射線傳感器在蔗絲厚度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、引言

　　廣西是產(chǎn)糖大省，甘蔗糖產(chǎn)量占全國(guó)60％以上。由于糖廠壓榨車間空氣中糖分子濃度較高，許多電子測(cè)量?jī)x器設(shè)備受到不斷增加的糖分子附著、結(jié)塊等惡劣環(huán)境的直接影響而無(wú)法實(shí)現(xiàn)甘蔗絲厚度的均衡控制，長(zhǎng)期以來(lái)，制糖企業(yè)壓榨車間榨量控制都是由操作人員憑經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)操作，所以甘蔗榨量不穩(wěn)定，瞬時(shí)負(fù)荷過(guò)大，造成撕裂機(jī)電機(jī)等機(jī)械部件損壞。

　　由于制糖企業(yè)中壓榨工況的好壞對(duì)整個(gè)糖廠的穩(wěn)定均衡生產(chǎn)至關(guān)重要，制糖企業(yè)又非常迫切需要解決甘蔗絲均衡傳輸自動(dòng)調(diào)節(jié)的問(wèn)題，為滿足廣西制糖企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需要，我們利用放射源和γ射線傳感器檢測(cè)蔗層的厚度，通過(guò)微機(jī)和變頻器控制輸蔗機(jī)均衡速度，還利用微機(jī)監(jiān)控程序完成了輸蔗的自動(dòng)計(jì)量和參數(shù)的在線設(shè)置，不但可以準(zhǔn)確掌握日壓榨量，自動(dòng)計(jì)算原料抽出率，而且達(dá)到了均衡生產(chǎn)，減少設(shè)備故障率的目的。這對(duì)糖廠鍋爐產(chǎn)汽量、蒸發(fā)罐入計(jì)、糖漿錘度穩(wěn)定、甘蔗砍運(yùn)、壓榨、鍋爐、蒸發(fā)、煮糖、成品等各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的穩(wěn)定都起到了關(guān)鍵性的控制作用。

2、系統(tǒng)工作原理

2.1 系統(tǒng)控制過(guò)程

　　拖動(dòng)電機(jī)選型確定以后，其傳動(dòng)比、傳動(dòng)齒輪齒數(shù)、齒距也就確定，傳送帶上傳送甘蔗絲的速度v和拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為：

                        
　　式中m為傳動(dòng)鏈輪齒距，z為甘蔗絲傳送機(jī)傳動(dòng)輪齒數(shù)，a為傳動(dòng)比，ni為拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速。傳送帶上甘蔗絲的重量表示如下：

              
2.2 射線傳感器測(cè)量蔗層厚度原理

　　γ射線傳感器是利用放射性同位素，依據(jù)被測(cè)物料對(duì)γ射線吸收、反散射和透射作用而進(jìn)行工作的。當(dāng)核放射源放射出的γ射線穿透甘蔗絲到達(dá)γ射線傳感器的過(guò)程中，一部分γ射線被甘蔗絲吸收，一部分γ射線透過(guò)甘蔗絲被γ射線傳感器吸收；在γ射線的照射下，γ射線的強(qiáng)度和被測(cè)甘蔗絲厚度之間的關(guān)系為：

                           
　　式中I和I0分別為γ射線穿過(guò)被測(cè)甘蔗絲后的輻射強(qiáng)度和穿過(guò)被測(cè)甘蔗絲前的輻射強(qiáng)度，C為積因子，m為線性衰減系數(shù)，d為被測(cè)甘蔗絲厚度。因此，I0一定時(shí)，I值的相對(duì)變化量就反映了甘蔗絲厚度d。

　　γ射線傳感器輸出的微弱電流信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大后，輸出一個(gè)能反映傳輸帶上甘蔗絲厚度的電壓信號(hào)。由于γ射線傳感器輸出電壓信號(hào)與輸入γ射線強(qiáng)度成正比關(guān)系，則式(3)可轉(zhuǎn)換為：

　　式中U和U0分別為γ射線穿過(guò)被測(cè)甘蔗絲后的輻射強(qiáng)度和穿過(guò)被測(cè)甘蔗絲前的輸出的電壓信號(hào)，WL為傳送帶上單位長(zhǎng)度載荷量，B為甘蔗絲的平均寬度，μm為吸收系數(shù)。則載荷量：

               
　　由式(2)和式(9)可知，通過(guò)檢測(cè)傳送帶上甘蔗絲的厚度和傳送帶的速度，便可得到甘蔗絲的瞬時(shí)流量。

3\系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

　　如圖1所示，系統(tǒng)硬件由放射源、γ射線傳感器、工業(yè)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、濾波器、旋轉(zhuǎn)編碼器、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、變頻器、大屏幕顯示器等組成。

　　甘蔗絲厚度檢測(cè)選用γ射線傳感器長(zhǎng)度為1 500 cm，源部件采用雙源法。放射源與γ射線傳感器分別置于被測(cè)甘蔗絲的上下兩側(cè)，其距離是一定值，在放射源和被測(cè)甘蔗絲都確定的情況下，對(duì)于長(zhǎng)半衰期的同位素，由于放射源發(fā)出的γ射線在短時(shí)間內(nèi)可視為常數(shù)，甘蔗絲越厚，吸收的γ射線越多，安裝在傳輸帶下方的γ射線傳感器接收到的γ射線就越少。因此，γ射線傳感器接收到的γ射線強(qiáng)弱反應(yīng)了甘蔗絲厚度的相對(duì)變化量，γ射線傳感器將接收到的γ射線轉(zhuǎn)換成微弱的電流信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大后，輸出正比于傳送帶上甘蔗絲厚度的電壓信號(hào)，經(jīng)低通濾波器濾波后送到A／D采集卡ACL-8112采樣，采樣數(shù)據(jù)接入計(jì)算機(jī)計(jì)量。

　　在傳送機(jī)從動(dòng)輪軸上安裝一個(gè)OMROM E682旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器能將機(jī)械角位移量轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的速度脈沖信號(hào)，經(jīng)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器TMC-10測(cè)量得到傳輸送機(jī)從動(dòng)輪的角速度，角速度可由脈沖數(shù)決定，由于從動(dòng)輪半徑己知，就很容易計(jì)算得到傳送機(jī)的速度。20同時(shí)，TMC-10還用于產(chǎn)生精確的定時(shí)中斷信號(hào)。

　　SIEMENS 6SE70變頻器根據(jù)蔗絲厚度的變化量輸出4～20 mA電流，經(jīng)變換得到2～10 V電壓，計(jì)算機(jī)根據(jù)電壓值的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)傳送機(jī)的速度，從而達(dá)到了調(diào)節(jié)傳送帶上蔗絲流量均衡傳輸?shù)哪康摹?/p>

　　為方便現(xiàn)場(chǎng)工作人員觀測(cè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將計(jì)算機(jī)顯示的部分內(nèi)容通過(guò)RS 232傳送到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的大屏幕顯示器上顯示生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件采用TURBO++3.0編制，使用自帶小漢字庫(kù)技術(shù)，系統(tǒng)軟件不僅可以脫離漢字操作系統(tǒng)運(yùn)行，減少內(nèi)存占用量，而且避免了漢字操作統(tǒng)之間的沖突。系統(tǒng)軟件除了顯示瞬時(shí)流量、傳送機(jī)瞬時(shí)負(fù)載、傳送機(jī)瞬時(shí)速度、班產(chǎn)量、日產(chǎn)量、當(dāng)月累計(jì)量、當(dāng)年累計(jì)量、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等信息外，還具有歷史記錄查詢、定時(shí)或隨時(shí)打印生產(chǎn)報(bào)表、系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定、產(chǎn)量設(shè)定，顯示實(shí)際產(chǎn)量、正常工作時(shí)間、停機(jī)時(shí)間、空帶運(yùn)行時(shí)間等功能。

　　主程序流程圖如圖2所示。

                        
　　開機(jī)后，首選進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)入循環(huán)程序，在循環(huán)程序中，每秒刷新一次顯示，循環(huán)判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，是否有功能鍵按下以及是否到換班時(shí)間，若有功能鍵按下，則進(jìn)行相應(yīng)處理；如果到換班時(shí)間，則執(zhí)行中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序流程如下：保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)→采樣γ射線傳感器輸出電壓→采樣旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖信號(hào)→計(jì)算瞬時(shí)速度→計(jì)算瞬時(shí)負(fù)荷和累計(jì)產(chǎn)量→恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)→中斷返回。為了實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)當(dāng)前的生產(chǎn)狀態(tài)，還利用Kingview6.00軟件開發(fā)了動(dòng)態(tài)顯示功能。

4、系統(tǒng)標(biāo)定

　　速度標(biāo)定：首先測(cè)出傳送機(jī)從動(dòng)輪直徑的d，傳送帶的速度v=ω·d／2便可算出，式中ω為傳送機(jī)從動(dòng)輪的角速度，由E682旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖信號(hào)，經(jīng)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器TMC-10測(cè)量得到。

　　空載電壓標(biāo)定：將傳送帶上的甘蔗絲清空，傳送機(jī)空載運(yùn)行，γ射線傳感器輸出電壓穩(wěn)定后(穩(wěn)定時(shí)U0瞬時(shí)值變化<20 mV，平均值變化<5 mV)，再連續(xù)6次采樣γ射線傳感器上的電壓，其平均值即為空載電壓U0。

　　實(shí)物標(biāo)定：首先進(jìn)入實(shí)物標(biāo)定程序，輸入傳送機(jī)從動(dòng)輪直徑d、空載電壓U0、負(fù)荷系數(shù)K(預(yù)先輸入經(jīng)驗(yàn)值)，然后給傳送帶上投放甘蔗絲，開始進(jìn)行計(jì)量，輸送帶上具有一定厚度的甘蔗絲經(jīng)γ射線傳感器后，系統(tǒng)停止標(biāo)定，系統(tǒng)自動(dòng)累計(jì)結(jié)果mh。若以標(biāo)準(zhǔn)稱(地中衡：誤差≤0.3％)的稱量結(jié)果mb不相等時(shí)，則按K’=mb／mh對(duì)K值進(jìn)行修正，再次投放甘蔗絲，并重新標(biāo)定，直到滿足系統(tǒng)誤差∣δ∣=[(mb-mh)／mb]100％=1％為止。實(shí)物標(biāo)定過(guò)程及結(jié)果如表1所示。

                      
5、結(jié)語(yǔ)

　　這套系統(tǒng)投入使用后對(duì)糖廠提高產(chǎn)品質(zhì)量起到積極作用：

　　(1)一級(jí)白砂糖色值下降了20 IU，二氧化硫殘留量?jī)H有21 mg／kg，還原糖為　　0.05％；
　　(2)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)計(jì)量誤差≤1.5％，壓榨抽出率96％，蔗渣水分47.5％，蔗渣轉(zhuǎn)光度2.15％，糖廠壓榨車間安全率達(dá)到99％；
　　(3)甘蔗壓榨量均衡穩(wěn)定，輸送制煉車間蔗汁均衡，鍋爐產(chǎn)汽量、蒸發(fā)罐入和糖漿錘度穩(wěn)定；
　　(4)有利于沉淀池蔗汁沉淀，提高了澄清效率。