本发明是一种微机核子皮带秤，它属于核技术应用智能仪表，是用于连续流动物料在线称重的装置。

1966年10月11日美国专利局公告的3，278，747号专利，1968年1月2日美国专利局3，361，911号专利都是核子秤的专利，如在国际原子能机构的IAEA-SM-159/19中，论述了核子秤。利用核辐射原理来探测皮带运输机上运载物料重量，比电子皮带秤具有更大的优越性，如安装方便，精度高，寿命长，不需机械维修等，在西德DE3228844A1名为“核辐射吸收强度线性化方法”专利申请公开了用计算机技术处理核辐射吸收强度来测量传送带物料重量、核辐射吸收强度线性化方法以及放射性活度减弱后充分利用放射源的构思，但未能公开实施这一构思的具体技术方案，现有技术的不足之处在于：

（1）.DE328844A1的主机智能化没有具体技术方案。

（2）.放射源及皮带物料探测器支架，是固定的，探测距离无法调节，不能最大限度地利用放射源来进一步保证测量精度。

（3）.皮带物料探测器主要有电离室，闪烁计数器及G-M计数管三种，前两种生产工艺复杂，探头庞大，线路精密庞杂，性能不易稳定，价格昂贵，一般用户用不起，影响推广使用，G-M计数管是多根组合的，费用大，故障率多，寿命短等问 题。

本发明的目的就是设计一种用G-M计数管作探测器，并具有结构简单，安装调试方便、精度高、寿命长、放射源强小，表面剂量低，造价低廉，便于推广的智能式核子皮带秤。

本发明的核子皮带秤其基本原理是应用核物理方法，测量传输皮带上的物料负载量，当放射源发射的γ射线穿过物质时，因屏蔽作用，γ射线强度将随所通过物质厚度的增加而减弱。对于穿过物质厚度为dm的γ射线强度Ⅰ，根据核物理原理二者之间的关系为：

I＝I0e-μmPmdm

其中，I0为通过dm厚度的物料前的γ射线强度;

μm为质量吸收系数

Pm为密度（单位：Kg/m3）

dm为射线所穿过的物质厚度（单位：m）

对于核子秤的测量对象，传送带上的物料而言，Pmdm可表示单位面积上的物料量。单位为Kg/M2，则：Pmdm＝L/W

其中：W为皮带宽度

L为单位长度的传送带上的物料量（Kg/m），另外，γ射线的强度I，由核子秤的皮带物料探头以脉冲计数率n的形式测得，从而测量关系式变为：n＝n0exp（-μmL/w）

上式两端取对数

Lnn＝Lnn0-μml/W

从此式可以看出，在实际中，一旦被测对象确定，仪表安装完毕，其传送物料的宽度W，被测对象的质量吸收系数μM及空载时的射线强度n0，就都是常量，它们可以通过定标确定下来。这样只要测出透射过传送带负载的射线强度n，就可以测出单位长度传送带上的物料量L。

本发明主要由γ射线源，物料探头支架，测速传感器和智能主机输入输出装置等部分组成，其示意图见附图1，结合附图分述如下：

放射源：所用的γ放射线源为铯-137（C137cs）半衰期30年，γ射线量0.660Mev（百万电子伏）存放在铝制罐中，源罐为Φ120×160mm圆柱体，源罐除了屏蔽γ源，防护射线的作用外，还要使γ源放出的γ射线能准直地发射到所需的探测位置上，因此，源罐应有一定的屏蔽厚度（60mm）并在源罐下侧开设7″×40°的锥形准直孔，经过准直孔的γ射线投射到传送带上的物料，经由皮带下方的探头接收，测量到。

探头：探头实质上是一个测量传感器，它把接到的γ射线变为脉冲信号，输送给智能主机。探头内装有G-M计数管一支或两支，前置放大器及猝灭电路，它们都封装在Φ160×1200mm的钢制圆筒内，圆筒具有避光，屏蔽、防尘、机械保护等作用，探头装入支架，底部的钢筒内，支架是γ源与探头之间的支撑机构，为钢结构支架，它把γ源与探头有机地组合为一体，以确保γ源与探头之间的相对几何位置。这样当皮带在γ源与探头之间通过时，就可以使γ射线扫描式地辐照到皮带所输送的物料上，进行透射测量。

支架：为调整γ源照射到探头的强度，支架上半部为门框形，装有平行的滑行轨道，γ源可沿轨道上下移动，用来调整γ源与探头之间的距离。γ源罐被固定在一个两端带有滑轨的托板上，滑轨镶嵌在门框轨道上，并装有紧固装置，通过紧固装置使γ源与探测器之间的距离固定，见附图2。

测速传感器：皮带测速计由一个装有两只小型线圈的磁铁与旋转轮组成，当旋转轮分齿的齿轮的凸起部分与磁极对准时，磁回路的磁通最大，当齿轮的凹处对准磁极时，磁回路的磁通最小，磁通的变化在线圈上感应出频率为f的脉冲信号，频率f的大小与皮带速度Vt成正比：

f＝A· (Vt)/(πD) (HZ)

式中：A-旋转轮的等分齿数（60）

D-磨擦滚轮的直径（0.1m）

则：

Vt＝ (πD)/(A) ·f＝ (0.1π)/60 f（m/s）

Vt为单位时间的物料流量

F＝L·V

累积物料量P∫toL-Vdt

智能仪表主机：核子秤主机实质上是个信号处理中枢，主机采用NIM标准插件机箱，主机内含有直流电源信号处理及信号隔离的三个单元，下面结合附图3分部叙述如下：

直流电源单元是把电网电压转变为本系统所用 的直流高低压，本电源设计采用串联型稳压电源。电网电压是经双极电压低通滤器。尽可能消除电网噪声干扰。然后经变压器升降压后通过整流二级管进行整流，电解电容滤波，再经三端集成稳压器或稳压二级管，输出±5V，±12V，-250V，+50V。

信号处理单元是以八位微处理器为核心的计算机电路，它取代了传统仪表的繁锁模拟运算电路，不但使电路的稳定性，可靠性大大提高，同时也使运算精度大大提高，除了微机基本电路，程序贮存器，数据贮存器、定时/计数器及数模转换电路外，还设计了专用的探头信号输入，接口电路数据贮存器掉电保护电路以及程序飞后自动恢复电路，增加了这些电路就使得本单元电路成为完善的信号处理智能电路。它即具有信息的长期记忆能力，又能适应外界环境干扰的影响，发现自身故障及时排除。

主机具有很强的人机对话能力（打印机接口，操作键盘，数码显示器），使得仪表的操作变得更方便、直观、灵活。用户可以根据现场情况随时修改和设定过程参量，并根据需要启动相应程序。它通过软件程序对探头和测速传感器来的信号进行采集，数据处理及其它有关的数值运算，数模转换。在软件上还增设故障自诊断程序，用它们能发现核子秤各部（接口）的故障。

信号隔离输出器单元是本主机的主要组成部分，是专为防止来自连接仪表系统后面的控制装置。通过电信号的地线串进干扰而设计的。如果不增设这一单元，一旦串进干扰将无法使仪表提供出精确，稳定的信号，使整个核子秤的测量前功尽弃。

发明采用的是单一磁罐的电磁隔离。首先用电压/频率转换器将从信号处理单元来的0-5V的电压信号转换成与之成正比关系的方波振荡信号，然后通过D触发器整形出与脉宽对称的方波，这个信号再通过电磁隔离偶合到输出部分，输出振荡信号分成两路，一路经整流，滤波为后面的电路提供电源，另一路电信通过频率/电压转换器转换成与之成正比关系的电压模拟量，最后经电压/电流器输出。

附图4是核子秤主机的测量系统总体程序框图。

主机上电后程序首先执行自诊断程序，在自诊断服务中对存贮器显示、键盘、打印机、信号输入、输出接口进行检查，若发现故障，则通过状态指示灯反映出来。在正常情况下，程序继续执行进行中断，内存状态的初始化，接着判断命令字M（通过键盘输入），由此来决定下一步程序执行的路径。

M＝0时执行测量运算程序，附图5是测量运算程序流程图，它首先对探头信号进行数字滤波。接着进行皮带负载、速度、物料测量及相应输出电压量的运算并且对零点进行自动或半自动校正，放射源衰减补尝处理，附图5中n是探头来的脉冲数的平均计数率。

f：测速传感器来的平均脉冲频率

a：皮带负载截距-第一次是通过定标算出的，由键盘输入，以后自动校正。

b：皮带负载斜率，通过定标算出，键盘输入

A：测速传感器斜率，厂家给出0.0052键盘输入

K1：负载输出电压斜率

K2：负载输入电压截距

K3：负载流量输出电压斜率

K4：负载流量输出电压截距

K1、K2、K3、K4，由用根据皮带流量量程定出，键盘输入

Z：零点方式字，Z＝0半自动校零：Z＝1，不校零;Z＝2自动校零。

T：放射源衰减补偿时间间隔（单位：日）键盘输入

T1/2放射源半衰期，对137Cs为30×365（日）

t放射源衰减补偿后，经过的时间，计算机算出

M＝1时执行静态定标程序，附图6是在线静态定标程序流程图定标就是确定探测物理量与仪表测量到的电信号间的关系，计数管式的核仪器由于探头输出信号是脉冲式，对探头来的脉冲数进行确准测定是关系到整个仪表精度，传统方式是用专门购置的定标器，这不但增加费用（3000-4000元/台），而且往往存在着两台仪表在测量上的相对偏差，影响测量仪表的精度。

本发明的核子秤，充分运用微机在不增加任何 硬件的基础上，用软件实现核子秤的在线静态定标，在执行该程序前，必须将定标时间T和打印方式P通过键盘输入，该程序首先清除计数累加值A和定标个数j，接着判断负载输入否，负载输入后存入Lj单元，程序对探头计数值进行累加A+n→A，当定标时间到后，对累加的计数值，取对数，求平均，送入LNj单元，即LNj←1/TLnA，并计算线性回归中间变量B＝B+LNj，C＝C+Lj，定标个数加1，j+1→j送j单元，然后判运行键按下否？设按下，则继续判断新的负载量Lj输入否，重复执行以上步骤，若按下运行键，则进行线性回归计算，b＝∑（Lj-C/T（LNj-BT）/∑（Lj-C/T）2，a→7（B-bc）/T分别存入斜率。截距单元b和a中，最后判断打印方式P，P＝1不打印b、a，P＝0打印，执行后转去执行测量运算程序

附图6中：A：计数累加值单元

n：1秒钟探头来的计数值存放单元

T：定标设定时间

Lj：输入的负载量

LNj：累加数值对数存贮单元

j：定标个数值计数器j＝0、1、2……K

P：打印方式字P＝0打印，P＝1不打印

M＝2时，执行动态定标程序，附图7是动态定标的程序流程图，除上述定标方法外，当现场条件限制的情况下，可以采取动态定标方法，动态定标的设计思想是根据皮带负载累计量

其中V：皮带速度;S：皮带经过的距离;T：皮带通过的时间;L：单位皮带长度上的负载量;f：测速传感器来的脉冲频率。只要在定标前预先知道皮带所传送的物料总量（可通过汽车、火车在地衡、轨道衡上称量）并能求出S和∫TofLnndt就能自动生成皮带负载的斜率b和截距a来，即：

在程序执行时，通过键盘输入预知的批量总重P，程序运行时，首先清除测速传感器的频率累加值，物料探头计数率取对数累加值。及时间累加值，接着判断皮带上料头是否来到质量探头处，设到，则执行其它程序;到后，延时1秒钟，测速传感器频率累加，送入FA单元物料探头计数率取对数值累加送DN单元，时间累加送T单元，然后判断皮带料尾是否过去。设过，重复上述工作，过去，则计算出皮带走过的距离，接着重新执行一遍在皮带空时的P1，FA、DN、T四参量，最后根据前述的方程组计算负载的斜率和截距，送入计算机的相应的b和a单元，到此批量定标程序结束，随之定标过程也完全结束。

附图7中，FA：测速传感器频率累加值

DN：物料探头计数率取对数累加值

A：测速传感器的斜率，键盘输入

n：质量探头来的计数脉冲数，由计数器提供

f：测过传感器来的脉冲频率，由计数器提供

p：预知的皮带总重，键盘输入

DNF：对质量探头计数率取对数与测速传感器频率乘积的积分值

T：时间累加值

b：负载斜率

a：负载截距

s：皮带走过的距离

数字率表：在模拟电路中率表是单位时间内脉冲数目（计数率）的电路传统方法是采用泵电路，借此把脉冲信号转变成直流电流，然后用电表指示出来，它的缺点是对脉冲的幅度及宽度都有严格要求，这样往往由脉冲幅度或宽度差异产生较大误差，同时计数率并没有直接参加运算，增加了中间环节F，L变换，这又给测量带来误差，增大了反应时间，使仪表响应时间变慢，本发明则是用计算机的软件功能设计了数字率表，附图8是数字率表的程序流程图，在本发明中，在硬件上采用了可编程的正/负边沿触发计数器，使得对信号脉宽不受限制，保障了脉冲取值的准确性;同时在软件上采取了模拟泵电路的原理将采集的脉冲进行滤波得到 较为稳定的平均计数率并通过数字形式显示出来。其处理方法是每1秒钟从可编程边沿触发计数器中取出脉冲数，送往预先开辟好的内存区域，这个区域是根据用户现场需要的反应时间选择大小，其形式是先进先出的队列形式。将此内存区的存数求平均， = (L)/(M) $\underset{\mathrm{j\; =\; 1}}{\overset{m}{\Sigma }}\mathrm{x\; (t\; j)}$得出最近一段时间内的平均计数率，送入 N供显示和计算用，从而完成率表工作。

附图8中：

As脉冲计数率采集区基址，计算机内部设置

M：采集计数率数目（采集区长度，反应时间）键盘输入1-100S

A（i）：实采的第i个计数率i＝1、2、3……M

t：采取的当前时间单位：秒Ac：当前采集地址

自动和半自动校零：核子秤探头安装在现场，由于环境、温度机械震动、强电磁场等原因，很可能使得仪表探头运行状态发生变化，影响测量精度，主要反映为负载零点飘移，为了克服这一影响，我们在软件上增加了自动和半自动校零处理，根据公式L＝ (Ln-a)/(b) 其中：L为皮带负载，a为截距，b为斜率，当L＝0时，a＝1nn。校零就是重新计算一次截距。

（1）.自动校零处理

当Z＝2时，主机进入自动校零状态。

附图9是自动校零程序流程图，计算机根据负载量变化，判断出皮带有无负载的空状态，自动进行校零处理，当皮带实际负载L小于LMIN值时就进行校零处理并显示L为零，将计算出的LnN存入a单位。否则执行其它程序。

其中LMIN为皮带负载最小值，在运行前由键盘输入（单位Kg/M）

（2）.半自动校零处理：当皮带空运行时键入Z＝0进行半自动校零、附图10是半自动校零处理程序流程图，半自动校零与自动校零不同点在于这种方法每次校零是由人来干预的，而且校零时皮带必须运转，同时还要键入皮带长度，用皮带速度和皮带长度计算出所需的时间，这样是为了计算出皮带转一圈的平均零点 存入a单元，使零点处理更加准确。

附图10中，PL：皮带转一圈的长度

TL：皮带转一圈的时间

T：校零运行时间

b：负载截距

Z：校零方式字Z-1不校零

附图说明