CN107091673A - 辐射环境监测超大流量空气采样器现场标定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辐射环境监测超大流量空气采样器现场标定装置，包括：含有罗茨流量传感器、温度传感器、压力传感器以及信号采集单元的检测端；检测端与显示操作端之间的通信单元；含有信号处理控制单元和显示屏、触摸屏、存储器的显示操作端；所述的罗茨流量传感器、温度传感器、压力传感器分别检测采样器的气体输出口中气体体积流量、气体温度以及气体压力，并将这三种信号输入至信号采集单元；所述的信号采集单元将接收的三种信号放大后经通信单元输送至信号处理控制单元；所述的信号处理控制单元对接收的放大信号进行补偿处理后显示于显示屏上。该装置能够实现实时标定与移动标定，标定精度达2％，满足大流量和高精度的气体计量功能。
Description
技术领域
本发明属于辐射环境监测领域，具体涉及一种辐射环境监测超大流量空气采样器现场标定装置及方法。
背景技术
计量精度直接影响核素浓度的检测精度。空气采样器流量现场标定设备不仅可以检验空气采样器运行时的空气采样精度，而且还可以记录其偏差，通过软件补偿，提高空气采样器的空气计量精度。
对于空气采样器的流量标定，国际上现有的标定手段包括：ISO10780-1994“用比托管测量烟道气流量”，需要用指定规格的比托管插入烟道，进行多点重复测试(大于16点)，然后求取平均值。该方法的缺点是标定过程复杂、时间慢，且对气体的起始速度有一定的要求、精度较低。JJF1404-2013“大气采样器型式评价大纲”、JJG956-2013“大气采样器”中均规定了用量程为0-6L/min，精度等级为±1％的皂膜流量计对大气采样器的流量进行标定。用温度计、压力计获得温度和压力的测量值，实现温压补偿；用计时器完成累积量的统计；并与大气采样器的指示值进行对比，完成标定。由于皂膜流量的计量范围较小，不符合目前辐射环境空气采样器的大流量(最大900m3/hr)要求，而且皂膜流量需要人工读取液位，难以实现自动化的数据采样功能；标定过程中需要人工操作多个仪器完成，存在人为读数误差、过程复杂、时间慢等缺点，该方法可以用于大气采样器生产单位的生产标定，但不适合于大气采样器在现场运行时的标定。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出了一种辐射环境监测超大流量采样器现场标定装置及方法。该标定装置具有工况流量和标况流量的标定模式，能够实现实时标定与移动标定，标定精度达1％，满足大流量和高精度的气体计量功能。
本发明的技术方案为：
一种辐射环境监测超大流量采样器现场标定装置，包括：含有罗茨流量传感器、温度传感器、压力传感器以及信号采集单元的检测端；检测端与显示操作端之间的通信单元；含有信号处理控制单元、显示屏、触摸屏以及存储器的显示操作端；所述罗茨流量传感器、温度传感器、压力传感器分别检测采样器的气体输出口中气体工况瞬时流量、温度以及压力，并将这三种信号输入至信号采集单元；所述信号采集单元将接收的三种信号放大后经通信单元输送至信号处理控制单元；所述信号处理控制单元对接收的工况瞬时流量结合温度与压力进行补偿处理后显示于显示屏上。
本发明采用的罗茨流量传感器是一种容积式流量器。它内部设计有构成一定容积的计量室空间，计量室内有一对或两对可以相切旋转的腰轮，在流量计壳体外面与两个腰轮同轴安装了一对驱动齿轮，驱动齿轮的相互啮合使两个腰轮可以相互联动。利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量。
罗茨流量传感器测量精度高，基本误差一般为±0.5％，特殊的可达±0.2％或者更高。罗茨流量传感器是直读式仪表，测量速度快，且无需外部能源，仅利用流体本身的能量就可以运行。此外，罗茨流量传感器可直接获得累计总量，具有清晰明了、远传控制等优点。
温度传感器、压力传感器采用市面上普通的传感器即可。相对于传统的温度计、压力计，温度传感器、压力传感器具有较高的灵敏度、测量精度以及稳定性，能够实现对采样器输气管中气体的实时稳定地监测与测量。
作为优选，本发明采用PT1000温度传感器，该传感器把气体的温度变化转换成电阻变化，检测电桥把PT1000的电阻转换成电压信号，经过A/D转换得到温度的采样值Tad。
作为优选，本发明采用扩散硅压力传感器，该传感器把气体的压力变化转换成电压变化，经过放大器电路后、由A/D转换得到压力的采样值Pad。
考虑到实际应用时，传感器会放置在大气采样器附近，显示操作端在大气采样器的控制室内使用，两者有一定的距离(约十几米)。由于温度、压力、流量传感器的输出信号为微弱信号，不适于较长距离的传输，如果采样十几米长的导线直接传送，会引入较大的空间电磁干扰以及导线阻抗随环境温度变化而波动等因素的影响，难以保证计量精度。因此，本发明检测端增加了安装在流量传感器旁具有弱信号放大功能的信号采集单元，就近实现对温度、压力以及流量脉冲信号的计量放大，并将放大后的信号经通信单元传输至显示终端，保证数据通信不会损失计量精度。
作为优选，所述的信号采集单元以16位嵌入式微处理器MSP430AFE253为核心，因为该处理器内部集成24位ε–δ型A/D、程控放大器PGA等高精度计量部件，能够实现温度、压力的高精度计量。
作为优选，所述的信号处理控制单元以32位嵌入式微处理器STM32F103RD为核心，通过通信单元连接信号检测电路，获取流量、温度、压力信号，并对这流量信号进行温度与压力补偿计算，然后，将计算结果显示于显示屏上。根据物理学上的气体状态方程，对工况流量进行温度与压力补偿，从而得到标况流量和标况累积量的具体过程为：
工况瞬时流量Qm(i)(m3/hr)为：
其中，Qm(i)为第i个采样周期内的工况瞬时流量；T为采样间隔时间，单位：秒；N是T秒时间内流量传感器发出的脉冲个数，用定时器记录；K是罗茨流量传感器固有的流量系数，由传感器厂家提供。
温度Temp(℃)为：
Temp＝Kt×Tad-Bt
其中，Kt是温度计算的放大系数，Bt是温度计算的偏置系数，这两个系数通过实际的温度标定环节得到；Tad为温度传感器的采样值。
压力Press(kPa)为：
Press＝Kp×Pad-Bp
其中，Kp是压力计算的放大系数，Bp是压力计算的偏置系数，这两个系通过实际的压力标定环节得到；Pad为温度传感器的采样值。
工况累积流量psum(i)(m3)为：
Psum(i)＝Psum(i-1)+Qm(i)×3600
其中，Psum(i)为第i个采样周期的工况累积流量，Psum(i-1)为第i-1个采样周期的工况累积流量，Qm(i)是i个采样周期内的瞬时流量。
温度与压力的补偿因子Cv为：
标况瞬时流量Qo(i)(Nm3/hr)为：
Qo(i)＝Cv×Qm(i)
标况累积流量Sum(i)(Nm3)为：
Sum(i)＝Sum(i-1)+Qo(i)×3600
其中，Sum(i)是第i个采样周期的标况累积流量；Sum(i-1)是第i-1个采样周期的标况累积流量；Qo(i)是第i个采样周期内的标况瞬时流量。
所述的信号处理控制单元具有接收触摸屏上的用户按键命令，控制标定装置的启停、参数设置以及结果查询等功能。通过在触摸屏上输入采样器自身产生的测量数据，与信号处理控制单元处理得到信号进行比较，确定采样器流量参数的检测精度，从而完成空气流量的标定工作。
作为优选，所述的显示屏为TFT彩色液晶屏。
作为优选，所述的触摸屏为DGUS触摸屏，用户可以通过操作触摸屏来起停流量标定程序、查看实时数据、设置相关参数。
作为优选，所述的显示端还设有SD接口，用户可以将嵌入式微处理器STM32F103RD处理后的数据存储于SD卡中，方便使用。
作为优选，所述的检测端还配置有为信号采集单元内部电源，该内部电源可以为12V、4000mAHr容量的可充电锂电池，具有使用方便、安全性高等优点。初步测试表明该电池充满电后，标定装置能连续运行约8个小时，符合实际使用的要求。作为优选，本发明还提供与内部电池配套的12v充电器。
作为优选，所述的通信单元为RS485通信总线，该总线的有效传输距离为1000米，能够实现在保证信号准确度的情况下的远距离传输。进一步地，所述的RS485通信总线采用4芯屏蔽线，其中2根用于数据通信，另2根用于电源线。
作为优选，本发明检测端设置于相对的两个门可拆的舞台器材箱内。该箱体具有高强度、抗震性优等优点，方便移动使用。
作为优选，本发明的标定装置为设置于相对的两个门可拆的舞台器材箱内的检测端、连接检测端与显示操作端的RS485通信总线以及显示操作端。所述的舞台器材箱内设置有罗茨流量传感器、PT1000温度传感器、扩散硅压力传感器、锂电池以及信号采集单元，所述的信号采集单元以16位嵌入式微处理器MSP430AFE253为核心；所述的显示操作端由信号处理控制单元、TFT彩色液晶屏、DGUS触摸屏以及存储器、SD卡组成，所述的信号处理控制单元以32位嵌入式微处理器STM32F103RD为核心。
另一方面，本发明提供了一种利用上述标定装置进行标定的方法，包括以下步骤：
(1)将罗茨流量传感器通过带法兰的对接管连接于采样器的气体输出口；
(2)利用罗茨流量传感器、温度传感器、压力传感器分别获得采样器的气体输出口中气体的工况瞬时流量、温度以及压力信号，并将该工况瞬时流量、温度以及压力传至信号采集单元进行放大；
(3)放大后的工况瞬时流量、温度以及压力经通信单元传输至信号处理控制单元；
(4)在信号处理控制单元中：根据接收的温度、压力计算温度与压力的补偿因子，并根据该补偿因子计算标况瞬时流量与标况累积流量；
(5)比较采样器自身产生的测量数据与步骤(4)计算得到的数据，确定采样器流量参数的检测精度，完成采样器的标定。
在步骤(4)中，温度与压力的补偿因子Cv为：
标况瞬时流量Qo(i)(Nm3/hr)为：
Qo(i)＝Cv×Qm(i)
标况累积流量Sum(i)(Nm3)为：
Sum(i)＝Sum(i-1)+Qo(i)×3600
其中，Press为压力，Temp为温度，Qm(i)为第i个采样周期内的工况瞬时流量。
本发明具有的优势为：
(1)具有大流量、高精度的气体计量功能。本发明选用测量范围为0～1200m3/hr，精度为0.5％的罗茨流量传感器，以满足气体最大流量900m3/hr、标定精度为1％的计量要求。
(2)采用信号处理电路与嵌入式应用软件结合的方式，实现工况流量信号、温度和压力的快速、实时检测，进而确定标定结果。信号采集单元与信号处理控制单元同时工作，可以很大程度上提高运算效率。
(3)具有工况流量和标况流量的标定模式。标定装置能够根据面板操作设置来选择其中一种形式的气体标定。在标况流量标定时，需要通过温度、压力的补充计算和空气压缩因子的计算，把工况流量转换成统一条件(20度，1个大气压)下的标况流量。
(4)具有移动标定功能，将该装置车载到标定现场，改变了原来大气采样器气体流量传感器需要拆卸、运送到计量部门进行标定的方式。采用低功耗电路设计和可充锂电池供电方式，方便标定装置在野外的应用。
(5)检测端和手持端之间采用RS485数据通信方式，可靠的通信距离可以满足检测端接近大气采样器的气体输出口，操作员拿显示操作端在大气采样器控制室内进行操作的工作方式。
附图说明
图1是本发明辐射环境监测超大流量采样器现场标定装置的结构示意图；
图2是实施例1中采样器设备校准数据图；
图3是实施例2中采样器设备校准数据图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
参见图1，本发明辐射环境监测超大流量采样器现场标定装置，包括：设置于相对的两个门可拆的舞台器材箱内的检测端、连接检测端与显示操作端的RS485通信总线以及显示操作端。其中，舞台器材箱内设置有罗茨流量传感器、温度传感器、压力传感器、锂电池以及信号采集单元，该信号采集单元以16位嵌入式微处理器MSP430AFE253为核心，还包括嵌入式微处理器MSP430AFE253外围电路；显示操作端由信号处理控制单元、TFT彩色液晶屏、DGUS触摸屏以及存储器组成，该信号处理控制单元以32位嵌入式微处理器STM32F103RD为核心，同样该信号处理控制单元还包括嵌入式微处理器STM32F103RD的外围电路。
该辐射环境监测超大流量采样器现场标定装置的使用过程为：
首先，将带法兰的对接管连接于采样器的出气口，并将罗茨流量传感器连接于对接管上，测量采样器出气口的气体流量数据，同时，利用温度传感器、压力传感器测量采样器出气口的气体温度、压力。然后，将三个传感器测得的微弱信号传送至嵌入式微处理器MSP430AFE253进行信号放大，接下来，将放大后的信号经RS485通信总线输送至嵌入式微处理器STM32F103RD，经该微处理器补偿处理后显示于TFT彩色液晶屏上。
此外，用户通过显示端的DGUS触摸屏控制整个标定装置的启停、检测数据类型的选择、其他参数的设置以及处理结果查询等。其中，数据类型包括工况数据(工况流量与工况累积量)、标况数据(标况流量与标况累积量)。
该装置还配置有SD接口，用户可以将嵌入式微处理器STM32F103RD处理后的数据存储于SD卡中，方便使用。
在嵌入式微处理器STM32F103RD中，对信号进行处理的具体过程为：
计算工况瞬时流量Qm(i)(m3/hr)：
其中，Qm(i)为第i个采样周期内的工况瞬时流量；T为采样间隔时间，单位：秒；N是T秒时间内流量传感器发出的脉冲个数，用定时器记录；K是罗茨流量传感器固有的流量系数，由传感器厂家提供。
计算温度Temp(℃)：
Temp＝Kt×Tad-Bt
其中，Kt是温度计算的放大系数，Bt是温度计算的偏置系数，这两个系数通过实际的温度标定环节得到；Tad为温度传感器的采样值。
计算压力Press(kPa)：
Press＝Kp×Pad-Bp
其中，Kp是压力计算的放大系数，Bp是压力计算的偏置系数，这两个系通过实际的压力标定环节得到；Pad为温度传感器的采样值。
计算工况累积流量psum(i)(m3)：
Psum(i)＝Psum(i-1)+Qm(i)×3600
其中，Psum(i)为第i个采样周期的工况累积流量，Psum(i-1)为第i-1个采样周期的工况累积流量，Qm(i)是i个采样周期内的瞬时流量。
计算温度与压力的补偿因子Cv为：
计算标况瞬时流量Qo(i)(Nm3/hr)：
Qo(i)＝Cv×Qm(i)
计算标况累积流量Sum(i)(Nm3)：
Sum(i)＝Sum(i-1)+Qo(i)×3600
其中，Sum(i)是第i个采样周期的标况累积流量；Sum(i-1)是第i-1个采样周期的标况累积流量；Qo(i)是第i个采样周期内的标况瞬时流量。
实施例1
将上述标定装置带到杭州丁桥辐射环境自动监测站进行现场测试，在温度为26.8℃，湿度为85％，气压为100.01～100.31kPa的条件下，测定瞬时工况流量标定数据如表1所示：
表1
根据表中1中的采样器的测量显示值、标定装置的装置显示值数据得到的设备的矫正数据图如图2所示，分析该图可以明显地得到利用该标定装置对该采样器进行多次标定后，该采样器的测量误差能够达到0.89％。
实施例2
将上述标定装置带到上海市辐射环境自动监测站进行现场测试，测定瞬时工况流量标定数据如表2所示：
表2
根据表中2中的采样器的测量显示值、标定装置的装置显示值数据得到的设备的矫正数据图如图3所示，分析该图可以明显地得到利用该标定装置对该采样器进行多次标定后，该采样器的测量误差在0.45％～1.65％之间，符合±2％的精度要求。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种辐射环境监测超大流量采样器现场标定装置，其特征在于，包括：含有罗茨流量传感器、温度传感器、压力传感器以及信号采集单元的检测端；检测端与显示操作端之间的通信单元；含有信号处理控制单元、显示屏、触摸屏以及存储器的显示操作端；所述罗茨流量传感器、温度传感器、压力传感器分别检测采样器的气体输出口中气体工况瞬时流量、温度以及压力，并将这三种信号输入至信号采集单元；所述信号采集单元将接收的三种信号放大后经通信单元输送至信号处理控制单元；所述信号处理控制单元对接收的工况瞬时流量结合温度与压力进行补偿处理后显示于显示屏上。
2.如权利要求1所述的辐射环境监测超大流量采样器现场标定装置，其特征在于，所述的信号采集单元以16位嵌入式微处理器MSP430AFE253为核心。
3.如权利要求1所述的辐射环境监测超大流量采样器现场标定装置，其特征在于，所述的信号处理控制单元以32位嵌入式微处理器STM32F103RD为核心。
4.如权利要求1所述的辐射环境监测超大流量采样器现场标定装置，其特征在于，所述的检测端配置有内部电源。
5.如权利要求1所述的辐射环境监测超大流量采样器现场标定装置，其特征在于，所述的通信单元为RS485通信总线。
6.如权利要求1所述的辐射环境监测超大流量采样器现场标定装置，其特征在于，所述的检测端设置于相对的两个门可拆的舞台器材箱内。
7.如权利要求1所述的辐射环境监测超大流量采样器现场标定装置，其特征在于，所述的显示屏为TFT彩色液晶屏，所述的触摸屏为DGUS触摸屏。
8.一种利用权利要求1～7任一所述的标定装置进行标定的方法，包括以下步骤：
(1)将罗茨流量传感器通过带法兰的对接管连接于采样器的气体输出口；
(2)利用罗茨流量传感器、温度传感器、压力传感器分别获得采样器的气体输出口中气体的工况瞬时流量、温度以及压力信号，并将该工况瞬时流量、温度以及压力信号传至信号采集单元进行放大；
(3)放大后的工况瞬时流量、温度以及压力经通信单元传输至信号处理控制单元；
(4)在信号处理控制单元中：根据接收的温度、压力计算温度与压力的补偿因子，并根据该补偿因子计算标况瞬时流量与标况累积流量；
(5)比较采样器自身产生的测量数据与步骤(4)计算得到的数据，确定采样器流量参数的检测精度，完成采样器的标定。
9.如权利要求8所述的标定方法，其特征在于，在步骤(4)中，温度与压力的补偿因子Cv为：
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<mi>C</mi>
<mi>v</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>273.15</mn>
<mo>&times;</mo>
<mi>Pr</mi>
<mi>e</mi>
<mi>s</mi>
<mi>s</mi>
</mrow>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>273.15</mn>
<mo>+</mo>
<mi>T</mi>
<mi>e</mi>
<mi>m</mi>
<mi>p</mi>
<mo>)</mo>
<mo>&times;</mo>
<mn>101.35</mn>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
标况瞬时流量Qo(i)(Nm3/hr)为：
Qo(i)＝Cv×Qm(i)
标况累积流量Sum(i)(Nm3)为：
Sum(i)＝Sum(i-1)+Qo(i)×3600
其中，Press为压力，Temp为温度，Qm(i)为第i个采样周期内的工况瞬时流量。
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2017
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