關于輻射環境自動監測空氣采樣器現場標定裝置的研究

鈕云龍，楊維耿，楊江，鄧璐妍

(1.浙江省輻射環境監測站/浙江省輻射環境安全監測重點實驗室，杭州 310012；2.浙江大學，杭州 310012)

從“十五”開始一直到“十二五”，國家均對輻射環境監測工作給予大力支持，目前已建成和運行的161個輻射環境空氣自動監測站，僅中央財政已投入8億元。“十三五”期間，全國擬再新建300多個大氣輻射環境自動監測站，建成后將形成覆蓋全國各設區市的輻射自動監測網絡。2015年12月21日，原環境保護部(國家核安全局)正式對公眾發布放射性監測數據，并對我國現有監測系統提出了更高的準確度要求。而目前國內缺少符合輻射環境空氣采樣器流量現場標定要求的設備，國際市場上現有的氣體流量檢測儀器(如：YK-LWQ氣體渦輪流量計，CalTrak®350氣體流量標定儀等)不能滿足大流量采樣器(600～900m3/hr)的計量要求，不能對現場運行的輻射環境空氣采樣器有關參數測量精度進行合理評估。在全國輻射監測工作會議上，各省輻射環境監測站的技術人員對現有大流量采樣器及超大流量采樣器的校準問題多次提出要求。面對國內輻射監測領域的迫切需求，浙江省輻射環境監測站(生態環境部輻射環境監測技術中心)聯合浙江大學控制科學與工程學院，利用浙江大學在自動控制和軟件開發方面的優勢，研究了一套便捷、可行、合理的不需要實驗室條件的標定裝置，使超大流量采樣器的空氣流量精度能達到±2%，以保證監測數據準確可靠。

1 技術背景

空氣流量的計量精度直接影響核素濃度的檢測精度。空氣采樣器流量現場標定設備不僅可以檢驗空氣采樣器運行時的空氣采樣精度，而且還可以記錄其偏差，通過軟件補償，提高空氣采樣器的空氣計量精度。

對于空氣采樣器的流量標定，國際標準《用比托管測量煙道氣流量》(ISO 10780—1994)規定，用指定規格的比托管插入煙道，進行多點重復測試(大于16點)，然后求取平均值。該方法的缺點是標定過程復雜、時間慢，且對氣體的起始速度有一定的要求，精度較低；國家標準《大氣采樣器型式評價大綱》(JJF1404—2013)和《大氣采樣器檢定規程》(JJG956—2013)中的標定方法為，用量程為0～6L/min、精度等級為±1%的皂膜流量計對大氣采樣器的流量進行標定；用溫度計、壓力計獲得溫度和壓力的測量值，實現溫壓補償；用計時器完成累積量的統計，并與大氣采樣器的指示值進行對比。由于皂膜流量的計量范圍較小，不符合目前輻射環境空氣采樣器大流量(最大900m3/hr)的要求，而且皂膜流量需要人工讀取液位，難以實現自動化的數據采樣功能，標定過程中需要人工操作多個儀器，存在人為讀數誤差、過程復雜、時間慢等缺點，該方法可以用于大氣采樣器生產單位的生產標定，但不適合于大氣采樣器在現場運行時的標定。

2 方案設計

本文論述的輻射環境空氣采樣器流量現場標定的技術方案為：采用現場實流標定的方式，在輻射環境空氣采樣器的排氣口連接溫度、壓力傳感器和羅茨流量傳感器，分別獲得溫度、壓力、工況體積流量。由于羅茨流量傳感器采用體積式計量方式，具有精度高、測量快速等優點。

標定裝置主要由渦輪流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、信號采集模塊、鋰電池、RS485通信總線、帶電阻觸摸屏和TFT顯示器的信號計算模塊等組成。

上述3個測量信號進入后續的信號處理模塊，根據物理學上的理想氣體狀態方程，對工況流量進行溫度、壓力的初步補償。而實際的空氣并非理想氣體，因此還需要用空氣的壓縮因子做進一步的補償，從而得到標況流量和標況累積量，作為現場的標準信號。

圖1 氣體流量標定系統的應用示意圖

圖2 標定系統的硬件組成框圖

標定工作過程為：信號采集模塊就地采樣溫度、壓力、流量傳感器的輸出信號，通過RS485總線發送到信號計算模塊，計算模塊完成流量計量、溫壓補償、啟停操作、誤差計算及結果顯示等功能。

3 信號處理

信號處理控制單元以32位嵌入式微處理器STM32F103RD為核心，通過通信單元連接信號檢測電路，獲取流量、溫度、壓力信號，并對這流量信號進行溫度與壓力補償計算。根據物理學上的氣體狀態方程，對工況流量進行溫度與壓力補償，從而得到標況流量和標況累積量。具體計算過程為：

其中，Qm(i)為第i個采樣周期內的工況瞬時流量；T為采樣間隔時間，單位為秒；N是T秒時間內流量傳感器發出的脈沖個數，用定時器記錄；K是羅茨流量傳感器固有的流量系數，由傳感器廠家提供。

溫度Temp(℃)為：

Temp=Kt×Tad-Bt

其中，Kt是溫度計算的放大系數，Bt是溫度計算的偏置系數，這兩個系數通過實際的溫度標定環節得到；Tad為溫度傳感器的采樣值。

壓力Press(kPa)為：

Press=Kp×Pad-Bp

其中，Kp是壓力計算的放大系數，Bp是壓力計算的偏置系數，這兩個系數通過實際的壓力標定環節得到；Pad為溫度傳感器的采樣值。

工況累積流量psum(i)(m3)為：

Psum(i)=Psum(i-1)+Qm(i)×3600

其中，Psum(i)為第i個采樣周期的工況累積流量，Psum(i-1)為第i-1個采樣周期的工況累積流量，Qm(i)是i個采樣周期內的瞬時流量。

溫度與壓力的補償因子Cv為：

標況瞬時流量Qo(i)(Nm3/hr)為：

Qo(i)=Fz×Cv×Qm(i)

標況累積流量Sum(i)(Nm3)為：

Sum(i)=Sum(i-1)+Qo(i)×3600

其中，Fz是空氣壓縮因子，根據溫度和壓力的測量值，查表1得到；Sum(i)是第i個采樣周期的標況累積流量；Sum(i-1)是第i-1個采樣周期的標況累積流量；Qo(i)是第i個采樣周期內的標況瞬時流量。

信號處理控制單元具有接收觸摸屏上的用戶按鍵命令，控制標定裝置的啟停、參數設置以及結果查詢等功能。通過在觸摸屏上輸入采樣器自身產生的測量數據，與信號處理控制單元處理得到信號進行比較，確定采樣器流量參數的檢測精度，從而完成空氣流量的標定工作。

4 標定裝置的精度

該標定裝置經浙江省計量科學研究院核準(RN-2016094455)，最大誤差0.8%，計量精度為1.0% 。

5 現場測試

上述標定裝置在杭州丁橋輻射環境自動監測站和上海普陀輻射環境自動監測站進行了現場測試，測定瞬時工況流量，標定數據見表2和表3。

表1 空氣壓縮因子(Fz)數據表

表2 杭州丁橋輻射環境自動監測站測試結果

表3 上海普陀輻射環境自動監測站測試結果

圖3 杭州丁橋站測試數據得到的校正數據圖

圖4 上海普陀站測試數據得到的校正數據圖

6 結果分析

根據表2中采樣器的測量顯示值和標定裝置的裝置顯示值數據，數據擬合后，杭州丁橋站采樣器流量校正曲線見圖3。由圖可見，該采樣器的流量測量精度在-1.65%～0.16%，符合±2%的精度要求。

根據表3中采樣器的測量顯示值和標定裝置的裝置顯示值數據，數據擬合后，上海普陀采樣器流量校正曲線見圖4。由圖可見，該采樣器的流量測量誤差在0.45%～1.65% ，符合±2%的精度要求。