【正文】 ........................................................................................................ 38 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第一章 引 言 課題研究的背景和意義 研究背景 20xx 年 1 月 31 和 2 月 15 日某熱電廠 B4 水冷壁管連續(xù)發(fā)生破裂事故， 事后 對 水冷壁管進行化學(xué)成分分析、宏觀分析、斷口微觀分析 及硬度檢驗，結(jié)果表明，水冷壁管的破裂是由于向火面管內(nèi)側(cè)發(fā)生蒸汽腐蝕和氫腐蝕，使得管壁減薄所致。 關(guān)鍵詞： 同位素儀表 ； γ射線； 虛擬儀器 ； 數(shù)據(jù)采集卡； 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） γ raybased measurement system for pipe wall thickness design Abstract As a result of severe local thinning pipe pipeline would pose a threat to the safe operation, so the use of tubes, the need to regularly test the thickness of pipe. Instrument as a branch of the isotope, γray thickness measurement in industry is also increasingly playing an important role. γ by γray thickness gauge sources, detectors, signal processing circuit which is posed of three parts. The design of the wall thickness of pipe for continuous detection, in which the use of virtual machines on the γray Thickness Gauge control to replace the traditional singlechip control. There are two aspects: first, γray thickness measurement system for hardware design. As the current from the ionization chamber signal is very weak, need to use their signal amplification circuit to the data acquisition card. Second, based on virtual instrument software design. Signal processing which will be used to plete LabVIEW. The main consideration signal filtering and amplification, and then scaling to transform, the final value of the pipe wall thickness, respectively, and specific numerical waveform display. Key words: Isotope Instrumentation。 由于 電流 電離室出來的信號很 微弱，需要運用 信號 放大電路對其進行放大后送給數(shù)據(jù)采集卡。 作為同位素儀表的一個分支， γ 射線測厚儀在工業(yè)測量中也越來越多地發(fā)揮重要作用。 γ 射線測厚儀由 γ 放射源、探測 器、信號處理電路這三部分組成。 其 二、基于虛擬儀器的軟件設(shè)計。 γray。 根據(jù)介質(zhì)特性及工藝條件的不同，金屬管道在使用過程中，其整體或局部可能受到腐蝕、沖蝕、磨損等破壞性作用，使管壁逐漸減薄。 無損檢測技術(shù) 無損檢測的概述 隨著監(jiān)督檢測手段的不斷完善 ， 檢測儀器的不斷發(fā)展 ， 質(zhì)量監(jiān)督檢測工作的科技含量也在不斷增加。 無損檢測的方法 經(jīng)過各國科技工作者的不懈努力 ， 無損檢測技術(shù)得到了很大的進展 ， 目前形成了五種常規(guī)的無損檢測的方法 ， 即超聲檢測 (Ultrasonic)、射線檢測 (Radiographic)、渦流檢測(EddyCurrent)、磁粉檢測 (Magic Particle)、滲透檢測 (Perant)。但該技術(shù)對操作者有較高的要求 ， 對于一個很大的檢測 ， 一次只能檢測很小的一部分。膠片經(jīng)過處理得到了圖像 ， 進行靈敏的實時監(jiān)測 ， 但射線對人體有害。當電磁線圈移到金屬物的表面 ， 渦流就導(dǎo)入試樣中。 4）磁粉檢測 磁粉檢測的原理是利用損傷會改變磁力線的分布情況 ， 從而顯現(xiàn)材料的缺陷。但隨著損傷的深度和類型的變化 ， 其有效性會受到極大的影響 ， 值得注意的是試樣表面的不平和劃痕也會對磁力線的走向產(chǎn)生影響。滲透檢測可用于表面穿透性裂紋的檢測 ， 具有簡便、快捷、可靠等特點。無損檢測不但要在不損傷被檢對象使用性能的前提下 ， 探測其內(nèi)部或表面的各種宏觀缺陷 ， 判斷缺陷的位置、大小、形狀和性能 ， 還應(yīng)能對被評價對象的固有屬性、功能、狀態(tài)和發(fā)展趨勢 (安全性和剩余壽命 )等進行分析、預(yù)測 ， 并做出綜合評價。 其中 在工業(yè)上 常用來測量管材壁厚的方法有： x 射線測厚儀 、 超聲波 測厚儀 、 γ 射線測厚儀 。用幾萬伏至幾十萬伏的高壓加速電內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 子，電子束轟擊靶極， x 射線從靶極發(fā)出。 超聲波測厚儀 利用超聲波脈沖反射原理 ， 通過發(fā)射的超聲波脈沖至涂層 /基材 ， 計算脈沖通過涂層/基材界面反射回發(fā)射器所花的時間來計算涂層的厚度。 超 聲 波測厚儀 的優(yōu)點： 超聲波測厚儀一般都具有 超輕超薄機身，便于單手操作 ；測量精度高；有背景燈光，使得在 各種環(huán)境下清晰可視 ； 低功耗，兩節(jié)干電池可使用 200小時以上 ；對人體無害； 適合測量所有導(dǎo)聲材料，如鋼、鐵、塑料、陶瓷、有機玻璃等 。 當γ射線穿透物質(zhì)后由于和被測物發(fā)生相互作用，使得入射前后的γ射線強度不同。 γ 射線 測厚 儀 的優(yōu)點是： 能量穩(wěn)定，比 X 射線有更高的能量；作為射線源比 x 射線價廉； 探測厚度大，穿透能力強；體積小，重量輕，特別適用于野外工作和在用設(shè)備的檢測；可以連續(xù)運行， 且不受 壓力、磁場等外界條件影響。 它 具有比 x 射線還要強的穿透能力。 γ 射線具有極強的穿透本領(lǐng)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 光電效應(yīng)作用幾率用光電截面表示。 散射光子能量 rE， 的計算公式為： ? ?,2 0/ 1 / 1 c o sE r E r E r m c ???? ? ??? (24) 其中 ? 為散射光子的散射角。電子對效應(yīng)截面 σ p 與光子能量 Er 的關(guān)系： 當 Er 稍大于 2 20mc 時， 2p Z Er? ? (25) 當0 22Er mc??時 ， 2 lnp Z Er? ? (26) 由以上可以得出 ： 1) 對于低能 γ 射線和高 Z 的吸收物質(zhì)，光電效應(yīng)占優(yōu)勢 ； 2) 對于中能 γ 射線和低 Z 的吸收物質(zhì)，康普頓散射占優(yōu)勢 ； 3) 對于高能 γ 射線和高 Z 的吸收物質(zhì)，電子對效應(yīng)占優(yōu)勢。由于物質(zhì)的吸收射線穿透物質(zhì)后強度要降低，降低的程度與物體的厚度、密度及成分有關(guān)。其特點 是放射源和探測器置于被測物體的同一側(cè)。 散射式 γ 射線測厚儀主要用于透射式 γ 射線測厚儀不能運用的場合，例如，被測材料很寬、很大、很厚或另一側(cè)不可能安裝儀表或者不易接近的情況下。 透射式 ? 射線測厚儀的組成 本 設(shè)計 是基于 γ 射線的管材壁厚連續(xù)測量系統(tǒng)，所以需要先設(shè)計一個 γ 射線測厚儀。目前在國內(nèi)外使用的幾種 γ 射線源有 137Cs（銫 137）、 60Co（鈷 60）、 241Am（镅 241）等幾種放射性同位素。一般要求計數(shù)器具有一定的時間 分辨率 ，即先后兩個粒子射入計數(shù)器可分辨的時間。有云室、氣泡室、流光室、火花室、多絲正比室、 核乳膠 等。然而 γ 射線在通過物質(zhì)時，只是強度逐漸減弱，沒有與物質(zhì)發(fā)生過相互作用的 γ 光子穿過吸收層時其能量保持不變，因此沒有射程的概念。 137 Cs 放射源 137Cs 的半衰期為 30 年，衰變時主要發(fā)射平 均能量為 MeV 的 γ 輻射。 其基本結(jié)構(gòu)圖如下圖 所示： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 137Cs放射源鉛壁不銹鋼管 圖 137Cs 放射源的基本結(jié)構(gòu)圖 電流電離室 電離室有兩類：一類是，測量單個入射離子的稱為脈沖電離室，這在測厚儀表中很少應(yīng)用。溫度漂移及長期漂移是影響測量精度的主要因素。中心由圓棒、圓筒或細絲形成另一個電極。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 收集電極屏蔽外殼高壓電極輸出RL絕緣體 圖 電流電離室結(jié)構(gòu)圖 電流電離室的結(jié)構(gòu)如圖 所示 。 由于電離電流很小 ， 為了得到足夠的電壓降 ， RL 值應(yīng)取得特別高 。 數(shù)據(jù)采集 (DAQ)，是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集或產(chǎn)生信息的過程。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡的組成 數(shù)據(jù)采集卡主要由以下 四個部分組成： 1)多路開關(guān) 多路開關(guān)將多路信號輪流切換到放大器的輸入端，以實現(xiàn)多參數(shù)多路信號的分時采集。如果被測信號變化很慢，也可不用采樣保持器。其他相關(guān)電路，如定時 /計數(shù)器、總線接口電路等，也集成在一塊電路板上，以完成對信號的采集、放大及模 /數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡的引腳圖 數(shù)據(jù)采集卡與計算機的通信 PCI 是 Peripheral Component Interconnect(外設(shè)部件互連標準 )的縮寫，是 Intel 公司1991 年推出的用于定義局部總線的標準。 PCI 總線也支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在需要時取得總線控制權(quán)，以加速數(shù)據(jù)傳送。 PCI 插槽是主板的主要擴展插槽，通過插接不同的擴展卡可以獲得目前電腦能實現(xiàn)的幾乎所有功能，是名副其實的 “ 萬用 ” 擴展插槽。 再 通過微小電流放大電路，將從電流電離室出來的微弱電 壓 信號給予放大， 再 將 放大后 的電壓信號傳給 PCI6221數(shù)據(jù)采集卡。LabVIEW 集成了與滿足 GPIB、 VXI、 RS232 和 RS485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。 圖形化的程序語言，又稱為 “ G” 語言。使用它進行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建測試儀器，開發(fā)效率高，可維護性強；測試精度、穩(wěn)定性和可靠性能夠得到充分保證；具有很高的性能價格比，節(jié)省投資，便于設(shè)備更新和功能轉(zhuǎn)換與擴充。 目前常用的虛擬儀器硬件結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種 ， 如圖 所示。 VXI 系統(tǒng)：它是以 VXI(VME eXtension For Instrumentation)標準總線儀器模塊與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。而本設(shè)計采用的是 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡，故 采用的是 PCDAQ 系統(tǒng)。 開發(fā)虛擬儀器必須有合適的軟件工具，目前的虛擬儀器軟件開發(fā)工具有如下兩類：文本式編程語言如 Visual C++、 Visual BASIC、 LabWindows/CVI 等；圖形化編程語言如LabVIEW、 HPVEE 等。從虛擬儀器的組成和結(jié)構(gòu)，可以看出虛擬儀器具有以下特點： (1) 可以由用戶定義測量功能。 (2) 虛擬儀器可以實現(xiàn)多任務(wù)操作。 (4) 虛擬儀器開放、靈活，可與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互聯(lián)。 本設(shè)計中 軟件部分 擔(dān)負著 數(shù)據(jù)處 理 、 結(jié)果顯示 、 上下限報警、數(shù)據(jù)的存儲與讀取 等重要任務(wù)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 (b) 數(shù)據(jù)查詢 的前面板 圖 (b)是數(shù)據(jù)查詢的前面板圖，當需要查詢某一時段的的數(shù)據(jù)時，只需要在檢索條件里輸入想要查詢的時間段 ，點擊查詢。 本設(shè)計的數(shù)據(jù)采集框圖程序如下圖 所示 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 數(shù)據(jù)采集程序 濾波 在信號傳輸過程中 ， 經(jīng)常會混入高頻噪聲 ， 噪聲的能量甚至?xí)^信號的能量 ， 接收端收到信號后 ， 通常首先要進行濾波 ， 然后才能進一步對信號進行處理 。此過程 是用如下圖 (c)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 所示的框圖程序?qū)崿F(xiàn)的： 圖 (c) 動態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)組框圖