本发明属于物理领域涉及一种粒子辐射计量设备，用于重量或质量测量。 本发明是发明专利“射线测厚方法和射线数字厚度计”的分案
申请号87104383
申请日87.6.25
本发明利用射线透过传送皮带及被测物料时，射线随皮带载荷（单位皮带长度上物料的重量）变化的规律，测出皮带载荷，用测长度传感器测出皮带运行长度，（或测速传感器测出皮带速度后对时间积分得到长度）经二次仪表计算，得到传送的总重量。
这种方法也适于管道内输送的物料重量计量。
目前，核子秤的二次仪表有二种方法构成：
1、模拟式核子秤：探测器输出的电信号，通过前置放大器放大并转变成电压信号，该信号经过对数放大器完成载荷的读数线性化，再由乘法器进行与速度传感器输出的电压信号相乘得到质量（重量）流信号，最后由积分器将重量流对时间积分得到总重量。
美国专利3，541，332Patented 17，1970。就是这种电路，这种电路的缺点是由于对数放大器的特性不能很好地拟合物料的吸收曲线，并且稳定性差，使得这种核子秤精度低、稳定性差。
2、微机核子秤：利用A/D变换器将探测器及前置放大器的输出电压信号及速度传感器输出的电压信号进行A/D变换得到数字信号，完成数字化，或者把探测器的信号变成脉冲信号输入计算机，由计算机完成载荷线性化，进行载荷和速度相乘得到重量流，再对时间积分得到传送总重量。
美国Kay-Ray公司生产的MODEL6000X核子秤以及Isotopenpraxis.Bd.17.H.8/9介绍的Radiometrische BandWaage mit Rechnerschaltkreis Zur Signalaufber-eitung（M.claser）就是这种核子秤。
本发明的目的在于提供一种A/D变换器完成载荷的线性化及数字化，并通过传送带运行长度的测量，得到单位长度脉冲，例如米脉冲。每个米脉冲使得载荷在累加计数器上累加一次，累加计数器地总计数就代表了传送的总重量。
本发明既改进了模拟式核子秤精度差、稳定性较差的缺点又具有电路简单、价格便宜、使用及检修方便、能在恶劣环境中（例如矿井中）工作的优点。
本发明的要点是提供一种变换器，这种变换器输出的BCD代码与输入的模拟电压的关系在要求的误差范围内和皮带载荷值与探测器输出信号的关系曲线一致。此时变换器的输出代码也就代表了传送带的载荷。
同位素放出的γ射线，在穿过物料时，放射性强度N和传送带载荷P的关系为
N（P）＝N0e-kp（1）
N0为无物料时探测器接收的放射性强度，粒子数/秒。
N（P）为载荷为P时探测器接收的放射性强度，粒子数/秒。
K为物料的吸收系数，m/kg。
P为皮带载荷，kg/m
探测器的输出信号经放大器放大后的输出电压V与传送带载荷的关系为
V（P）＝Voe-kp（2）
Vo为传送带上无物料时放大器输出电压，伏。
V（P）为载荷为P时放大器输出电压，伏。
P＝ 1/(K) In (Vo)/(V≒）) （3）
核子秤使用的γ源通常是中能γ源，能量为Mev量级。中能γ射线与物质相互作用主要是康普顿效应，初级光子和核外电子作用后产生次级光子，因此有积累效应，透过物料的γ射线与皮带载荷的关系与指数规律有偏差
V（P）＝V0e-kpB（KP） （4）
B（Kp）为积累因子，大于1。
P＝ 1/(K) In (VoB（KP）)/(V（P）) ＝ 1/(K) In (Vo)/(V（P）) + 1/(K) InB（KP） （5）
附图2中的曲线1为窄束γ射线也就是积累因子B（KP）＝1时的吸收曲线。曲线2是积累因子大于1时的吸收曲线。
实现皮带载荷的数字化与线性化也就是设计一种变换器，这种变换器的数字输出信号能够拟合曲线1和曲线2。在量程范围内其偏差满足精度要求。
以下将结合例图对发明作进一步详细描述
图1 为核子皮带秤原理图
图2 为γ射线的吸收曲线（静电计输出电压与皮带载荷的关系曲线）
图3 为双积分A/D变换器积分器的输出波形
图1 电路单元说明：
[1]放射源 [2]探测器
[3]静电计 [4]比值对数A/D变换器
[5]、[6]积分时间常数调节电路
[7]测速传感器 [8]米脉冲发生器
[9]控制电路 [10]累计计数器
图2曲线1为窄束γ射线吸收曲线（积累因子B（KP）＝1）。
图2曲线2为积累因子B（KP）＞1时，γ射线的吸收曲线。
图2曲线3为以三段折线（二个折点）拟合曲线2的示意曲线。
图3a双积分A/D变换器的积分器输出波形。
图3b比值对数A/D变换器的积分器输出波形。
本设备包括放射源[1]、探测器[2]、静电计[3]、双积分比值对数A/D变换器[4]、积分时间常数调节电路[5]、[6]、测速传感器[7]、米脉冲发生器[8]、控制电路[9]、累计计数器[10]。
一般的双积分式的A/D变换器是线性变换器。其积分器的输出波形如图3a。T0为自校零周期，T1为对输入信号积分周期，T2为对参考电压反向积分周期。积分器的输出电压过0时得到的时钟脉冲数就是输入电压值
V1n＝T′2·f·v （6）
f为时钟频率，T′2为对参考电压的反向积分时间，v为每个脉冲代表的电压值。
如果在积分电容Cint上并一个电阻Rp，在输入端InLo，RefHi和RefLo之间并联电阻R1和R2。积分器的输出波形如图3b。
我们定义：
τ＝CintRp（7）
k＝ (R2)/(R1+R2) （8）
如果将V0输入InHi输入端，V1输入InLo输入端。则参考电压
VRef＝kV1（9）
对输入电压积分完成时，积分器的输出电压
Vint（T1）＝（Vo-V1） (RP)/(Rint) （1-e-Ti/τ） （10）
对参考电压反向积分的最大幅度为
｜Vmax｜＝Vint（T1）+VRef(RP)/(Rint) （11）
Vint（T）＝[Vint（T1）+VRef(RP)/(Rint) ]e-Ti/τ-VRef(RP)/(Rint) （12）
当Vint（T）＝0时，完成反向积分周期，得到T′2。
[Vint（T1）+VRef(RP)/(Rint) ]e-T′/τ＝VRef(RP)/(Rint) （13）
将（9），（10）代入（13）得到
T2′=τIn(V0-V1)RpRint(1-e-T/τ)+kV1RpRintkV1RpRint---(14)]]>
选择k＝（1-（15）
则T′2＝τIn (VO)/(V1) （16）
如果时钟频率为f，n表示显示器的脉冲计数则
T′2＝ (n)/(f) （17）
代入（16）式
n＝fτIn (VO)/(V1) （18）
由（3）式
P＝ 1/(K) In (VO)/(VP) （3）
把传送带上无物料时放大器的输出电压Vo输入双积分A/D变换器的InHi端，把载荷为P时的放大器输出电压Vp作为V1输入双分变换器的InLo端。选择每个计数代表的载荷值p＝P/n，（3）式可改写为
n＝ 1/(Kp) In (VO)/(VP) （19）
（18）和（19）二式相等，则
fτ＝ 1/(Kp)
τ＝ 1/(fpK) （20）
k＝（1-） （21）
对图1，[4]形式的电路，只要按（20）和（21）二个公式选择电路参数，就可以做成积累因子B（KP）＝1的载荷测量电路。
附图1中电压比较器及相连的电阻R3、R4及电子开关Ke1、Ke2构成的积分时间常数调节电路[5]、[6]是用来改变时间常数的。也就是改变公式（20）中的τ值的。
核子秤一般使用中能γ源，必须考虑积累因子B（KP），否则将给出较大的误差。附图2中的曲?是积累因子大于1时的吸收曲线。
这种情况我们可以用几段折线来拟合曲线2，如图2中的曲线3。首先我们根据a线段选择一等效的K1求出电阻R，当电容C充电到Vc＝U＊1时，电压比较器[5]翻转，电子开关Ke1接通，将R3并联在R上。（R3和R的并联电阻值由b线段的斜率，也就是等效的K2决定。）此时电容C充电的速度将加快。同样当Vc＝U＊2时，电压比较器[6]翻转，电子开关Ke2接通，将R4并联于R3和R上。（R3、R4和R的并联值由C线段的斜率，也就是等效的K3决定。）此时电容C将以更快的速度充电。
折线数目由测量范围和要求的误差决定。并联电阻的阻值由折线的斜率决定，折点的位置由吸收曲线的形状和误差要求决定。
这样，用几段折线拟合了有积累效应的吸收曲线。
把本发明中的变换器的变换结果送微机处理，也有很多优点：
1.较同样位数的线性A/D变换器便宜一至几倍。
2.变换结果已进行了对数比运算，微机不需要再进行对数运算，大大地减少了微机处理数据的时间。这一点对单板机和单片机是很重要的。
3.减少了内存的容量。
实施例：
由清华大学核能技术研究所研制生产的QNW-2型核子皮带秤，采用光电耦合器连接直径为6.36cm的磨擦轮，磨擦轮旋转一周为20cm，给出二个光电脉冲，米脉冲发生器为10进位计数器，即皮带运行1米产生一个光脉冲。
用100mc的Cs137γ源，K＝7.3×10-3米/公斤，每个P/n代表1公斤，采用7117双积分交换器，f＝40kc/s，Cint＝0.22μf，Rp＝15k，R1＝1M，R2＝1M+82K。