針對(duì)核燃料運(yùn)輸?shù)谋憬輿_擊儀研究

向丘林，趙麗麗

（1.中核建中核燃料元件有限公司，四川　宜賓　644000；2.中國(guó)包裝科研測(cè)試中心，天津　300457）

針對(duì)核燃料運(yùn)輸?shù)谋憬輿_擊儀研究

向丘林1，趙麗麗2

（1.中核建中核燃料元件有限公司，四川宜賓644000；2.中國(guó)包裝科研測(cè)試中心，天津300457）

針對(duì)核燃料運(yùn)輸中的沖擊監(jiān)測(cè)問題，提出了一種低成本、便捷式、準(zhǔn)確度高的監(jiān)測(cè)方式。該沖擊儀利用高集成度的MSP430F4152單片機(jī)和可自動(dòng)捕獲沖擊的新型iMEMS加速度傳感器，配合低功耗的液晶顯示屏即可簡(jiǎn)單有效地充分滿足核燃料運(yùn)輸中對(duì)沖擊監(jiān)測(cè)的需求，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明此便捷沖擊儀的準(zhǔn)確度及精度均可滿足要求。

核燃料運(yùn)輸；沖擊；MSP430F4152；iMEMS傳感器；液晶顯示

1　引言

在核電廠的連續(xù)安全運(yùn)行過程中會(huì)源源不斷地需要新燃料組件，也會(huì)源源不斷地產(chǎn)生核廢料。基于我國(guó)核電廠主要分布在東南沿海，核燃料的生產(chǎn)及核廢料處置庫(kù)位于西部地區(qū)的現(xiàn)實(shí)情況，對(duì)核燃料的安全運(yùn)輸進(jìn)行研究就具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。核燃料的運(yùn)輸安全中，擺在首位的就是要確保核燃料本身的安全，因此在新燃料組件運(yùn)輸前都會(huì)采用特制的核燃料容器比如最常見的CNFC-3G型核燃料容器對(duì)其進(jìn)行盛放，以對(duì)其進(jìn)行緩沖，避免因?yàn)闆_擊或振動(dòng)對(duì)其造成損壞。

目前針對(duì)核燃料運(yùn)輸安全的研究多圍繞運(yùn)輸容器進(jìn)行，對(duì)在運(yùn)輸過程中不同的運(yùn)輸工具、不同的路線、不同的路況下核燃料組件所受到的外部沖擊情況研究較少。在核燃料運(yùn)抵目的地時(shí)，如何快速有效地確認(rèn)核燃料的安全性也是一個(gè)在核燃料運(yùn)輸中的難題。

因此，對(duì)核燃料在運(yùn)輸途中其容器所受的沖擊狀況進(jìn)行研究并進(jìn)行匯總分析，不但有助于核燃料容器的設(shè)計(jì)更新，更有助于我們?cè)谶\(yùn)輸途中有效控制其運(yùn)輸安全及在運(yùn)抵時(shí)快速有效地確認(rèn)其是否收到損壞及其安全性。

2　沖擊儀的硬件電路設(shè)計(jì)

本沖擊儀的硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示，由MCU模塊、加速度傳感器、LCD液晶顯示模塊、UART通信模塊、電源模塊、充電模塊、JTAG仿真接口和按鍵模塊8個(gè)部分組成。

2.1MCU

MSP430F4152是TI公司出品的一款超低功耗的16位精簡(jiǎn)指令集（RISC）混合信號(hào)處理器，此處理器內(nèi)部在時(shí)鐘方面做的很具有特色，采用數(shù)字控制振蕩器（DCO）可以將系統(tǒng)從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間降低至6us。在對(duì)沖擊儀的研究過程中，我們采用這款處理器的主要原因是其自帶96段LCD驅(qū)動(dòng)及其超低功耗的特性。

圖1　沖擊儀硬件框圖

但此處理器也有一個(gè)相對(duì)的弱點(diǎn)就是其內(nèi)置Flash存儲(chǔ)器的容量較小只有4KB的程序存儲(chǔ)區(qū)和256B的信息存儲(chǔ)區(qū)，此外其內(nèi)部RAM的容量也比較小，只有256B，因此在系統(tǒng)的控制代碼和系統(tǒng)算法的編寫時(shí)我們需要更加謹(jǐn)慎，盡量用更為精簡(jiǎn)的代碼去實(shí)現(xiàn)所需的功能。

2.2加速度傳感器

iMEMS半導(dǎo)體技術(shù)就是利用成熟的半導(dǎo)體工藝和材料，用微米技術(shù)在芯片上制造微型機(jī)械，并將其與電子電路集成在同一顆芯片上，從而大大地降低了整個(gè)系統(tǒng)的尺寸，極大地?cái)U(kuò)展了此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合。

本系統(tǒng)中采用的ADXL345加速度傳感器就是利用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)三軸加速度的測(cè)量產(chǎn)生數(shù)字輸出，配合多種中斷模式從而降低了用戶對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行處理的難度，如圖2所示。

圖2　ADXL345與MCU連接示意圖

需要特別指出的是，ADI的這款加速度傳感器的中斷模式非常多，通過這些中斷模式我們可以很方便地實(shí)現(xiàn)加速度信號(hào)的采集及沖擊事件的判別工作。跟中斷模式相關(guān)的三個(gè)寄存器是中斷使能（INT_ENABLE）、中斷映射（INT_MAP）和中斷源（INT_SOURCE）。這三個(gè)寄存器的位定義見表1，在中斷使能寄存器中，置位表示此項(xiàng)中斷功能使能；在中斷映射寄存器中，置位表示此項(xiàng)功能映射至INT2管腳；而在中斷源寄存器中，置位表示此項(xiàng)中斷被觸發(fā)。

表1　寄存器的位定義

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們主要用到了單擊及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好兩個(gè)功能。我們認(rèn)為一個(gè)沖擊事件會(huì)對(duì)核燃料造成損害，其作用時(shí)間及峰值必定會(huì)超過某一特定的值，并以此為本系統(tǒng)沖擊事件捕獲的一個(gè)依據(jù)。在圖3中我們做了一個(gè)沖擊事件的示意圖。

圖3　沖擊事件示意圖

在圖中我們標(biāo)注了THRESH閾值和T時(shí)間兩個(gè)值，在ADXL345中分別對(duì)應(yīng)了閾值（THRESH_TAP）和持續(xù)時(shí)間（DUR）兩個(gè)寄存器。在兩個(gè)寄存器進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置后，我們使能三軸的沖擊捕獲功能，有符合條件的沖擊事件發(fā)生時(shí)，ADXL345就會(huì)給出單擊事件中斷，我們將此時(shí)的時(shí)間及計(jì)算出的三軸最值和綜合值進(jìn)行保存，此沖擊事件即處理完畢。

若在監(jiān)測(cè)到的沖擊事件多于10個(gè)，我們將按照綜合值進(jìn)行排序并進(jìn)行最大值覆蓋，力爭(zhēng)找到一個(gè)核燃料運(yùn)輸過程中所受到的最大沖擊。

2.3LCD顯示模塊

在本系統(tǒng)中所使用的LCD顯示屏的顯示效果如圖4所示，如在2016年1月14日10：53分所采集到的第2個(gè)沖擊事件，其值為4.50g。沖擊序號(hào)由從0到9的10個(gè)數(shù)字表示。

圖4　LCD顯示示意圖

由于MSP430F4152處理器自帶LCD驅(qū)動(dòng)模塊，因此我們只需要對(duì)LCD模塊的寄存器進(jìn)行配置就可以實(shí)現(xiàn)顯示功能。

其初始化程序如下所示：

將P5端口的1-7號(hào)管腳配置為L(zhǎng)CD功能引腳，并配置LCD_A模塊的刷新頻率為ACLK/128，4MUX模式。將S0-S31引腳使能為L(zhǎng)CD_A模塊功能引腳，清空LCD顯示存儲(chǔ)器，將LCD_A模塊使能。

2.4UART通信模塊

如圖5所示的RS232電平轉(zhuǎn)換示意圖所示，本系統(tǒng)中并未采用MAX232等常規(guī)的RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，還是采用三極管、二極管、電阻和電容搭建的轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證此電路同樣可以達(dá)到穩(wěn)定進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的效果。

3　沖擊儀軟件設(shè)計(jì)

考慮到核燃料運(yùn)輸監(jiān)測(cè)的特殊性，我們?cè)谧銮度胧杰浖O(shè)計(jì)時(shí)對(duì)參數(shù)的設(shè)置和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的讀取設(shè)計(jì)了UART端口和按鍵LCD顯示相配合的兩種方式，利用UART進(jìn)行監(jiān)測(cè)參數(shù)的設(shè)置和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的讀取操作邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單，因此在圖6所示的操作流程中不再對(duì)其進(jìn)行表述。

如圖6所示，在利用按鍵和LCD顯示進(jìn)行監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)置和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)讀取時(shí)，為防止無操作權(quán)限的人員也能進(jìn)行操作設(shè)置了密碼輸入界面，只有密碼輸入正確才能對(duì)儀器進(jìn)行進(jìn)一步的操作。

密碼比對(duì)正確后，系統(tǒng)進(jìn)入了設(shè)置菜單、讀數(shù)菜單、擦除菜單、電壓顯示菜單和檢測(cè)菜單五個(gè)同等級(jí)的菜單。點(diǎn)擊相應(yīng)的菜單就可進(jìn)入此菜單進(jìn)行相應(yīng)的操作。

當(dāng)按下關(guān)機(jī)按鍵時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)機(jī)操作。而存儲(chǔ)在系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

圖5　RS232電平轉(zhuǎn)換示意圖

4　數(shù)據(jù)分析

儀器設(shè)計(jì)完成后，我們對(duì)其進(jìn)行了嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和實(shí)際運(yùn)輸使用的測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)，為了使測(cè)試結(jié)果更接近真實(shí)的使用環(huán)境，在測(cè)試時(shí)更側(cè)重于低G值的測(cè)試。在此選取了5臺(tái)儀器進(jìn)行3g、4g和5g測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)列表見表2-表4，并對(duì)此次的測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 6379.2進(jìn)行解析。

表2　5臺(tái)儀器的3g測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6　操作流程示意圖

表3　5臺(tái)儀器的4g測(cè)試數(shù)據(jù)

表4　5臺(tái)儀器的5g測(cè)試數(shù)據(jù)

表5　5臺(tái)儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)平均值

表6　各個(gè)儀器測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差

對(duì)于3.0g，其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量值為：0.298；

對(duì)于4.0g，其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量值為：0.383；

對(duì)于5.0g，其檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量值為：0.354。

由此可見此次測(cè)試沒有歧離值，也沒有離群值。

3.0g、4.0g和5.0g的總平均值、重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差和再現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算結(jié)果見表7。

表7　3.0g、4.0g和5.0g的總平均值、重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差和再現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)差

由此本沖擊儀的精密度可以表述如下：

重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差：

再現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)差：

經(jīng)過此次測(cè)試，我們可以得出結(jié)論此次設(shè)計(jì)的沖擊儀其準(zhǔn)確度、精密度、重復(fù)性及再現(xiàn)性都滿足核燃料運(yùn)輸?shù)膶?shí)際監(jiān)測(cè)要求。

5　結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和實(shí)際使用測(cè)試，本次設(shè)計(jì)的便捷沖擊儀可以準(zhǔn)確地捕捉核燃料容器在運(yùn)輸過程中所受的沖擊事件。在運(yùn)輸過程中，押運(yùn)人員可以隨時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以便對(duì)運(yùn)輸過程進(jìn)行隨時(shí)地掌握，也可以在運(yùn)輸結(jié)束后將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行大數(shù)據(jù)的分析，并可將大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果作用于核燃料容器的改進(jìn)測(cè)試的依據(jù)。

［1］Texas Instruments.MSP430x4xx Family User's Guide［Z］.2013.

［2］Analog Devices.ADXL345 Data Sheet（Rev.D）［Z］.2013.

［3］趙麗麗，陳俊娟，王剛.電力設(shè)備運(yùn)輸監(jiān)測(cè)儀研究［J］.物流技術(shù)，2015，（4）∶280-282.

Study on Portable Impact Meter Used in Nuclear Fuel Transportation

Xiang Qiulin1，Zhao Lili2
（1. CNNC Jianzhong Nuclear Fuel Co.， Ltd.， Yibin 644000； 2. China Packing Research Test Center， Tianjin 300457， China）

In this paper，for the purpose of the impact detection in the transportation of the nuclear fuels，we proposed a low-cost，portable and highly accurate impact detection device.This impact meter consists of a highly integrated MSP430F4152 SCM and an innovative iMEMS acceleration transducer，and when equipped with a low-power LCD screen，could effectively satisfy the demand of impact detection in the nuclear fuel transportation process.At the end，through an experiment，we demonstrated the accuracy and precision of the device.

nuclear fuel transportation； impact； MSP430F4152； iMEMS transducer； LCD

F416.23；TL2

A

1005-152X（2016）03-0164-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.03.035

2016-02-05

向丘林（1970-），任職于中核建中核燃料元件有限公司核材料運(yùn)輸部，研究方向：放射性物品運(yùn)輸安全監(jiān)管。