核燃料公路運(yùn)輸模擬中的加速度分析

路慶豐，劉洪艷，宮 智

（1.中核建中核燃料元件有限公司 核燃料運(yùn)輸部，四川 宜賓 644000；2.中國包裝科研測試中心 物流監(jiān)控部，天津 300457）

核燃料公路運(yùn)輸模擬中的加速度分析

路慶豐1，劉洪艷2，宮 智2

（1.中核建中核燃料元件有限公司 核燃料運(yùn)輸部，四川 宜賓 644000；2.中國包裝科研測試中心 物流監(jiān)控部，天津 300457）

目前國內(nèi)尚無針對核燃料組件運(yùn)輸中加速度超限后有效且通用的處置規(guī)則及相應(yīng)的導(dǎo)向原則?；诖?，提出了一種利用低功耗處理器和MEMS加速度傳感器設(shè)計(jì)的加速度采集設(shè)備，并將其應(yīng)用于核燃料組件的公路運(yùn)輸?shù)湫托旭偣r模擬中，采集了大量且有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行了分析，以探索在不同工況下，車輛本身所受加速度、運(yùn)輸容器所受加速度及燃料組件加速度之間的相關(guān)性。

核燃料；公路運(yùn)輸模擬；振動(dòng)；加速度傳感器；數(shù)據(jù)采集

1 引言

核燃料運(yùn)輸最首要的是保證核燃料的安全，其中最重要的就是要避免核燃料組件在運(yùn)輸過程受到?jīng)_擊和振動(dòng)等外部影響的損害。在實(shí)際的運(yùn)輸過程中，會(huì)將核燃料放置在特制的容器內(nèi)，并采取一系列的減振措施，將其固定在特定的支架上。支架一端與容器外殼的一個(gè)底面通過鉸鏈連接，此一端即為容器的底端，在頂端處，支架與容器外殼無連接，支架兩側(cè)通過多個(gè)減振簧與容器外殼連接，減振簧被拉緊，在固定支架的同時(shí)起到減振的作用。其在支架上的固定示意圖如圖1所示。

在實(shí)際的運(yùn)輸過程中，往往通過專用鐵路線和公路運(yùn)輸相結(jié)合的方式進(jìn)行。在核燃料組件容器上固定有機(jī)械式的加速度傳感器。當(dāng)容器所遭受加速度超過特定值時(shí)，其可以指示加速度值已超限，需要對核燃料組件的安全性進(jìn)行檢查。但無法獲知核燃料組件所受的加速度值的具體值和發(fā)生的具體時(shí)間。在公路運(yùn)輸時(shí)，路況較為復(fù)雜，因此需要經(jīng)常對加速度進(jìn)行查看，以保證其安全性。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，有必要對此種狀況進(jìn)行改進(jìn)。通過新的技術(shù)來設(shè)計(jì)一種新型的加速度記錄儀，進(jìn)一步研究公路運(yùn)輸條件下核燃料組件、運(yùn)輸容器及運(yùn)輸車輛這三者所受的加速度之間的相關(guān)性，并以此為實(shí)際的公路運(yùn)輸提供參考和改進(jìn)意見。

圖1 核燃料組件容器與支架的固定示意圖

2 加速度記錄儀的硬件電路設(shè)計(jì)

為了測量加速度，我們查閱了大量的運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)文件。在2015年發(fā)布的ISTA Data Collection Requirements Shock/Impact&Drop中要求其加速度的范圍為10g或200g左右，采樣率為2 000點(diǎn)/s/通道，頻率響應(yīng)范圍為0.5Hz到500Hz。我們對運(yùn)輸過程進(jìn)行了多次測試，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)運(yùn)輸過程中加速度值不會(huì)超過10g。

據(jù)此，我們提出了針對核燃料運(yùn)輸監(jiān)測所需的加速度記錄儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。

圖2 加速度記錄儀硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 加速度傳感器的選擇

為達(dá)到ISTA標(biāo)準(zhǔn)所要求的測量標(biāo)準(zhǔn)，所選用的加速度傳感器其量程必須要大于10g，采樣頻率需達(dá)到2 000Hz。為了降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和提高數(shù)據(jù)傳輸速度，其接口方式最好為SPI形式。同時(shí)為了降低功耗，其最好為超低功耗器件。為此，我們選用了BOSCH的BMA250E加速度傳感器，該傳感器為數(shù)字輸出的低g值的三軸加速度傳感器。它有4個(gè)加速度量程可供選擇，其分辨率也滿足現(xiàn)階段監(jiān)測的要求。其加速度量程范圍及分辨率見表1。

表1 BMA250E加速度傳感器的加速度量程范圍及分辨率

其采樣頻率也可以通過配置加速度數(shù)據(jù)濾波器帶寬寄存器0x10,PMU_BW來進(jìn)行選擇。當(dāng)配置其帶寬為1 000Hz時(shí)，其數(shù)據(jù)更新速率即為2 000Hz。

除了上述特點(diǎn)外，該款傳感器還具有6種不同的功耗模式，即除了常規(guī)模式還有5種低功耗模式可供選擇：深度休眠模式、休眠模式、待機(jī)模式、低功耗模式1和低功耗模式2。在實(shí)際的運(yùn)行中，將根據(jù)不同監(jiān)測階段選配不同的功耗模式，而且傳感器的功耗模式選擇也需要跟處理器的功耗運(yùn)行模式相匹配。

BMA250E與微處理器STM32F205的連接示意圖如圖3所示。

圖3 加速度傳感器接口示意圖

BMA250E加速度傳感器還具有運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、敲擊感應(yīng)、方向識別、平坦監(jiān)測和非活躍監(jiān)測等多種監(jiān)測功能。在本次的加速度記錄儀的設(shè)計(jì)中，只通過該傳感器提取了加速度值，對其他功能未做涉及，但為以后的設(shè)備升級預(yù)留了空間。

2.2 微處理器的選擇

ISTA標(biāo)準(zhǔn)對加速度采集設(shè)備的要求還規(guī)定了另外兩個(gè)重要參數(shù)：數(shù)據(jù)長度和觸發(fā)位置。標(biāo)準(zhǔn)中要求，數(shù)據(jù)記錄長度要20ms到2 000ms，觸發(fā)位置為整個(gè)波形長度的20%。為了數(shù)據(jù)的完整性和更好的分析加速度所導(dǎo)致危害事件產(chǎn)生前后的狀態(tài)，本加速度記錄儀的數(shù)據(jù)記錄長度我們選取了2 000ms，因此在選擇微處理器時(shí)，需要對其SRAM的容量有一定的考量，必須要滿足數(shù)據(jù)緩存的需要?；谏鲜鲈瓌t，本加速度記錄儀選用了STM32F205做微處理器。

STM32F205是32位ARM Cortex-M3內(nèi)核的CPU，其運(yùn)行頻率最高可達(dá)120MHz。除此之外，還有如下的考慮：

（1）內(nèi)含1Mbyte的Flash存儲(chǔ)空間，該空間除可用于程序的存儲(chǔ)外，還可以用于用戶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，其Flash空間分成了8個(gè)扇區(qū)，4個(gè)16Kbyte、1個(gè)64Kbyte和3個(gè)128Kbyte。本加速度記錄儀利用了其中的3個(gè)16Kbyte的扇區(qū)存放設(shè)備自身的標(biāo)識信息和設(shè)備運(yùn)行的用戶信息。為此，在本加速度記錄儀的設(shè)計(jì)過程中，我們利用IAP（In application programming）功能將應(yīng)用程序代碼放置在了128Kbyte容量的扇區(qū)，而將小容量的扇區(qū)用于存放散碎的用戶信息，以充分利用系統(tǒng)資源減少外設(shè)的數(shù)量。

（2）含有128+4Kbyte的SRAM，可充分滿足數(shù)據(jù)緩存的要求。

（3）含有3個(gè)SPI接口，在本加速度記錄儀的設(shè)計(jì)中，用到了其中的2個(gè)，一個(gè)用于加速度傳感器的連接，一個(gè)用于NorFlash的連接。

（4）含有USB2.0全速和高速接口，可用于數(shù)據(jù)的快速讀取。

2.3 存儲(chǔ)器的選擇

本加速度記錄儀的設(shè)計(jì)中，采用了NorFlash作為存儲(chǔ)介質(zhì)，其存儲(chǔ)容量為1Gb，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)108MHz,數(shù)據(jù)吞吐率可達(dá)54MB/s，并具有編程暫停和擦除暫停功能，方便在數(shù)據(jù)監(jiān)測時(shí)及時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。其連接示意圖如圖4所示。

圖4 存儲(chǔ)器接口示意圖

3 加速度記錄儀的軟件設(shè)計(jì)

本加速度記錄儀的軟件流程圖如圖5所示，開機(jī)之后首先需通過USB接口設(shè)置當(dāng)前項(xiàng)目的采集參數(shù)。采集參數(shù)設(shè)置完成后，嵌入式系統(tǒng)軟件將按照當(dāng)前的參數(shù)運(yùn)行。如無任何操作，系統(tǒng)將進(jìn)入低功耗模式，以節(jié)省電量。當(dāng)接受到啟動(dòng)監(jiān)測的命令時(shí)，系統(tǒng)將對監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行初始化，并按要求開啟傳感器進(jìn)行加速度的采集。

圖5 軟件流程示意圖

在數(shù)據(jù)的采集過程中，處理器不斷地對采樣值進(jìn)行計(jì)算，以提取當(dāng)前數(shù)據(jù)的特征值，當(dāng)需要對振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存時(shí)則轉(zhuǎn)向?qū)?shù)據(jù)波形完整性的判斷，如波形已采集完整則將數(shù)據(jù)保存至NorFlash存儲(chǔ)器，進(jìn)行下一個(gè)事件的采集工作。

當(dāng)接收到關(guān)機(jī)操作指令時(shí)，首先需要對當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行判斷，如有事件波形未采集完整或當(dāng)前事件正在進(jìn)行保存則需要將當(dāng)前的事件數(shù)據(jù)保存完后才能關(guān)機(jī)。

4 公路運(yùn)輸模擬試驗(yàn)

該加速度記錄儀設(shè)計(jì)完成后，我們聯(lián)合中國包裝測試中心利用該記錄儀對核燃料的公路運(yùn)輸部分進(jìn)行了模擬，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。在某次公路運(yùn)輸模擬試驗(yàn)中，我們采用了10臺(tái)設(shè)備其中8臺(tái)分為兩組安裝在容器上，其安裝位置如圖6所示，另外兩臺(tái)安裝到了車輛的底盤和框架式集裝箱的底板上。

我們選取了一段與實(shí)際運(yùn)輸狀況極為相似的路段，在上面進(jìn)行了3h的測試，每隔5min對其振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了整合。

我們對振動(dòng)輸入和不同響應(yīng)位置的振動(dòng)事件記錄構(gòu)建了各自完整的PSD密度譜。并采用置信區(qū)間為95%的功率密度來表征振動(dòng)能量。由此得出了以下PSD圖。

圖7為1號容器外壁上的A1，A4兩臺(tái)設(shè)備所采集數(shù)據(jù)的PSD圖。

圖6 監(jiān)測設(shè)備安裝示意圖

圖7 容器外壁PSD圖

圖8 容器內(nèi)PSD圖

圖8為容器內(nèi)2臺(tái)設(shè)備所采集數(shù)據(jù)匯總的PSD圖。

圖9為放置在框架式集裝箱底部的設(shè)備采集數(shù)據(jù)所繪制的PSD圖。

圖10為放置在拖車底部的設(shè)備所采集數(shù)據(jù)所繪制的PSD圖。

我們分別對比了此次試驗(yàn)中框架式集裝箱與平板拖車在前后、左右和上下三個(gè)軸向上的平均PSD，發(fā)現(xiàn)在前后和左右軸向上框架式集裝箱的PSD曲線基本位于平板拖車底盤處PSD曲線的下方，這說明在大多數(shù)的頻率上，框架式集裝箱上的均方根加速度值均小于平板拖車底盤上的均方根加速度值。

但我們也同樣發(fā)現(xiàn)了如圖11圓圈內(nèi)所示的現(xiàn)象。圖中的C1代表的是框架式集裝箱，C2代表的是平板拖車。我們可以看到，在上下軸向上，在3～25Hz的頻段內(nèi)，框架式集裝箱處的PSD曲線位于平板拖車底盤處的PSD曲線上方。說明在該頻段內(nèi)，框架式集裝箱處的均方根加速度值大于平板拖車底盤處的均方根加速度值。

由此可以得出結(jié)論，在公路運(yùn)輸?shù)倪^程中，框架式集裝箱通過鎖緊裝置固定在拖車平板上，集裝箱與車體之間本應(yīng)保持較好的一致性，但實(shí)際測試可以看出在上下軸向上，鎖緊裝置的作用并不明顯。因此，在實(shí)際的運(yùn)輸中，需要在這個(gè)軸向上進(jìn)一步做改進(jìn)。

Analysis of Acceleration in Simulated Nuclear Fuel Powered Highway Transportation

Lu Qingfeng1,Liu Hongyan2,Gong Zhi2
(1.Nuclear Fuel Transportation Department,CNNC Jianzhong Nuclear Fuel Co.,Ltd.,Yibin 644000; 2.Logistics Monitoring Department,China Packaging Research&Test Center,Tianjin 300457,China)

In this paper,we proposed the design of an acceleration data collection device based on the low-power processor and the MEMS acceleration sensor,applied it in the simulation of the typical running and working conditions of highway transportation vehicles with nuclear fuel components which collected a large quantity of valid experiment data for the further analysis of the correlation between the acceleration of the vehicle,the transport container and the nuclear fuel component.

nuclear fuel;highway transport simulation;vibration;acceleration sensor;datacollection

圖9 框架式集裝箱底部PSD圖

圖10 拖車底部PSD圖

F570.8;TL93+2

A

1005-152X(2017)02-0100-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.02.024

2016-12-28

路慶豐（1984-），工程師，主要研究方向：核燃料運(yùn)輸容器及其相關(guān)配套設(shè)備和配件的管理、運(yùn)輸安全技術(shù)方案的策劃與具體實(shí)施；劉洪艷（1982-），研究方向：物流監(jiān)測終端設(shè)備的檢測及管理、物流項(xiàng)目運(yùn)營管理。