燃料生坯密度測(cè)量系統(tǒng)研制

彭俊超，秦東興，李光旭

（成都信息工程大學(xué) 控制工程學(xué)院，成都 610225）

0 引言

核燃料生坯的生產(chǎn)是作為民用核材料產(chǎn)業(yè)中重要的一環(huán)。提高核燃料生坯生產(chǎn)的良品率與效率十分重要。因此，精確并快速地測(cè)量燃料生坯密度對(duì)于生坯的生產(chǎn)具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW與ARM的生坯密度測(cè)量系統(tǒng)，以PC機(jī)和ARM處理器構(gòu)成上下位機(jī)測(cè)量結(jié)構(gòu)，利用激光掃描測(cè)量技術(shù)、精確的重量測(cè)量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，同步實(shí)現(xiàn)在測(cè)量工位上對(duì)生坯重量的精確測(cè)量和通過(guò)非接觸方式實(shí)現(xiàn)對(duì)生坯高度的精確測(cè)量。然后，對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算出生坯的密度，并以圖形化的方式顯示數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、分析處理、打印。在生產(chǎn)應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠在保證測(cè)量精度地同時(shí)，大幅提高生坯密度檢測(cè)的效率和數(shù)據(jù)管理水平。

1 工作原理與總體結(jié)構(gòu)

1.1 生坯密度計(jì)算原理

燃料生坯為圓柱體形狀，中間包含空腔體積，如圖1所示。

生坯密度的計(jì)算公式：

圖1 燃料生坯簡(jiǎn)圖

式中，ρ代表生坯密度，M代表生坯重量，V代表生坯等效實(shí)心圓柱體（無(wú)空腔）體積，VV代表生坯內(nèi)倒角、蝶形等空腔部分產(chǎn)生體積的總和，通常為常數(shù)。

1.2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)燃料生坯實(shí)際生產(chǎn)的需求，本文以ARM處理器為下位機(jī)、PC機(jī)為上位機(jī)，基于LabVIEW編寫(xiě)上位機(jī)軟件，通過(guò)RS232通信總線與ARM實(shí)現(xiàn)串行通信過(guò)程，控制重量測(cè)量傳感器與激光掃描傳感器精確地測(cè)量生坯高度、重量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，得到生坯精確的密度數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。整個(gè)測(cè)量過(guò)程高效、便捷、人性化。操作人員可通過(guò)上位機(jī)對(duì)已獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如查詢、統(tǒng)計(jì)、打印等。

生坯密度測(cè)量?jī)x總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要包括測(cè)量系統(tǒng)、通信顯示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)采用精確的重量測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)在測(cè)量工位上對(duì)生坯重量的精確測(cè)量，同時(shí)利用先進(jìn)的激光掃描測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)非接觸方式的生坯高度精確測(cè)量。以帶顯示屏的ARM控制板為通信顯示系統(tǒng)主體，實(shí)時(shí)顯示獲取的高度與重量信息并發(fā)送至上位機(jī)。

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)以PC上位機(jī)為主體，主要功能包括采集生坯重量、高度數(shù)據(jù)，結(jié)合輸入?yún)?shù)計(jì)算生坯密度，與ARM顯示器同步顯示當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存至本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)已存數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)、修改、刪除，以表格、圖形等方式顯示并打印等功能。

圖2 生坯密度測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)示意圖

2 件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量模塊主要由電子天平及激光掃描儀組成，電子天平固定在水平工作臺(tái)上，通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺絲和電子天平水平儀實(shí)現(xiàn)電子天平水平。電子天平采用梅特勒托利多ME104E分析天平，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 梅特勒托利多ME104E分析天平參數(shù)

考慮到測(cè)量生坯高度時(shí)，生坯外形等效為圓柱體，但由于生坯的特殊性質(zhì)，其表面容易因外力脫落粉狀放射性物質(zhì)，操作人員不可直接用手接觸，為保證測(cè)量數(shù)據(jù)精度達(dá)到所需要求，本文中選用高精度的激光掃描儀實(shí)現(xiàn)非接觸式高度測(cè)量。測(cè)量激光掃描儀通過(guò)調(diào)整支架固定在工作臺(tái)上，調(diào)整支架可以獨(dú)立調(diào)整激光掃描儀位置，使之與電子天平秤盤(pán)保持水平位置。

激光掃描儀采用基恩士測(cè)量傳感器TM-040，基本參數(shù)如表2所示。

表2 激光掃描傳感器TM-040基本參數(shù)

2.2 通信顯示系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信模塊以帶顯示功能的ARM 處理器為主，通信流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)通信流程

生坯密度測(cè)量系統(tǒng)采取分布式上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)選用高穩(wěn)定性PC機(jī)，下位機(jī)采用ARM控制板開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，兩者之間通過(guò)RS232總線進(jìn)行通信。同時(shí)ARM控制板通過(guò)RS232總線接收電子天平與激光掃描儀獲取到的重量、高度數(shù)據(jù)，并將上述數(shù)據(jù)分別發(fā)送至上位機(jī)。若上位機(jī)處于離線狀態(tài)時(shí)，ARM控制板將自主獲取傳感器數(shù)據(jù)并顯示到LCD顯示屏。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

本文的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)以上位機(jī)為主體。上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送測(cè)量指令到下位機(jī)，下位機(jī)獲取當(dāng)前時(shí)刻電子天平測(cè)量的重量數(shù)據(jù)，激光掃描儀測(cè)量的高度數(shù)據(jù)后在LCD顯示屏中實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)數(shù)據(jù)回傳到上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，獲得密度數(shù)據(jù)并判斷是否符合生產(chǎn)指標(biāo)，若滿足所需要求，自動(dòng)將生坯密度數(shù)據(jù)以及批號(hào)、測(cè)量時(shí)間等信息融合上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)。上位機(jī)還具有對(duì)已存數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)、修改、打印等功能。

系統(tǒng)各部分的連接圖如圖4所示，傳感部件的通信選用RS232通信方式，對(duì)應(yīng)波特率為9600，高度數(shù)據(jù)與重量數(shù)據(jù)分別以8位數(shù)據(jù)位加停止位上傳，輸出數(shù)據(jù)格式為ASCII碼。

圖4 數(shù)據(jù)采集接線圖

3 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用LabVIEW2009開(kāi)發(fā)。LabVIEW是一種圖形化編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境，功能強(qiáng)大靈活，有豐富的界面控件與信號(hào)處理模塊、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、VISA通信模塊等，適用于作為測(cè)量與控制儀器或系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。測(cè)量軟件的模塊組成如圖5所示。

圖5 測(cè)量軟件功能模塊構(gòu)成

3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)置

為增加程序的靈活性，初次打開(kāi)程序后，需要對(duì)軟件進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，包括選擇ARM控制板通信端口以及打印機(jī)的端口；輸入訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)需要的身份信息，并測(cè)試是否與數(shù)據(jù)庫(kù)成功連接。設(shè)置成功后，程序?qū)⒆詣?dòng)保存設(shè)置參數(shù)。

3.2 生坯測(cè)量參數(shù)設(shè)定

計(jì)算生坯密度時(shí)需要人工輸入測(cè)量參數(shù)，所以軟件需要錄入如生坯外直徑，空腔體積，以及設(shè)定生坯合格高度、密度的上下限等參數(shù)，同時(shí)設(shè)定所測(cè)生坯的批次，舟號(hào)，每舟測(cè)量數(shù)量等。為滿足企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量檢測(cè)要求，軟件需要操作人員登錄個(gè)人帳號(hào)、班次等信息并保存。

3.3 測(cè)量數(shù)據(jù)

操作人員點(diǎn)擊界面中“測(cè)量”按鈕，軟件將發(fā)送測(cè)量指令到下位機(jī)，獲取該時(shí)刻生坯重量數(shù)據(jù)和高度數(shù)據(jù)，并根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)與設(shè)定的參數(shù)計(jì)算出生坯密度，連同批次、舟號(hào)、日期、時(shí)間等信息一同顯示到表格。若生坯密度屬于合格范圍內(nèi)，程序自動(dòng)將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中。測(cè)量數(shù)據(jù)界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)測(cè)量軟件操作界面

3.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用微軟SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，LabVIEW基于配置ODBC方法讀寫(xiě)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)。操作人員可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)、修改、刪除、統(tǒng)計(jì)等操作。統(tǒng)計(jì)功能與查詢界面如圖7和圖8所示。

圖7 測(cè)量軟件的統(tǒng)計(jì)界面

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圖8 測(cè)量軟件的查詢界面

4 結(jié)論

本文介紹了一種核燃料生坯密度測(cè)量系統(tǒng)的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法，并分別從硬件和軟件部分介紹了整個(gè)系統(tǒng)。系統(tǒng)以PC與ARM處理器構(gòu)成上下測(cè)量結(jié)構(gòu)，通過(guò)RS232通信方式連接上、下位機(jī)以及測(cè)量傳感器接收命令與數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠可拓展。測(cè)量軟件上基于LabVIEW開(kāi)發(fā)，界面友好，易于使用。系統(tǒng)可以有效地提高生坯密度檢測(cè)效率和數(shù)據(jù)管理效率，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

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