模擬水氡自動鼓泡裝置初探

魏小剛,白雄博,司國興,王小娟,高曙德

(中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

水氡觀測在我國乃至世界短臨地震監(jiān)測預(yù)報(bào)中都具有重要意義[1]。隨著地震監(jiān)測科技的不斷進(jìn)步與水氡觀測技術(shù)的不斷提升,我國對水氡觀測資料的可靠性要求更為嚴(yán)格,同時(shí)對水氡的日常監(jiān)測提出了更高的要求[2]。

《地震水文地球化學(xué)觀測技術(shù)規(guī)范》[3](以下簡稱《規(guī)范》)要求:模擬水氡進(jìn)行鼓泡時(shí),“通過觀察真空表指針走動的速度均勻鼓泡(11±1) min”。這對鼓泡操作提出了很高的要求,不僅要求鼓泡要“均勻”,而且嚴(yán)格規(guī)定了時(shí)間。但在實(shí)際鼓泡過程中,為了在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成鼓泡操作,需要頻繁手動調(diào)整鼓泡速率,在規(guī)定時(shí)間內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)“均勻”鼓泡,鼓泡過程不可避免地存在較大人為操作誤差。模擬水氡觀測工藝繁瑣,方法落后,人為操作誤差大,測值準(zhǔn)確性低,數(shù)據(jù)質(zhì)量不高,導(dǎo)致觀測資料的趨勢異常映震效果不明顯。因此要提高水氡觀測資料質(zhì)量,改進(jìn)鼓泡裝置是很有必要的。

為排除“非均勻”鼓泡對模擬水氡觀測的干擾,本研究擬對傳統(tǒng)模擬水氡鼓泡裝置進(jìn)行改造升級,研制出一套靈敏度高、穩(wěn)定性好、操作簡便的自動鼓泡裝置。新裝置能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成“均勻鼓泡”的《規(guī)范》要求,同時(shí)降低鼓泡操作難度,減少人為操作誤差,提升水氡監(jiān)測效率,并為模擬水氡觀測鼓泡裝置的更新?lián)Q代工作提供可行途徑。

1 自動鼓泡裝置研制

1.1 傳統(tǒng)鼓泡裝置及操作流程

目前我國模擬水氡觀測大多采用人工負(fù)壓鼓泡的方法:水氡經(jīng)真空擴(kuò)散脫氣被鼓入閃爍室;氡及其子體的a粒子沖擊閃爍室內(nèi)壁的硫化鋅(銀)閃爍體激發(fā)出光子,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換在陽極負(fù)載上形成一脈動電流,輸出一個(gè)負(fù)脈沖;再經(jīng)放大、鑒別、整形后被自動定標(biāo)器記錄下來,根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù),按固定公式計(jì)算出水氡濃度。

具體操作流程如下:

(1) 先將旋片式真空泵、閃爍室、擴(kuò)散瓶等按圖1連接起來;

圖1 傳統(tǒng)鼓泡裝置圖Fig.1 Diagram of traditional bubbling device

(2) 開啟真空泵運(yùn)行3 min;

(3) 關(guān)閉止水夾a,斷開真空泵;

(4) 緩慢旋轉(zhuǎn)打開十字止水閥b,通過觀察真空表指針走動的速度,及時(shí)調(diào)節(jié)止水夾b開度,均勻鼓泡11 min;

(5) 讀數(shù)并計(jì)算氡值。

1.2 自動鼓泡裝置設(shè)計(jì)

進(jìn)行自動鼓泡裝置設(shè)計(jì)之前,首先需要明確如何才能實(shí)現(xiàn)對鼓泡過程的自動控制,然后通過反復(fù)論證,最終確定設(shè)計(jì)思路。傳統(tǒng)鼓泡過程中存在很多人為干擾因素,鼓泡是否“均勻”及鼓泡時(shí)間是否符合《規(guī)范》要求,都會對水氡測值的準(zhǔn)確性產(chǎn)生直接影響。要實(shí)現(xiàn)對“均勻鼓泡”的精準(zhǔn)控制,除了需要研制一套精細(xì)的自動控制程序外,還要求各個(gè)傳感器、閥門定位器及其他部件都具有高精度、高穩(wěn)定性、快響應(yīng)、小體積以及極低零漂等特性。

研制模擬水氡自動鼓泡裝置,在技術(shù)理論上并不復(fù)雜,難點(diǎn)在于對固定時(shí)間內(nèi)鼓泡氣流的“勻速”控制上。對多種高精度流量變送器、智能閥門定位器等進(jìn)行反復(fù)測試后,篩選出理想的流量變送器及氣路控制閥,結(jié)合水氡觀測《規(guī)范》要求,經(jīng)反復(fù)研究測試,最終完成了對自動鼓泡裝置的設(shè)計(jì)(圖2)。

圖2 自動鼓泡裝置構(gòu)成Fig.2 Composition of automatic bubbling device

1.3 自動鼓泡裝置原理

自動鼓泡裝置由自動控制器、流量變送器及閥門定位器三部分構(gòu)成。其工作原理為:首先將流量變送器、閥門定位器通過RS232通訊方式與自動控制器連接起來。流量變送器實(shí)時(shí)監(jiān)測進(jìn)入鼓泡系統(tǒng)內(nèi)的空氣流量、流量狀態(tài)信息及自動控制器傳輸?shù)闹噶钚畔?并將其反饋給自動控制器。自動控制器計(jì)算流量變送器當(dāng)前狀態(tài)與所設(shè)定狀態(tài)之差,并根據(jù)這一誤差信號按固定程序輸出控制信號,傳輸給閥門定位器。閥門定位器通過驅(qū)動并調(diào)節(jié)閥門開度,直至流量變送器狀態(tài)達(dá)到預(yù)設(shè)狀態(tài)[4]。如此反復(fù)循環(huán),完成對鼓泡系統(tǒng)氣路空氣流量的勻速控制,從而實(shí)現(xiàn)了模擬水氡觀測中的關(guān)鍵一步:“均勻鼓泡”。

具體操作流程如下:

(1) 將旋片式真空泵、閃爍室、擴(kuò)散瓶、自動鼓泡裝置等按圖2連接起來;

(2) 開啟真空泵運(yùn)行3 min;

(3) 關(guān)閉止水夾,斷開真空泵;

(4) 打開自動鼓泡裝置,11 min后,鼓泡自動結(jié)束;

(5) 讀數(shù)并計(jì)算氡值。

2 新舊鼓泡裝置對比分析

2.1 鼓泡時(shí)間

模擬水氡觀測過程包括人工取樣、鼓泡、測值計(jì)算及數(shù)據(jù)入庫等一系列人工觀測過程,其中鼓泡過程尤為重要,存在的人為操作誤差也最大,鼓泡方式與鼓泡時(shí)間的不確定性都會對水氡測值產(chǎn)生直接影響[5]。水氡觀測《規(guī)范》規(guī)定,鼓泡時(shí)間為(11±1) min(本研究鼓泡時(shí)間均取11 min)。在實(shí)際人工鼓泡過程中,鼓泡時(shí)間控制往往不夠精準(zhǔn)。鼓泡時(shí)間控制不準(zhǔn)確帶來的人為操作誤差會直接影響水氡觀測值的準(zhǔn)確性。

自動鼓泡裝置很好地解決了這一難題,其鼓泡過程為控制器自動控制過程?？刂破魍度胧褂们靶柘仍O(shè)定鼓泡時(shí)間,鼓泡時(shí)間是自動控制器主要的控制參數(shù)之一。

圖3是自動鼓泡過程中鼓泡流量與鼓泡時(shí)間曲線。由圖3可知,打開自動鼓泡裝置后,鼓泡系統(tǒng)內(nèi)空氣流量瞬間從0升至47.4 sccm,隨后裝置開始自動控制鼓泡過程。自動鼓泡過程中,鼓泡流量始終在47.4～47.5 sccm這一極小范圍內(nèi)波動。11 min后,鼓泡過程結(jié)束(鼓泡系統(tǒng)內(nèi)真空度由-0.08 hPa降至-0.002 hPa),鼓泡流量在2.0 s內(nèi)快速降為0,鼓泡過程瞬間結(jié)束,說明自動鼓泡裝置對鼓泡時(shí)間的控制非常精準(zhǔn)。

圖3 自動鼓泡過程鼓泡流量與時(shí)間曲線Fig.3 Relation curve of bubbling flow and time during automatic bubbling process

2.2 鼓泡速率

人工鼓泡過程中,為了在固定時(shí)間內(nèi)完成鼓泡操作,只能通過觀察真空表指針走動速度,頻繁調(diào)節(jié)止水夾開度,完全憑借經(jīng)驗(yàn)控制鼓泡速率。頻繁調(diào)整止水夾開度(即頻繁改變鼓泡速率)與《規(guī)范》要求的“均勻鼓泡”規(guī)定完全相悖。對于新入職無鼓泡操作經(jīng)驗(yàn)的水氡觀測人員來說,在規(guī)定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)“均勻鼓泡”的難度更大。新人積累經(jīng)驗(yàn)的過程實(shí)則是產(chǎn)生較大人為操作誤差的過程,這期間測得的氡值與實(shí)際值可能存在較大偏差。

自動鼓泡控制裝置的本質(zhì)在于對鼓泡速率的控制。設(shè)置瞬時(shí)流量參數(shù)后,自動控制器通過流量傳感器實(shí)時(shí)反饋的瞬時(shí)流量信號即時(shí)調(diào)節(jié)閥門定位器開度,實(shí)現(xiàn)對鼓泡系統(tǒng)氣路瞬時(shí)流量的精準(zhǔn)控制。

圖4是自動鼓泡過程中鼓泡速率與時(shí)間曲線。由圖4可以看出,在自動鼓泡過程中鼓泡系統(tǒng)內(nèi)瞬時(shí)流量始終保持極小波動范圍,變化幅值范圍為47.4～47.5 sccm,表明鼓泡速率非常穩(wěn)定,完全符合水氡觀測《規(guī)范》對“均勻鼓泡”的要求。自動鼓泡裝置排除了人工鼓泡過程中鼓泡速率大幅波動對鼓泡效率的影響,有效提高了模擬水氡觀測資料的質(zhì)量。

圖4 自動鼓泡過程鼓泡速率變化曲線Fig.4 Change curve of bubbling rate during automatic bubbling process

2.3 觀測數(shù)據(jù)對比分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證自動鼓泡裝置觀測結(jié)果是否符合《規(guī)范》要求,對新、舊鼓泡裝置觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。2019年1月1日—11月30日,采用人工鼓泡與自動鼓泡對比觀測的方式,連續(xù)、客觀地記錄了人工鼓泡與自動鼓泡裝置的觀測結(jié)果,并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析(圖5)。

圖5中,2019年1月1日—5月31日為人工鼓泡與自動鼓泡裝置的平行樣對比觀測,其中閃爍室1、閃爍室2為人工鼓泡觀測結(jié)果,閃爍室3為自動鼓泡觀測結(jié)果。2019年6月1日—11月30日閃爍室1、2、3觀測結(jié)果均為自動鼓泡裝置的平行樣對比觀測。平行樣觀測氡值的相對偏差按式(1)計(jì)算:

圖5 人工鼓泡與自動鼓泡觀測數(shù)據(jù)對比分析Fig.5 Comparison and analysis between observation data of artificial bubbling and automatic bubbling

(1)

計(jì)算結(jié)果均在±3%范圍內(nèi),符合《規(guī)范》中平行樣測值相對偏差小于±8%(井泉水氡濃度為18.5～111 Bq/L)的要求。且閃爍室1、2、3測得的氡值均較穩(wěn)定,變化形態(tài)基本一致。

在對比分析了2019年1—11月人工鼓泡與自動鼓泡裝置觀測結(jié)果的基礎(chǔ)上,對2020年1—6月人工鼓泡及自動鼓泡裝置平行樣之間的相對偏差(取絕對值)也進(jìn)行了對比分析,分析結(jié)果見圖6、表1。

圖6 人工鼓泡與自動鼓泡觀測平行樣相對偏差對比分析Fig.6 Comparative analysis of the relative deviation of parallel samples observed by manual bubbling and automatic bubbling

表1 2020年1—6月人工鼓泡裝置與自動鼓泡裝置觀測數(shù)據(jù)對比分析Table 1 Comparative analysis of output data of manual bubbling device and automatic bubbling device from January to June 2020

從圖6和表1中可以發(fā)現(xiàn):

(1) 自動鼓泡裝置平行樣之間相對偏差(取絕對值)的平均值為0.74,遠(yuǎn)低于人工鼓泡裝置(2.10),說明自動鼓泡裝置在控制平行樣之間的相對偏差上效果顯著。

(2) 自動鼓泡裝置的主、副樣之間的相關(guān)系數(shù)為0.996,明顯高于人工鼓泡裝置(0.968)。

因此自動鼓泡裝置完全可以代替人工鼓泡裝置,用于模擬水氡觀測。

3 結(jié)論

通過對傳統(tǒng)模擬水氡鼓泡裝置進(jìn)行改造,研制出了一套符合模擬水氡觀測《規(guī)范》要求的自動鼓泡裝置,解決了傳統(tǒng)模擬水氡觀測中的自動鼓泡問題。本文所研制的自動鼓泡裝置對鼓泡時(shí)間、鼓泡速率的控制精準(zhǔn),操作過程簡單、易學(xué),從而有效提高了水氡觀測的鼓泡效率,降低了人工鼓泡過程中鼓泡時(shí)間與鼓泡速率不規(guī)范對鼓泡效率的影響,解決了人工鼓泡操作不規(guī)范對測值的干擾。自動鼓泡裝置能提高模擬水氡觀測的資料質(zhì)量,并為探索模擬水氡觀測設(shè)備的更新?lián)Q代提供一種可行途徑。