本發(fā)明屬于輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)超大流量空氣采樣器現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定裝置及方法。

背景技術(shù)：

計(jì)量精度直接影響核素濃度的檢測(cè)精度。空氣采樣器流量現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定設(shè)備不僅可以檢驗(yàn)空氣采樣器運(yùn)行時(shí)的空氣采樣精度，而且還可以記錄其偏差，通過(guò)軟件補(bǔ)償，提高空氣采樣器的空氣計(jì)量精度。

對(duì)于空氣采樣器的流量標(biāo)定，國(guó)際上現(xiàn)有的標(biāo)定手段包括：iso10780-1994“用比托管測(cè)量煙道氣流量”，需要用指定規(guī)格的比托管插入煙道，進(jìn)行多點(diǎn)重復(fù)測(cè)試(大于16點(diǎn))，然后求取平均值。該方法的缺點(diǎn)是標(biāo)定過(guò)程復(fù)雜、時(shí)間慢，且對(duì)氣體的起始速度有一定的要求、精度較低。jjf1404-2013“大氣采樣器型式評(píng)價(jià)大綱”、jjg956-2013“大氣采樣器”中均規(guī)定了用量程為0-6l/min，精度等級(jí)為±1％的皂膜流量計(jì)對(duì)大氣采樣器的流量進(jìn)行標(biāo)定。用溫度計(jì)、壓力計(jì)獲得溫度和壓力的測(cè)量值，實(shí)現(xiàn)溫壓補(bǔ)償；用計(jì)時(shí)器完成累積量的統(tǒng)計(jì)；并與大氣采樣器的指示值進(jìn)行對(duì)比，完成標(biāo)定。由于皂膜流量的計(jì)量范圍較小，不符合目前輻射環(huán)境空氣采樣器的大流量(最大900m3/hr)要求，而且皂膜流量需要人工讀取液位，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采樣功能；標(biāo)定過(guò)程中需要人工操作多個(gè)儀器完成，存在人為讀數(shù)誤差、過(guò)程復(fù)雜、時(shí)間慢等缺點(diǎn)，該方法可以用于大氣采樣器生產(chǎn)單位的生產(chǎn)標(biāo)定，但不適合于大氣采樣器在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)的標(biāo)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)超大流量采樣器現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定裝置及方法。該標(biāo)定裝置具有工況流量和標(biāo)況流量的標(biāo)定模式，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)標(biāo)定與移動(dòng)標(biāo)定，標(biāo)定精度達(dá)1％，滿足大流量和高精度的氣體計(jì)量功能。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)超大流量采樣器現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定裝置，包括：含有羅茨流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器以及信號(hào)采集單元的檢測(cè)端；檢測(cè)端與顯示操作端之間的通信單元；含有信號(hào)處理控制單元、顯示屏、觸摸屏以及存儲(chǔ)器的顯示操作端；所述羅茨流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器分別檢測(cè)采樣器的氣體輸出口中氣體工況瞬時(shí)流量、溫度以及壓力，并將這三種信號(hào)輸入至信號(hào)采集單元；所述信號(hào)采集單元將接收的三種信號(hào)放大后經(jīng)通信單元輸送至信號(hào)處理控制單元；所述信號(hào)處理控制單元對(duì)接收的工況瞬時(shí)流量結(jié)合溫度與壓力進(jìn)行補(bǔ)償處理后顯示于顯示屏上。

本發(fā)明采用的羅茨流量傳感器是一種容積式流量器。它內(nèi)部設(shè)計(jì)有構(gòu)成一定容積的計(jì)量室空間，計(jì)量室內(nèi)有一對(duì)或兩對(duì)可以相切旋轉(zhuǎn)的腰輪，在流量計(jì)殼體外面與兩個(gè)腰輪同軸安裝了一對(duì)驅(qū)動(dòng)齒輪，驅(qū)動(dòng)齒輪的相互嚙合使兩個(gè)腰輪可以相互聯(lián)動(dòng)。利用機(jī)械測(cè)量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個(gè)已知的體積部分，根據(jù)計(jì)量室逐次、重復(fù)地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來(lái)測(cè)量流量體積總量。

羅茨流量傳感器測(cè)量精度高，基本誤差一般為±0.5％，特殊的可達(dá)±0.2％或者更高。羅茨流量傳感器是直讀式儀表，測(cè)量速度快，且無(wú)需外部能源，僅利用流體本身的能量就可以運(yùn)行。此外，羅茨流量傳感器可直接獲得累計(jì)總量，具有清晰明了、遠(yuǎn)傳控制等優(yōu)點(diǎn)。

溫度傳感器、壓力傳感器采用市面上普通的傳感器即可。相對(duì)于傳統(tǒng)的溫度計(jì)、壓力計(jì)，溫度傳感器、壓力傳感器具有較高的靈敏度、測(cè)量精度以及穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采樣器輸氣管中氣體的實(shí)時(shí)穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)與測(cè)量。

作為優(yōu)選，本發(fā)明采用pt1000溫度傳感器，該傳感器把氣體的溫度變化轉(zhuǎn)換成電阻變化，檢測(cè)電橋把pt1000的電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)a/d轉(zhuǎn)換得到溫度的采樣值tad。

作為優(yōu)選，本發(fā)明采用擴(kuò)散硅壓力傳感器，該傳感器把氣體的壓力變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，經(jīng)過(guò)放大器電路后、由a/d轉(zhuǎn)換得到壓力的采樣值pad。

考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)，傳感器會(huì)放置在大氣采樣器附近，顯示操作端在大氣采樣器的控制室內(nèi)使用，兩者有一定的距離(約十幾米)。由于溫度、壓力、流量傳感器的輸出信號(hào)為微弱信號(hào)，不適于較長(zhǎng)距離的傳輸，如果采樣十幾米長(zhǎng)的導(dǎo)線直接傳送，會(huì)引入較大的空間電磁干擾以及導(dǎo)線阻抗隨環(huán)境溫度變化而波動(dòng)等因素的影響，難以保證計(jì)量精度。因此，本發(fā)明檢測(cè)端增加了安裝在流量傳感器旁具有弱信號(hào)放大功能的信號(hào)采集單元，就近實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力以及流量脈沖信號(hào)的計(jì)量放大，并將放大后的信號(hào)經(jīng)通信單元傳輸至顯示終端，保證數(shù)據(jù)通信不會(huì)損失計(jì)量精度。

作為優(yōu)選，所述的信號(hào)采集單元以16位嵌入式微處理器msp430afe253為核心，因?yàn)樵撎幚砥鲀?nèi)部集成24位ε–δ型a/d、程控放大器pga等高精度計(jì)量部件，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、壓力的高精度計(jì)量。

作為優(yōu)選，所述的信號(hào)處理控制單元以32位嵌入式微處理器stm32f103rd為核心，通過(guò)通信單元連接信號(hào)檢測(cè)電路，獲取流量、溫度、壓力信號(hào)，并對(duì)這流量信號(hào)進(jìn)行溫度與壓力補(bǔ)償計(jì)算，然后，將計(jì)算結(jié)果顯示于顯示屏上。根據(jù)物理學(xué)上的氣體狀態(tài)方程，對(duì)工況流量進(jìn)行溫度與壓力補(bǔ)償，從而得到標(biāo)況流量和標(biāo)況累積量的具體過(guò)程為：

工況瞬時(shí)流量qm(i)(m³/hr)為：

其中，qm(i)為第i個(gè)采樣周期內(nèi)的工況瞬時(shí)流量；t為采樣間隔時(shí)間，單位：秒；n是t秒時(shí)間內(nèi)流量傳感器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)，用定時(shí)器記錄；k是羅茨流量傳感器固有的流量系數(shù)，由傳感器廠家提供。

溫度temp(℃)為：

temp＝kt×tad-bt

其中，kt是溫度計(jì)算的放大系數(shù)，bt是溫度計(jì)算的偏置系數(shù)，這兩個(gè)系數(shù)通過(guò)實(shí)際的溫度標(biāo)定環(huán)節(jié)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(jì)算的放大系數(shù)，bp是壓力計(jì)算的偏置系數(shù)，這兩個(gè)系通過(guò)實(shí)際的壓力標(biāo)定環(huán)節(jié)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(gè)采樣周期的工況累積流量，psum(i-1)為第i-1個(gè)采樣周期的工況累積流量，qm(i)是i個(gè)采樣周期內(nèi)的瞬時(shí)流量。

溫度與壓力的補(bǔ)償因子cv為：

標(biāo)況瞬時(shí)流量qo(i)(nm³/hr)為：

qo(i)＝cv×qm(i)

標(biāo)況累積流量sum(i)(nm³)為：

sum(i)＝sum(i-1)+qo(i)×3600

其中，sum(i)是第i個(gè)采樣周期的標(biāo)況累積流量；sum(i-1)是第i-1個(gè)采樣周期的標(biāo)況累積流量；qo(i)是第i個(gè)采樣周期內(nèi)的標(biāo)況瞬時(shí)流量。

所述的信號(hào)處理控制單元具有接收觸摸屏上的用戶按鍵命令，控制標(biāo)定裝置的啟停、參數(shù)設(shè)置以及結(jié)果查詢等功能。通過(guò)在觸摸屏上輸入采樣器自身產(chǎn)生的測(cè)量數(shù)據(jù)，與信號(hào)處理控制單元處理得到信號(hào)進(jìn)行比較，確定采樣器流量參數(shù)的檢測(cè)精度，從而完成空氣流量的標(biāo)定工作。

作為優(yōu)選，所述的顯示屏為tft彩色液晶屏。

作為優(yōu)選，所述的觸摸屏為dgus觸摸屏，用戶可以通過(guò)操作觸摸屏來(lái)起停流量標(biāo)定程序、查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

作為優(yōu)選，所述的顯示端還設(shè)有sd接口，用戶可以將嵌入式微處理器stm32f103rd處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于sd卡中，方便使用。

作為優(yōu)選，所述的檢測(cè)端還配置有為信號(hào)采集單元內(nèi)部電源，該內(nèi)部電源可以為12v、4000mahr容量的可充電鋰電池，具有使用方便、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。初步測(cè)試表明該電池充滿電后，標(biāo)定裝置能連續(xù)運(yùn)行約8個(gè)小時(shí)，符合實(shí)際使用的要求。作為優(yōu)選，本發(fā)明還提供與內(nèi)部電池配套的12v充電器。

作為優(yōu)選，所述的通信單元為rs485通信總線，該總線的有效傳輸距離為1000米，能夠?qū)崿F(xiàn)在保證信號(hào)準(zhǔn)確度的情況下的遠(yuǎn)距離傳輸。進(jìn)一步地，所述的rs485通信總線采用4芯屏蔽線，其中2根用于數(shù)據(jù)通信，另2根用于電源線。

作為優(yōu)選，本發(fā)明檢測(cè)端設(shè)置于相對(duì)的兩個(gè)門(mén)可拆的舞臺(tái)器材箱內(nèi)。該箱體具有高強(qiáng)度、抗震性優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)，方便移動(dòng)使用。

作為優(yōu)選，本發(fā)明的標(biāo)定裝置為設(shè)置于相對(duì)的兩個(gè)門(mén)可拆的舞臺(tái)器材箱內(nèi)的檢測(cè)端、連接檢測(cè)端與顯示操作端的rs485通信總線以及顯示操作端。所述的舞臺(tái)器材箱內(nèi)設(shè)置有羅茨流量傳感器、pt1000溫度傳感器、擴(kuò)散硅壓力傳感器、鋰電池以及信號(hào)采集單元，所述的信號(hào)采集單元以16位嵌入式微處理器msp430afe253為核心；所述的顯示操作端由信號(hào)處理控制單元、tft彩色液晶屏、dgus觸摸屏以及存儲(chǔ)器、sd卡組成，所述的信號(hào)處理控制單元以32位嵌入式微處理器stm32f103rd為核心。

另一方面，本發(fā)明提供了一種利用上述標(biāo)定裝置進(jìn)行標(biāo)定的方法，包括以下步驟：

(1)將羅茨流量傳感器通過(guò)帶法蘭的對(duì)接管連接于采樣器的氣體輸出口；

(2)利用羅茨流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器分別獲得采樣器的氣體輸出口中氣體的工況瞬時(shí)流量、溫度以及壓力信號(hào)，并將該工況瞬時(shí)流量、溫度以及壓力傳至信號(hào)采集單元進(jìn)行放大；

(3)放大后的工況瞬時(shí)流量、溫度以及壓力經(jīng)通信單元傳輸至信號(hào)處理控制單元；

(4)在信號(hào)處理控制單元中：根據(jù)接收的溫度、壓力計(jì)算溫度與壓力的補(bǔ)償因子，并根據(jù)該補(bǔ)償因子計(jì)算標(biāo)況瞬時(shí)流量與標(biāo)況累積流量；

(5)比較采樣器自身產(chǎn)生的測(cè)量數(shù)據(jù)與步驟(4)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，確定采樣器流量參數(shù)的檢測(cè)精度，完成采樣器的標(biāo)定。

在步驟(4)中，溫度與壓力的補(bǔ)償因子cv為：

標(biāo)況瞬時(shí)流量qo(i)(nm³/hr)為：

qo(i)＝cv×qm(i)

標(biāo)況累積流量sum(i)(nm³)為：

sum(i)＝sum(i-1)+qo(i)×3600

其中，press為壓力，temp為溫度，qm(i)為第i個(gè)采樣周期內(nèi)的工況瞬時(shí)流量。

本發(fā)明具有的優(yōu)勢(shì)為：

(1)具有大流量、高精度的氣體計(jì)量功能。本發(fā)明選用測(cè)量范圍為0～1200m3/hr，精度為0.5％的羅茨流量傳感器，以滿足氣體最大流量900m3/hr、標(biāo)定精度為1％的計(jì)量要求。

(2)采用信號(hào)處理電路與嵌入式應(yīng)用軟件結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)工況流量信號(hào)、溫度和壓力的快速、實(shí)時(shí)檢測(cè)，進(jìn)而確定標(biāo)定結(jié)果。信號(hào)采集單元與信號(hào)處理控制單元同時(shí)工作，可以很大程度上提高運(yùn)算效率。

(3)具有工況流量和標(biāo)況流量的標(biāo)定模式。標(biāo)定裝置能夠根據(jù)面板操作設(shè)置來(lái)選擇其中一種形式的氣體標(biāo)定。在標(biāo)況流量標(biāo)定時(shí)，需要通過(guò)溫度、壓力的補(bǔ)充計(jì)算和空氣壓縮因子的計(jì)算，把工況流量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一條件(20度，1個(gè)大氣壓)下的標(biāo)況流量。

(4)具有移動(dòng)標(biāo)定功能，將該裝置車載到標(biāo)定現(xiàn)場(chǎng)，改變了原來(lái)大氣采樣器氣體流量傳感器需要拆卸、運(yùn)送到計(jì)量部門(mén)進(jìn)行標(biāo)定的方式。采用低功耗電路設(shè)計(jì)和可充鋰電池供電方式，方便標(biāo)定裝置在野外的應(yīng)用。

(5)檢測(cè)端和手持端之間采用rs485數(shù)據(jù)通信方式，可靠的通信距離可以滿足檢測(cè)端接近大氣采樣器的氣體輸出口，操作員拿顯示操作端在大氣采樣器控制室內(nèi)進(jìn)行操作的工作方式。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)超大流量采樣器現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是實(shí)施例1中采樣器設(shè)備校準(zhǔn)數(shù)據(jù)圖；

圖3是實(shí)施例2中采樣器設(shè)備校準(zhǔn)數(shù)據(jù)圖。

具體實(shí)施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1，本發(fā)明輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)超大流量采樣器現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定裝置，包括：設(shè)置于相對(duì)的兩個(gè)門(mén)可拆的舞臺(tái)器材箱內(nèi)的檢測(cè)端、連接檢測(cè)端與顯示操作端的rs485通信總線以及顯示操作端。其中，舞臺(tái)器材箱內(nèi)設(shè)置有羅茨流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、鋰電池以及信號(hào)采集單元，該信號(hào)采集單元以16位嵌入式微處理器msp430afe253為核心，還包括嵌入式微處理器msp430afe253外圍電路；顯示操作端由信號(hào)處理控制單元、tft彩色液晶屏、dgus觸摸屏以及存儲(chǔ)器組成，該信號(hào)處理控制單元以32位嵌入式微處理器stm32f103rd為核心，同樣該信號(hào)處理控制單元還包括嵌入式微處理器stm32f103rd的外圍電路。

該輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)超大流量采樣器現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定裝置的使用過(guò)程為：

首先，將帶法蘭的對(duì)接管連接于采樣器的出氣口，并將羅茨流量傳感器連接于對(duì)接管上，測(cè)量采樣器出氣口的氣體流量數(shù)據(jù)，同時(shí)，利用溫度傳感器、壓力傳感器測(cè)量采樣器出氣口的氣體溫度、壓力。然后，將三個(gè)傳感器測(cè)得的微弱信號(hào)傳送至嵌入式微處理器msp430afe253進(jìn)行信號(hào)放大，接下來(lái)，將放大后的信號(hào)經(jīng)rs485通信總線輸送至嵌入式微處理器stm32f103rd，經(jīng)該微處理器補(bǔ)償處理后顯示于tft彩色液晶屏上。

此外，用戶通過(guò)顯示端的dgus觸摸屏控制整個(gè)標(biāo)定裝置的啟停、檢測(cè)數(shù)據(jù)類型的選擇、其他參數(shù)的設(shè)置以及處理結(jié)果查詢等。其中，數(shù)據(jù)類型包括工況數(shù)據(jù)(工況流量與工況累積量)、標(biāo)況數(shù)據(jù)(標(biāo)況流量與標(biāo)況累積量)。

該裝置還配置有sd接口，用戶可以將嵌入式微處理器stm32f103rd處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于sd卡中，方便使用。

在嵌入式微處理器stm32f103rd中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的具體過(guò)程為：

計(jì)算工況瞬時(shí)流量qm(i)(m³/hr)：

其中，qm(i)為第i個(gè)采樣周期內(nèi)的工況瞬時(shí)流量；t為采樣間隔時(shí)間，單位：秒；n是t秒時(shí)間內(nèi)流量傳感器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)，用定時(shí)器記錄；k是羅茨流量傳感器固有的流量系數(shù)，由傳感器廠家提供。

計(jì)算溫度temp(℃)：

temp＝kt×tad-bt

其中，kt是溫度計(jì)算的放大系數(shù)，bt是溫度計(jì)算的偏置系數(shù)，這兩個(gè)系數(shù)通過(guò)實(shí)際的溫度標(biāo)定環(huán)節(jié)得到；tad為溫度傳感器的采樣值。

計(jì)算壓力press(kpa)：

press＝kp×pad-bp

其中，kp是壓力計(jì)算的放大系數(shù)，bp是壓力計(jì)算的偏置系數(shù)，這兩個(gè)系通過(guò)實(shí)際的壓力標(biāo)定環(huán)節(jié)得到；pad為溫度傳感器的采樣值。

計(jì)算工況累積流量psum(i)(m³)：

psum(i)＝psum(i-1)+qm(i)×3600

其中，psum(i)為第i個(gè)采樣周期的工況累積流量，psum(i-1)為第i-1個(gè)采樣周期的工況累積流量，qm(i)是i個(gè)采樣周期內(nèi)的瞬時(shí)流量。

計(jì)算溫度與壓力的補(bǔ)償因子cv為：

計(jì)算標(biāo)況瞬時(shí)流量qo(i)(nm³/hr)：

qo(i)＝cv×qm(i)

計(jì)算標(biāo)況累積流量sum(i)(nm³)：

sum(i)＝sum(i-1)+qo(i)×3600

其中，sum(i)是第i個(gè)采樣周期的標(biāo)況累積流量；sum(i-1)是第i-1個(gè)采樣周期的標(biāo)況累積流量；qo(i)是第i個(gè)采樣周期內(nèi)的標(biāo)況瞬時(shí)流量。

實(shí)施例1

將上述標(biāo)定裝置帶到杭州丁橋輻射環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在溫度為26.8℃，濕度為85％，氣壓為100.01～100.31kpa的條件下，測(cè)定瞬時(shí)工況流量標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示：

表1

根據(jù)表中1中的采樣器的測(cè)量顯示值、標(biāo)定裝置的裝置顯示值數(shù)據(jù)得到的設(shè)備的矯正數(shù)據(jù)圖如圖2所示，分析該圖可以明顯地得到利用該標(biāo)定裝置對(duì)該采樣器進(jìn)行多次標(biāo)定后，該采樣器的測(cè)量誤差能夠達(dá)到0.89％。

實(shí)施例2

將上述標(biāo)定裝置帶到上海市輻射環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)定瞬時(shí)工況流量標(biāo)定數(shù)據(jù)如表2所示：

表2

根據(jù)表中2中的采樣器的測(cè)量顯示值、標(biāo)定裝置的裝置顯示值數(shù)據(jù)得到的設(shè)備的矯正數(shù)據(jù)圖如圖3所示，分析該圖可以明顯地得到利用該標(biāo)定裝置對(duì)該采樣器進(jìn)行多次標(biāo)定后，該采樣器的測(cè)量誤差在0.45％～1.65％之間，符合±2％的精度要求。

以上所述的具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的最優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充和等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。