放射性空氣采樣器設(shè)計

胡 勁，田海燕，王新科

（1.綿陽市維博電子有限責(zé)任公司，綿陽 621000；2.中國兵器裝備集團自動化研究所，綿陽 621000）

0 引言

大氣放射性核素的監(jiān)測是環(huán)境及核事故情況下放射性監(jiān)測的一個重要方法，在大氣放射性核素檢測中，獲得連續(xù)地具有代表意義的樣品，是取得準確數(shù)據(jù)和可靠結(jié)論的前提與基礎(chǔ)。放射性空氣采樣器用來收集被污染空氣中的放射性氣溶膠、粉塵、碘和其他化合物，以進行放射性物質(zhì)的濃度測定和核素分析，可用于環(huán)保、涉核行業(yè)廠區(qū)的環(huán)境低本底輻射監(jiān)測以及核爆現(xiàn)場空氣的采集取樣。

不同于目前應(yīng)用的小型空氣采樣器流量低、采樣速度慢，和大流量空氣采樣器的移動不便，本文介紹的是一種便攜式、大流量的放射性空氣采樣器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)組成圖

放射性空氣采樣器是由氣體采樣回路、電氣控制單元和嵌入式控制軟件三部分組成。氣體取樣回路包括采樣頭、氣體流量計和風(fēng)機組合，電氣控制單元包括主控制板、電源管理模塊、顯示屏、環(huán)境監(jiān)測模塊和按鍵，嵌入式控制軟件由初始化自檢模塊、環(huán)境信息處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、按鍵掃描模塊、風(fēng)機控制模塊和流量計信息處理模塊組成。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 氣體采樣回路設(shè)計

氣體采樣回路用于將空氣中的放射性氣溶膠、粉塵、碘和其他化合物過濾到采樣頭的濾材上，濾材就是采樣所獲得的樣品，取下樣品即可進行放射性測量或核素分析。

圖2 氣體采樣回路示意圖

本設(shè)備設(shè)計的采樣頭分為Φ50mm圓形采樣頭、Φ100mm圓形采樣頭和250mm×200mm方形采樣頭，用戶可根據(jù)需要進行選配，Φ100mm圓形采樣頭和250mm×200mm方形采樣頭裝載的濾材為取樣濾膜，用于吸附空氣中的氣溶膠，Φ50mm圓形采樣頭除了裝載濾膜外，還可裝載放射性碘盒，用于吸附空氣中的放射性碘。

氣體流量計用于對氣路中經(jīng)過的氣體進行瞬時流量檢測和累積體積換算，并將信號傳輸至電氣控制單元。本設(shè)計中選用質(zhì)量型氣體流量計，核心采用MEMS傳感器利用熱力學(xué)原理對管道中的氣體進行檢測，具有很好的精度與重復(fù)性，并在內(nèi)部置有溫度傳感器，進行溫度補償校準。

風(fēng)機組合是由無刷電機與葉輪組成，無刷電機電氣控制單元的模擬調(diào)速信號，帶動葉輪進行抽氣，外部氣體通過前端采樣頭后，空氣中的放射性物質(zhì)被采樣頭中的濾材吸附后，氣體經(jīng)氣流通道，通過氣體流量計，最后由葉輪排出，整個氣路循環(huán)系統(tǒng)整體進行密封性設(shè)計。電機內(nèi)含溫度偵測元件，可以預(yù)防過負載使用，保護電機過熱。

2.2 電氣控制單元設(shè)計

圖3 電氣控制單元示意圖

在電氣控制單元中，電源管理模塊將外部交流220V電源轉(zhuǎn)化為直流電源，供其他模塊使用；環(huán)境檢測模塊探測周圍環(huán)境參數(shù)（環(huán)境溫度、濕度和大氣壓力以及氣路管道中的壓力），輸入給主控制板；顯示屏作為采樣器的顯示輸出設(shè)備，顯示環(huán)境參數(shù)、瞬時流量、累計流量、采樣時間、采樣模式等信息；按鍵作為采樣器的標準輸入設(shè)備，完成各種參數(shù)設(shè)置；主控制板接受并讀取各種信息，輸出模擬電壓控制風(fēng)機組合的轉(zhuǎn)速，并設(shè)計有時鐘電路和存儲電路，用于采樣計時和信息存儲。

在設(shè)定大流量采樣時，采樣頭進氣口氣流速度較快，在高速氣流的沖擊下，取樣濾膜容易發(fā)生破裂或損壞；而當空氣中顆粒物污染嚴重時，連續(xù)的大流量空氣采樣會使濾膜和碘盒堵塞，最后導(dǎo)致濾材失效和電機保護性停機，從而影響采樣效果。為了防止這兩種情況導(dǎo)致設(shè)備損壞，設(shè)備采用多傳感器融合監(jiān)測技術(shù)，運用閉環(huán)控制的方式，在開始大流量采樣工作時，主控制板通過電機驅(qū)動電路輸出最小啟動值，并開始讀取氣體流量計的瞬時流量信號，與設(shè)定的流量做比較，判斷是否達到設(shè)定的流量數(shù)值，如果讀取的瞬時流量值與設(shè)定值有偏差，則對輸出電壓參數(shù)進行調(diào)整，逐漸逼近直至達到設(shè)定流量值才結(jié)束。主控制板同時還監(jiān)控管道內(nèi)壓力信號和電機過熱報警信號，一旦管道內(nèi)壓力異常或電機過熱，主控制板立即會停止對電機的信號輸出，并發(fā)出故障報警。

圖4 電機調(diào)速流程圖

2.3 嵌入式控制軟件設(shè)計

放射性空氣采樣器嵌入式控制軟件基于TI公司的MSP430F5659MCU內(nèi)核而寫，編程語言為C語言，編譯環(huán)境為IAR Embedded Workbench，開發(fā)工具為MSPFET430UIF。在軟件設(shè)計編寫時采用模塊化設(shè)計，盡量減少器件變化造成對其他部分的影響。

初始化自檢模塊用于設(shè)備的初始化和自檢操作。環(huán)境信息處理模塊用于讀取環(huán)境溫度、濕度和大氣壓力以及氣路管道中的壓力。數(shù)據(jù)處理模塊是嵌入式控制軟件的核心模塊，它用于設(shè)置測取樣器的各類參數(shù)，包括采樣時間與流量等，讀取傳感器和流量計數(shù)據(jù)信息，通過模擬輸出實現(xiàn)對風(fēng)機的運行控制，同時在設(shè)備運行過程中，能夠?qū)?shù)據(jù)進行監(jiān)測、分析和顯示，使監(jiān)測人員可以隨時掌握采取樣器的工作狀態(tài)。按鍵掃描模塊用于按鍵和主控制板之間的信號輸入，從而實現(xiàn)對采樣器的輸入功能。風(fēng)機控制模塊實現(xiàn)對風(fēng)機組合運行、調(diào)速和停止功能。流量計信息處理模塊主要用于對氣體流量計的數(shù)據(jù)采集功能。

放射性空氣采樣器嵌入式控制軟件的工作流程如圖5所示。

圖5 軟件工作流程圖

3 結(jié)束語

設(shè)計了一種便攜式、大流量的放射性空氣采樣器，對空氣采樣過程中流量率可調(diào)，具有溫度、氣壓補償功能，可間斷使用、循環(huán)使用或連續(xù)使用，設(shè)備具有操作簡單、反應(yīng)靈敏、工作迅速、體積緊湊、重量輕、維護成本低等優(yōu)點，得到使用人員的好評。

圖6 放射性空氣采樣器實物圖

該設(shè)備在成都中國測試技術(shù)研究院進行了氣體流量性能的測試，其測試結(jié)果表明該設(shè)備的流量性能高于國內(nèi)外同類型產(chǎn)品。

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