【正文】 ........................................................................................................ 38 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（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(chǎng) B4 水冷壁管連續(xù)發(fā)生破裂事故， 事后 對(duì) 水冷壁管進(jìn)行化學(xué)成分分析、宏觀(guān)分析、斷口微觀(guān)分析 及硬度檢驗(yàn)，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(xiàn)； 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(jì) 說(shuō)明書(shū)（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(lái)的信號(hào)很 微弱，需要運(yùn)用 信號(hào) 放大電路對(duì)其進(jìn)行放大后送給數(shù)據(jù)采集卡。 作為同位素儀表的一個(gè)分支， γ 射線(xiàn)測(cè)厚儀在工業(yè)測(cè)量中也越來(lái)越多地發(fā)揮重要作用。 γ 射線(xiàn)測(cè)厚儀由 γ 放射源、探測(cè) 器、信號(hào)處理電路這三部分組成。 其 二、基于虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)。 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(guò)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(wú)損檢測(cè)技術(shù) 無(wú)損檢測(cè)的概述 隨著監(jiān)督檢測(cè)手段的不斷完善 ， 檢測(cè)儀器的不斷發(fā)展 ， 質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)工作的科技含量也在不斷增加。 無(wú)損檢測(cè)的方法 經(jīng)過(guò)各國(guó)科技工作者的不懈努力 ， 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到了很大的進(jìn)展 ， 目前形成了五種常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)的方法 ， 即超聲檢測(cè) (Ultrasonic)、射線(xiàn)檢測(cè) (Radiographic)、渦流檢測(cè)(EddyCurrent)、磁粉檢測(cè) (Magic Particle)、滲透檢測(cè) (Perant)。但該技術(shù)對(duì)操作者有較高的要求 ， 對(duì)于一個(gè)很大的檢測(cè) ， 一次只能檢測(cè)很小的一部分。膠片經(jīng)過(guò)處理得到了圖像 ， 進(jìn)行靈敏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) ， 但射線(xiàn)對(duì)人體有害。當(dāng)電磁線(xiàn)圈移到金屬物的表面 ， 渦流就導(dǎo)入試樣中。 4）磁粉檢測(cè) 磁粉檢測(cè)的原理是利用損傷會(huì)改變磁力線(xiàn)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(lèi)型的變化 ， 其有效性會(huì)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(huì)對(duì)磁力線(xiàn)的走向產(chǎn)生影響。滲透檢測(cè)可用于表面穿透性裂紋的檢測(cè) ， 具有簡(jiǎn)便、快捷、可靠等特點(diǎn)。無(wú)損檢測(cè)不但要在不損傷被檢對(duì)象使用性能的前提下 ， 探測(cè)其內(nèi)部或表面的各種宏觀(guān)缺陷 ， 判斷缺陷的位置、大小、形狀和性能 ， 還應(yīng)能對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象的固有屬性、功能、狀態(tài)和發(fā)展趨勢(shì) (安全性和剩余壽命 )等進(jìn)行分析、預(yù)測(cè) ， 并做出綜合評(píng)價(jià)。 其中 在工業(yè)上 常用來(lái)測(cè)量管材壁厚的方法有： x 射線(xiàn)測(cè)厚儀 、 超聲波 測(cè)厚儀 、 γ 射線(xiàn)測(cè)厚儀 。用幾萬(wàn)伏至幾十萬(wàn)伏的高壓加速電內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 子，電子束轟擊靶極， x 射線(xiàn)從靶極發(fā)出。 超聲波測(cè)厚儀 利用超聲波脈沖反射原理 ， 通過(guò)發(fā)射的超聲波脈沖至涂層 /基材 ， 計(jì)算脈沖通過(guò)涂層/基材界面反射回發(fā)射器所花的時(shí)間來(lái)計(jì)算涂層的厚度。 超 聲 波測(cè)厚儀 的優(yōu)點(diǎn)： 超聲波測(cè)厚儀一般都具有 超輕超薄機(jī)身，便于單手操作 ；測(cè)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(shí)以上 ；對(duì)人體無(wú)害； 適合測(cè)量所有導(dǎo)聲材料，如鋼、鐵、塑料、陶瓷、有機(jī)玻璃等 。 當(dāng)γ射線(xiàn)穿透物質(zhì)后由于和被測(cè)物發(fā)生相互作用，使得入射前后的γ射線(xiàn)強(qiáng)度不同。 γ 射線(xiàn) 測(cè)厚 儀 的優(yōu)點(diǎn)是： 能量穩(wěn)定，比 X 射線(xiàn)有更高的能量；作為射線(xiàn)源比 x 射線(xiàn)價(jià)廉； 探測(cè)厚度大，穿透能力強(qiáng)；體積小，重量輕，特別適用于野外工作和在用設(shè)備的檢測(cè)；可以連續(xù)運(yùn)行， 且不受 壓力、磁場(chǎng)等外界條件影響。 它 具有比 x 射線(xiàn)還要強(qiáng)的穿透能力。 γ 射線(xiàn)具有極強(qiáng)的穿透本領(lǐng)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（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(jì)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(duì)效應(yīng)截面 σ p 與光子能量 Er 的關(guān)系： 當(dāng) Er 稍大于 2 20mc 時(shí)， 2p Z Er? ? (25) 當(dāng)0 22Er mc??時(shí) ， 2 lnp Z Er? ? (26) 由以上可以得出 ： 1) 對(duì)于低能 γ 射線(xiàn)和高 Z 的吸收物質(zhì)，光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì) ； 2) 對(duì)于中能 γ 射線(xiàn)和低 Z 的吸收物質(zhì)，康普頓散射占優(yōu)勢(shì) ； 3) 對(duì)于高能 γ 射線(xiàn)和高 Z 的吸收物質(zhì)，電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。由于物質(zhì)的吸收射線(xiàn)穿透物質(zhì)后強(qiáng)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(diǎn) 是放射源和探測(cè)器置于被測(cè)物體的同一側(cè)。 散射式 γ 射線(xiàn)測(cè)厚儀主要用于透射式 γ 射線(xiàn)測(cè)厚儀不能運(yùn)用的場(chǎng)合，例如，被測(cè)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(xiàn)測(cè)厚儀的組成 本 設(shè)計(jì) 是基于 γ 射線(xiàn)的管材壁厚連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)，所以需要先設(shè)計(jì)一個(gè) γ 射線(xiàn)測(cè)厚儀。目前在國(guó)內(nèi)外使用的幾種 γ 射線(xiàn)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(jì)數(shù)器具有一定的時(shí)間 分辨率 ，即先后兩個(gè)粒子射入計(jì)數(shù)器可分辨的時(shí)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(xiàn)在通過(guò)物質(zhì)時(shí)，只是強(qiáng)度逐漸減弱，沒(méi)有與物質(zhì)發(fā)生過(guò)相互作用的 γ 光子穿過(guò)吸收層時(shí)其能量保持不變，因此沒(méi)有射程的概念。 137 Cs 放射源 137Cs 的半衰期為 30 年，衰變時(shí)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(jì) 說(shuō)明書(shū)（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(lèi)：一類(lèi)是，測(cè)量單個(gè)入射離子的稱(chēng)為脈沖電離室，這在測(cè)厚儀表中很少應(yīng)用。溫度漂移及長(zhǎng)期漂移是影響測(cè)量精度的主要因素。中心由圓棒、圓筒或細(xì)絲形成另一個(gè)電極。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（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(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集或產(chǎn)生信息的過(guò)程。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（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(gè)部分組成： 1)多路開(kāi)關(guān) 多路開(kāi)關(guān)將多路信號(hào)輪流切換到放大器的輸入端，以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多路信號(hào)的分時(shí)采集。如果被測(cè)信號(hào)變化很慢，也可不用采樣保持器。其他相關(guān)電路，如定時(shí) /計(jì)數(shù)器、總線(xiàn)接口電路等，也集成在一塊電路板上，以完成對(duì)信號(hào)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(jì) 說(shuō)明書(shū)（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(jì)算機(jī)的通信 PCI 是 Peripheral Component Interconnect(外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn) )的縮寫(xiě)，是 Intel 公司1991 年推出的用于定義局部總線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。 PCI 總線(xiàn)也支持總線(xiàn)主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在需要時(shí)取得總線(xiàn)控制權(quán)，以加速數(shù)據(jù)傳送。 PCI 插槽是主板的主要擴(kuò)展插槽，通過(guò)插接不同的擴(kuò)展卡可以獲得目前電腦能實(shí)現(xiàn)的幾乎所有功能，是名副其實(shí)的 “ 萬(wàn)用 ” 擴(kuò)展插槽。 再 通過(guò)微小電流放大電路，將從電流電離室出來(lái)的微弱電 壓 信號(hào)給予放大， 再 將 放大后 的電壓信號(hào)傳給 PCI6221數(shù)據(jù)采集卡。LabVIEW 集成了與滿(mǎn)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(yǔ)言，又稱(chēng)為 “ G” 語(yǔ)言。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，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(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建測(cè)試儀器，開(kāi)發(fā)效率高，可維護(hù)性強(qiáng)；測(cè)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(jià)格比，節(jié)省投資，便于設(shè)備更新和功能轉(zhuǎn)換與擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。而本設(shè)計(jì)采用的是 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡，故 采用的是 PCDAQ 系統(tǒng)。 開(kāi)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(kāi)發(fā)工具有如下兩類(lèi)：文本式編程語(yǔ)言如 Visual C++、 Visual BASIC、 LabWindows/CVI 等；圖形化編程語(yǔ)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(diǎn)： (1) 可以由用戶(hù)定義測(cè)量功能。 (2) 虛擬儀器可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)操作。 (4) 虛擬儀器開(kāi)放、靈活，可與計(jì)算機(jī)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(jì)中 軟件部分 擔(dān)負(fù)著 數(shù)據(jù)處 理 、 結(jié)果顯示 、 上下限報(bào)警、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀取 等重要任務(wù)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 圖 (b) 數(shù)據(jù)查詢(xún) 的前面板 圖 (b)是數(shù)據(jù)查詢(xún)的前面板圖，當(dāng)需要查詢(xún)某一時(shí)段的的數(shù)據(jù)時(shí)，只需要在檢索條件里輸入想要查詢(xún)的時(shí)間段 ，點(diǎn)擊查詢(xún)。 本設(shè)計(jì)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(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 圖 數(shù)據(jù)采集程序 濾波 在信號(hào)傳輸過(guò)程中 ， 經(jīng)常會(huì)混入高頻噪聲 ， 噪聲的能量甚至?xí)^(guò)信號(hào)的能量 ， 接收端收到信號(hào)后 ， 通常首先要進(jìn)行濾波 ， 然后才能進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理 。此過(guò)程 是用如下圖 (c)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 所示的框圖程序?qū)崿F(xiàn)的： 圖 (c) 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)組框圖