放射性空氣采樣器設(shè)計(jì)

胡 勁，田海燕，王新科

（1.綿陽(yáng)市維博電子有限責(zé)任公司，綿陽(yáng) 621000；2.中國(guó)兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所，綿陽(yáng) 621000）

0 引言

大氣放射性核素的監(jiān)測(cè)是環(huán)境及核事故情況下放射性監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要方法，在大氣放射性核素檢測(cè)中，獲得連續(xù)地具有代表意義的樣品，是取得準(zhǔn)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(lái)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(jìn)行放射性物質(zhì)的濃度測(cè)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(cè)以及核爆現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(jì)和風(fēng)機(jī)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(cè)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(jī)控制模塊和流量計(jì)信息處理模塊組成。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 氣體采樣回路設(shè)計(jì)

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(guò)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(jìn)行放射性測(cè)量或核素分析。

圖2 氣體采樣回路示意圖

本設(shè)備設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)用于對(duì)氣路中經(jīng)過(guò)的氣體進(jìn)行瞬時(shí)流量檢測(cè)和累積體積換算，并將信號(hào)傳輸至電氣控制單元。本設(shè)計(jì)中選用質(zhì)量型氣體流量計(jì)，核心采用MEMS傳感器利用熱力學(xué)原理對(duì)管道中的氣體進(jìn)行檢測(cè)，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(jìn)行溫度補(bǔ)償校準(zhǔn)。

風(fēng)機(jī)組合是由無(wú)刷電機(jī)與葉輪組成，無(wú)刷電機(jī)電氣控制單元的模擬調(diào)速信號(hào)，帶動(dòng)葉輪進(jìn)行抽氣，外部氣體通過(guò)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(guò)氣體流量計(jì)，最后由葉輪排出，整個(gè)氣路循環(huán)系統(tǒng)整體進(jìn)行密封性設(shè)計(jì)。電機(jī)內(nèi)含溫度偵測(cè)元件，可以預(yù)防過(guò)負(fù)載使用，保護(hù)電機(jī)過(guò)熱。

2.2 電氣控制單元設(shè)計(jì)

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(cè)模塊探測(cè)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(shí)流量、累計(jì)流量、采樣時(shí)間、采樣模式等信息；按鍵作為采樣器的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)組合的轉(zhuǎn)速，并設(shè)計(jì)有時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)電路，用于采樣計(jì)時(shí)和信息存儲(chǔ)。

在設(shè)定大流量采樣時(shí)，采樣頭進(jìn)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(dāng)空氣中顆粒物污染嚴(yán)重時(shí)，連續(xù)的大流量空氣采樣會(huì)使濾膜和碘盒堵塞，最后導(dǎo)致濾材失效和電機(jī)保護(hù)性停機(jī)，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(cè)技術(shù)，運(yùn)用閉環(huán)控制的方式，在開始大流量采樣工作時(shí)，主控制板通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出最小啟動(dòng)值，并開始讀取氣體流量計(jì)的瞬時(shí)流量信號(hào)，與設(shè)定的流量做比較，判斷是否達(dá)到設(shè)定的流量數(shù)值，如果讀取的瞬時(shí)流量值與設(shè)定值有偏差，則對(duì)輸出電壓參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，逐漸逼近直至達(dá)到設(shè)定流量值才結(jié)束。主控制板同時(shí)還監(jiān)控管道內(nèi)壓力信號(hào)和電機(jī)過(guò)熱報(bào)警信號(hào)，一旦管道內(nèi)壓力異常或電機(jī)過(guò)熱，主控制板立即會(huì)停止對(duì)電機(jī)的信號(hào)輸出，并發(fā)出故障報(bào)警。

圖4 電機(jī)調(diào)速流程圖

2.3 嵌入式控制軟件設(shè)計(jì)

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(yǔ)言為C語(yǔ)言，編譯環(huán)境為IAR Embedded Workbench，開發(fā)工具為MSPFET430UIF。在軟件設(shè)計(jì)編寫時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)，盡量減少器件變化造成對(duì)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(cè)取樣器的各類參數(shù)，包括采樣時(shí)間與流量等，讀取傳感器和流量計(jì)數(shù)據(jù)信息，通過(guò)模擬輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行控制，同時(shí)在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析和顯示，使監(jiān)測(cè)人員可以隨時(shí)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(hào)輸入，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣器的輸入功能。風(fēng)機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)組合運(yùn)行、調(diào)速和停止功能。流量計(jì)信息處理模塊主要用于對(duì)氣體流量計(jì)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(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種便攜式、大流量的放射性空氣采樣器，對(duì)空氣采樣過(guò)程中流量率可調(diào)，具有溫度、氣壓補(bǔ)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(jiǎn)單、反應(yīng)靈敏、工作迅速、體積緊湊、重量輕、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，得到使用人員的好評(píng)。

圖6 放射性空氣采樣器實(shí)物圖

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

[1]季學(xué)李.大氣污染控制工程[M].同濟(jì)大學(xué)出版社,1992.

[2]田海燕.一種便攜式空氣取樣系統(tǒng)的研制[D].電子科技大學(xué),2015.

[3]田海燕,胡勁,任永,等.一種便攜式空氣取樣器[P].中國(guó):ZL,2016,2.0745703.1,2017.

[4]胡勁,田海燕,王新科.空氣取樣器[P].中國(guó):ZL,2015,3 0381550.8,2016.

[5]吳鵬鳴.環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)質(zhì)量保證手冊(cè)[M].中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,1989.

[6]秦龍.MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例精講[M].電子工業(yè)出版社,2007.

[7]徐愛(ài)鈞.IAR EWARM V5嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用編程與開發(fā)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

[8]薛小鈴,劉志群,賈俊榮.單片機(jī)接口模塊應(yīng)用與開發(fā)實(shí)例詳解[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2010.