作者 李德贵1 张广海2 叶繁2 李蛟2 1.黄河水利委员会水文局(河南 郑州 450004) 2.黄河水利委员会山东水文水资源局(山东 济南 250100)
摘要：本文较为具体地介绍了同位素测沙仪的原理、结构、组成与硬件电路，对部分软件规划内容也作了介绍，论述了测沙仪在黄河潼关水文站实验使用状况及测沙仪的首要技能指标及特色，可为往后的进一步研讨及使用打下根底。
导言
河流含沙量检验数据关于河流的输沙核算、河道航运、水库运转办理、引水灌溉、水资源开发使用等都是非常重要的，可以正确、及时地丈量出河流含沙量数值含义严重。传统的河流含沙量检验办法是选用取样称重法，其设备简略，丈量精度较高，但丈量周期长、劳动强度比较大，实时性差。近年来，国内外科技人员一直在活跃根究含沙量的在线监测办法，如超声法、红外线法、激光法、振荡法、同位素法等，这些办法各有其特色，但在实践使用中也都存在着必定的局限性，至今还很罕见能使用于河流含沙量在线监测的产品。使用同位素法丈量河流含沙量多年前已有科技人员进行研讨，该法测沙勘探功率高、安稳性好、丈量规模广，达0.3～1000 kg/m3 [1]，在水流含沙量较大时测沙精度比较高。跟着科技、电子、核算机等技能的开展，为完结对河流含沙量的实时动态在线监测，咱们选241Am作为同位素放射源，用C8051F350单片机作为测沙仪的收集操控中心器材，规划了放射源的安全防护办法，研发出了新式的同位素测沙仪。
1 同位素测沙原理
241Am源 (即质量数为241的镅同位素放射源 ) [2]的半衰期是432.2年，其能量是59.53KeV，归于低能γ射线源。同位素测沙仪便是使用γ射线穿过含沙水流时的衰减状况进行含沙量丈量的，如图1所示。图1中放射源经过厚度为L的含沙水体后，进入γ射线勘探器，水流中含沙量愈大，γ射线被泥沙吸收的愈多，进入γ射线勘探器的射线就越少，经过改换，转变成的电压信号就会越小;反之，当水流含沙量小时，被泥沙吸收的少，最终γ射线勘探器输出的电压信号则会相应变大。γ射线透射强度与含沙量呈必定联系改变，使用此原理即可经过丈量γ射线勘探器输出电压改变来核算出水流中的含沙量。
在图1中，γ射线经过厚度为L的含沙水体时，γ射线勘探器输出电压信号呈指数削弱，并由式(1)确认。若ρ为浑水密度，Uw为清水的输出电压，则含沙浑水的输出电压U为：
(1)
式中：μm为浑水质量吸收系数。
当测沙仪结构固守时，可使用浑水密度与含沙量的联系导出含沙量S的核算公式：
(2)
式中：k为斜率，只与纯水和干沙的质量吸收系数、密度及浑水厚度有关。
使用式(2)中含沙量与输出电压的联系，绘出输出电压随浑水含沙量的改变曲线，由曲线拟合出修正式(实践使用顶用实测含沙量进行标定)。使用时，就可由输出电压计算出含沙量。
2 测沙仪结构
同位素测沙仪的全体结构规划成铅鱼的尾部形状，见图2，首要由电源及操控电路仓、放射源仓、γ射线检测电路仓三部分组成。
在放射源仓内装置 241Am放射源(本规划用50 mCi)，可电动及人工操控γ射线的发射与封闭。在γ射线检测电路仓内是选用电离室检测γ射线的，与放射源仓正对应面的γ射线检测电路仓壳体材料选用新式铝，关于γ射线来说适当所以个窗口，γ射线从源仓发射经过水体后进入电离室，在电离室内经γ射线检测、信号扩大、 电路改换后成直流电压信号然后送至操控电路仓。在电源及操控电路仓内规划有 12V/8Ah锂聚合物电池、水温传感器、单片机操控(含A/D转化)、电源改换、数据传输接口等电路。
3 硬件电路规划
首要由单片机操控、测沙传感器及检测、水温传感器及检测、接口、电源、丈量作业指示等电路组成，图3 同位素测沙仪硬件电路组成图。
3.1 单片机操控电路
单片机操控选用美国Silicon Labs公司的C8051F350芯片完结，该芯片是彻底集成的混合信号片上体系型 MCU，其首要功用有：51MCU内核(可达50 MIPS)全速、非侵入式的在线体系调试接口(片内)，有8路24bit A/D，A/D转化具有0.0015%非线性度，2路8bit D/A;8K字节FLASH程序存储空间、768字节的内部RAM，可调增益扩大器PGA(可编程达128倍)，可编程 16位计数器/守时器阵列(PCA)，片内上电复位、VDD监视器和温度传感器，内置时钟、Watchdog、UART、SPI及SMBus接口等丰厚的片上资源。
3.2 测沙传感器及检测电路
含沙量检验是本仪器规划要点，其原理图如图4 所示，由前置扩大和电压跟从器组成。运放选用美国模仿器材公司(Analog Devices)的高精度、低漂移、低功耗%&&&&&%，因为要确保在检验含沙量规模内的线性及精度，所以运放的供电选用正、负12V直流电压，输出V1O送单片机的A/D。
3.3 水温传感器及检测电路
规划检测水温的改变规模为-5～45℃，准确检测水温模仿信号也是整个仪器的要点，其检测电路如图5 所示。选用铂电阻 PT1000作为测水温的传感器，为了减小传感器导线电阻带来的附加差错，选用三线制接法。传感器供电选用LM134、R01、R1、D1组成的无温漂恒流源。电流流经铂电阻后的电压信号由高精度、低功耗、低噪声、低漂移、宽带运放U1B线性扩大，再经 U1A滤波输出V0，然后送单片机的A/D。
3.4 数据传输接口电路
测沙仪丈量数据首要为：γ射线衰减检测数据，成果为0.00000～10.0000V直流电压，对应含沙量1200～0 kg/m3;水温丈量数据，成果为0.00000～2.50000V 直流电压，对应水温-5～45℃;电路芯片温度，成果为0.00000～2.50000V直流电压，对应温度为-10～70℃。上述三种丈量数据将由单片机实时经过RS485接口传送至PC便携机，进行含沙量的核算。RS485接口电路由美国德州仪器出产的SN65HVD12D芯片完结，可远距离传输数据。
3.5 电源电路规划
测沙仪作业的电源由12V锂电池供应，为了完结仪器的低功耗、安稳、牢靠运转，作业电路中所用的电源VDD(5.0V)、VCC(3.3V)用M%&&&&&%5236电源改换稳压芯片完结，基准电压VREF(2.500V)用MAX6325ESA芯片完结，γ射线检测、信号扩大电路中所用负12V由K7812-1000电源转化芯片完结，蓄电池容量按接连48小时作业时刻规划为12V/8Ah锂电。
4 测沙仪软件规划
软件规划关乎到测沙仪作业的安稳性、牢靠性以及丈量含沙量的精度，本测沙仪的软件由单片机丈量操控软件和PC机软件两大部分组成。测沙仪的作业形式有三种：作业、休眠、关机，其形式由PC指令操控。单片机丈量操控软件有主程序和部分子程序组成，丈量操控软件的主程序框图见图6。其子程序首要有放射源方位检测与操控、水温丈量、芯片温度检测、丈量数据处理、数据传送等。其间主程序的初始化包含体系时钟、看门狗、A/D、丈量参数、有关计时计数单元、I/O 端口、外设的装备等。在作业形式状况，因为水流存在脉动，规划每次含沙量、水温丈量的时刻为2分钟，所以软件规划时选用在2分钟内每2s取样一次，共取样60次;在丈量数据处理子程序中对60组数据进行排队，去凹凸各5组数，用50组数均匀得含沙量、水温丈量值作为一次丈量成果;然后调用数据传送子程序，向PC机传送;芯片温度每10分钟(分钟末位为0时)向PC机 传送一次。在休眠中，放射源方位坚持，除承受指令处以待命外，其他电路全休眠。当测沙仪接到关机指令则封闭放射源，检测到位后整机电源封闭。当测沙仪上电或复位时都会主动运转主程序，有关子程序限于篇幅不再叙说了。
含沙量的核算作业由PC便携机完结，当PC机接收到测沙传感器、水温、芯片温度等电压数据后，依据现已率定好的相关模型，由PC机程序用完善的图表实时的显示出含沙量丈量成果。
5 实验使用状况
2014年10月24日至2014年11月8日在黄河潼关水文站对所研发仪器进行了16天时刻的实验。实验首要内容为同位素本底检验、清水温度曲线率定、室内水槽测沙实验、河道现场实验、仪器辐射防护检测等。在潼关水文站用上海仁日辐射防护设备有限公司出产的REN 500A型智能化X、γ射线辐射仪在空气中检测，潼关水文站周围环境的本底辐射值是0.1μSv/h，属天然正常水平，在封闭放射源后对测沙仪周围检测，辐射本底水平没有添加，彻底没有辐射走漏。对测沙仪的清水温度曲线率定、室内水槽测沙实验曲线率定联系如图7、图8所示。从实验材料剖析计算同位素测沙仪丈量含沙量在3kg/m3以上时，差错在3%以内。在含沙量3kg/m3以下时，差错较大，有3%～10%。在潼关水文站进行了两次河道含沙量现场检验，人工用横式采样器取样、传统办法处理得含沙量，测沙仪直接读数，别离进行了18、32组比测实验，因河流含沙量较小别离为1.96kg/m3、3.00kg/m3，差错则较大别离为4.94%、4.14%。
从全体实验来说，同位素测沙仪在辐射防护、测沙精度、测沙规模、检测功率、仪器安稳性方面均可满意河流含沙量检验要求。
参考文献：
[1]刘雨人.同位素测沙[M].北京:水利出版社,1992,4:145-146.
[2]李景修,李黎,李英杰,等.核子测沙实验研讨[J].公民黄河,2008(10):12-13,23.
[3]李德贵,罗珺,陈莉红,等.河流含沙量在线检验技能比照研讨[J].公民黄河,2014(10):16-19.
本文来源于《电子产品世界》2017年第8期第61页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
