(2.500V)用MAX6325ESA芯片實(shí)現(xiàn)，γ射線(xiàn)檢測(cè)、信號(hào)放大電路中所用負(fù)12V由K7812-1000電源轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)，蓄電池容量按連續(xù)48小時(shí)工作時(shí)間設(shè)計(jì)為12V/8Ah鋰電。

4 測(cè)沙儀軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)關(guān)乎到測(cè)沙儀工作的穩(wěn)定性、可靠性以及測(cè)量含沙量的精度，本測(cè)沙儀的軟件由單片機(jī)測(cè)量控制軟件和PC機(jī)軟件兩大部分組成。測(cè)沙儀的工作模式有三種：工作、休眠、關(guān)機(jī)，其模式由PC指令控制。單片機(jī)測(cè)量控制軟件有主程序和部分子程序組成，測(cè)量控制軟件的主程序框圖見(jiàn)圖6。其子程序主要有放射源位置檢測(cè)與控制、水溫測(cè)量、芯片溫度檢測(cè)、測(cè)量數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送等。其中主程序的初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘、看門(mén)狗、A/D、測(cè)量參數(shù)、有關(guān)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)單元、I/O 端口、外設(shè)的配置等。在工作模式狀態(tài)，由于水流存在脈動(dòng)，設(shè)計(jì)每次含沙量、水溫測(cè)量的時(shí)間為2分鐘，所以軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用在2分鐘內(nèi)每2s取樣一次，共取樣60次;在測(cè)量數(shù)據(jù)處理子程序中對(duì)60組數(shù)據(jù)進(jìn)行排隊(duì)，去高低各5組數(shù)，用50組數(shù)平均得含沙量、水溫測(cè)量值作為一次測(cè)量結(jié)果;然后調(diào)用數(shù)據(jù)傳送子程序，向PC機(jī)傳送;芯片溫度每10分鐘(分鐘末位為0時(shí))向PC機(jī) 傳送一次。在休眠中，放射源位置保持，除接受指令處以待命外，其余電路全休眠。當(dāng)測(cè)沙儀接到關(guān)機(jī)指令則關(guān)閉放射源，檢測(cè)到位后整機(jī)電源關(guān)閉。當(dāng)測(cè)沙儀上電或復(fù)位時(shí)都會(huì)自動(dòng)運(yùn)行主程序，有關(guān)子程序限于篇幅不再敘述了。

　　含沙量的計(jì)算工作由PC便攜機(jī)完成，當(dāng)PC機(jī)接收到測(cè)沙傳感器、水溫、芯片溫度等電壓數(shù)據(jù)后，根據(jù)已經(jīng)率定好的相關(guān)模型，由PC機(jī)程序用完善的圖表實(shí)時(shí)的顯示出含沙量測(cè)量結(jié)果。

5 試驗(yàn)應(yīng)用情況

　　2014年10月24日至2014年11月8日在黃河潼關(guān)水文站對(duì)所研制儀器進(jìn)行了16天時(shí)間的試驗(yàn)。試驗(yàn)主要內(nèi)容為同位素本底測(cè)試、清水溫度曲線(xiàn)率定、室內(nèi)水槽測(cè)沙試驗(yàn)、河道現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、儀器輻射防護(hù)檢測(cè)等。在潼關(guān)水文站用上海仁日輻射防護(hù)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的REN 500A型智能化X、γ射線(xiàn)輻射儀在空氣中檢測(cè)，潼關(guān)水文站周?chē)h(huán)境的本底輻射值是0.1μSv/h，屬天然正常水平，在關(guān)閉放射源后對(duì)測(cè)沙儀周?chē)鷻z測(cè)，輻射本底水平?jīng)]有增加，完全沒(méi)有輻射泄漏。對(duì)測(cè)沙儀的清水溫度曲線(xiàn)率定、室內(nèi)水槽測(cè)沙試驗(yàn)曲線(xiàn)率定關(guān)系如圖7、圖8所示。從試驗(yàn)資料分析推算同位素測(cè)沙儀測(cè)量含沙量在3kg/m³以上時(shí)，誤差在3%以?xún)?nèi)。在含沙量3kg/m³以下時(shí)，誤差較大，有3%～10%。在潼關(guān)水文站進(jìn)行了兩次河道含沙量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)，人工用橫式采樣器取樣、傳統(tǒng)方法處理得含沙量，測(cè)沙儀直接讀數(shù)，分別進(jìn)行了18、32組比測(cè)試驗(yàn)，因河流含沙量較小分別為1.96kg/m³、3.00kg/m³，誤差則較大分別為4.94%、4.14%。

　　從整體試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，同位素測(cè)沙儀在輻射防護(hù)、測(cè)沙精度、測(cè)沙范圍、檢測(cè)效率、儀器穩(wěn)定性方面均可滿(mǎn)足河流含沙量測(cè)驗(yàn)要求。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]劉雨人.同位素測(cè)沙[M].北京:水利出版社,1992,4:145-146.

　　[2]李景修,李黎,李英杰,等.核子測(cè)沙試驗(yàn)研究[J].人民黃河,2008(10):12-13,23.

　　[3]李德貴,羅珺,陳莉紅,等.河流含沙量在線(xiàn)測(cè)驗(yàn)技術(shù)對(duì)比研究[J].人民黃河,2014(10):16-19.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第8期第61頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。