CN107831524B - 氡析出率连续测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氡析出率连续测量装置及测量方法，包括测氡仪，所述测氡仪包括储气罐，还包括控制器和集氡罩，所述集氡罩为一罩体，罩体内顶部设有一导流板，且储气罐体积小于集氡罩体积10%，所述集氡罩一端设有进气管，另一端设有出气管，所述测氡仪设置在出气管上，并与控制器连接；还包括一空气流量测控单元、一干燥系统、一传感器组、一GPRS系统和一供电单元。本发明能改变测量处的环境状态，通过干燥系统控制测量气体的湿度，通过导流板使大气流的气体变得均匀，通过可控气泵调节集氡罩内氡气浓度，从而使测量过程处于无湿度、氡气浓度、氡气反扩散系数干扰的状态下，提高了测量精度。

Description

氡析出率连续测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种氡气析出率测量装置及测量方法，尤其涉及一种氡析出率连续测量装置及测量方法。

背景技术

氡气析出率的测量在辐射环境领域具有重要作用，尤其在铀矿山退役、矿山尾矿监测等。氡气析出率的连续监测在地质灾害、地质勘查等领域也有广泛应用。而目前对于氡析出率的连续监测装置中，主要基于流气式原理进行监测。

根据现有技术中孙轲等人的描述，流气式氡系数率的监测设备主要由氡气测量仪、气泵和集氡罩组成。孙轲等人采用alpha guard仪器作为测量主机，完成氡气测量。该主机无远程数据传输能力，工作人员需要值守操作，并且采用单泵过滤室取样，难以达到优化氡气测量误差优化的目的。而肖德涛等人所申请的发明专利，采用连续累计式测量，对于高浓度氡气析出率测量由于反扩散存在氡气析出率测量结果受到影响。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，能够在野外现场开展连续氡气测量，并进行远程数据访问和记录，适合开展铀矿退役、尾矿库或者地震监测中氡气析出率连续监测的氡析出率连续测量装置及测量方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种氡析出率连续测量装置，包括测氡仪，所述测氡仪包括储气罐，还包括控制器和集氡罩，所述集氡罩为一罩体，罩体内顶部设有一导流板，且储气罐体积小于集氡罩体积的10%，所述集氡罩一端设有进气管，另一端设有出气管，所述测氡仪设置在出气管上，并与控制器连接；

还包括一空气流量测控单元、一干燥系统、一传感器组、一GPRS系统和一供电单元；

所述空气流量测控单元包括流量传感器和可控气泵，所述流量传感器设置在出气管内，所述可控气泵设置在测氡仪的出气端，所述流量传感器和可控气泵均与控制器连接，由控制器根据流量传感器和测氡仪的数据控制可控气泵工作；

所述干燥系统设置在集氡罩和测氡仪间的出气管上，包括竖直设置的铝盒、铝盒内从上到下依次设有散热器、半导体制冷片和干燥器，

所述半导体制冷片的冷端与铝盒通过导热硅脂紧贴，热端连接散热器底部，所述干燥器包括数根竖直设置的U型气管，所述U型气管采用铝制成，顶部与半导体制冷片底部连接，底部设有冷凝水收集罐，所述冷凝水收集罐为球形，其顶部与U型气管连通，所述U型气管靠近冷凝水收集罐处设有温度传感器，所述温度传感器和半导体制冷片与控制器连接，由控制器根据温度传感器的数据控制半导体制冷片工作；所述铝盒不与半导体制冷片接触的其余面采用聚氨酯发泡剂密封，形成对外界绝热的绝热层；

所述GPRS系统与控制器连接，用于发送经控制器处理后的数据。

作为优选：所述供电单元为太阳能供电，还包括传感器组，所述传感器组包括用于测量土壤数据的土壤湿度传感器、土壤温度传感器，和测量周边空气数据的空气湿度、空气温度、气压传感器；所述传感器组与控制器连接。

作为优选：所述导流板为一内部空心的板材结构，进气管贯穿集氡罩后与导流板内部连通，所述导流板下部设有与其内部连通的引出管，所述导流板上还有数个不与内部连通，且贯穿导流板上下两面的气孔，所述气孔分布不均匀，且靠近导流板边沿处分布密。

作为优选：所述进气管上靠近进气口处设有滤膜，所述干燥系统和测氡仪间也设有滤膜，所述滤膜用于滤除空气中氡气固态子体。

一种氡析出率连续测量方法，包括以下步骤，

（1）选择一探测区域，探测区域内安装氡析出率连续测量装置，其中，集氡罩扣在探测区域的土地上，将传感器组中测量土壤数据的土壤湿度传感器、土壤温度传感器插入泥土中，测量周边空气数据的空气湿度、空气温度、气压传感器；所述传感器组暴露在空气中；所述氡析出率连续测量装置中，测氡仪的测量动态范围A Bq/ L~B Bq/L，则最佳测量精度为(A+B)/2 Bq/L；

（2）开启氡析出率连续测量装置，控制干燥器工作，控制可控气泵处于慢速工作状态，集氡罩内氡气浓度逐渐升高，并由测氡仪探测到，探测到的氡气浓度为C；

（3）设一测氡仪正常工作的阈值ε，若达到，则调整气可控气泵的工作速度，使集氡罩内氡气浓度保持到该范围内；

（4）控制器根据下式计算氡气析出率F

其中，C为氡气浓度，t为时间，S为集氡罩覆盖探测区域土地的面积，V为集氡罩体积，为氡的衰变常数，为氡气反扩散系数，为可控气泵的流量。

作为优选：所述步骤（2）还包括以下步骤：控制干燥系统工作为：监控干燥系统内温度传感器的温度，使氡析出率连续测量装置工作于4℃温度，若干燥系统内温度传感器低于0℃，则报警。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明能够在野外现场开展连续氡气测量，并进行远程数据访问和记录，适合开展铀矿退役、尾矿库或者地震监测中氡气析出率连续监测。

同时，本发明能改变测量处的环境状态，通过干燥系统控制测量的湿度，通过导流板使大气流的气体变得均匀，通过可控气泵调节集氡罩内氡气浓度，从而使测量过程处于无湿度、氡气浓度和氡气反扩散干扰的状态下，提高了测量精度。另外还具有以下优点：

（1）系统可在偏远地区无人维护状态下运行，并实现数据实时传输；

（2）系统采用流量调节方式，控制集氡罩内氡气浓度处于仪器测量的动态范围内，并处于最佳测量浓度范围；

（3）装置可长时间干燥空气，无需进行干燥剂更换，适合在野外长时间测量；

（4）系统采用太阳能电池供电，并由中控系统实施电源管理，采用控制半导体制冷片功率、系统休眠等方式，降低系统功率，提高系统工作时间。

附图说明

图1为本发的明结构示意图；

图2为干燥系统的结构示意图；

图3为导流板结构示意图；

图4为干燥设备运行除湿过程图；

图5为工作后，集氡罩内氡气浓度随时间变化规律图。

图中：1、探测区域；2、集氡罩；3、导流板；4、进气管；5、出气管；6、铝盒；7、半导体制冷片；8、温度传感器；9、U型气管；10、冷凝水收集罐；11、引出管；12、气孔；13、散热器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1到图5，一种氡析出率连续测量装置，包括测氡仪，所述测氡仪包括储气罐，还包括控制器和集氡罩2，所述集氡罩2为一罩体，罩体内顶部设有一导流板3，且储气罐体积小于集氡罩2体积的10%，所述集氡罩2一端设有进气管4，另一端设有出气管5，所述测氡仪设置在出气管5上，并与控制器连接；

还包括一空气流量测控单元、一干燥系统、一传感器组、一GPRS系统和一供电单元；

所述空气流量测控单元包括流量传感器和可控气泵，所述流量传感器设置在出气管5内，所述可控气泵设置在测氡仪的出气端，所述流量传感器和可控气泵均与控制器连接，由控制器根据流量传感器和测氡仪的数据控制可控气泵工作；

所述干燥系统设置在集氡罩2和测氡仪间的出气管5上，包括竖直设置的铝盒6、铝盒6内从上到下依次设有散热器13、半导体制冷片7和干燥器，

所述半导体制冷片7的冷端与铝盒6通过导热硅脂紧贴，热端连接散热器13底部，所述干燥器包括数根竖直设置的U型气管9，所述U型气管9采用铝制成，顶部与半导体制冷片7底部连接，底部设有冷凝水收集罐10，所述冷凝水收集罐10为球形，其顶部与U型气管9连通，所述U型气管9靠近冷凝水收集罐10处设有温度传感器8，所述温度传感器8和半导体制冷片7与控制器连接，由控制器根据温度传感器8的数据控制半导体制冷片7工作；所述铝盒6不与半导体制冷片7接触的其余面采用聚氨酯发泡剂密封，形成对外界绝热的绝热层；

所述GPRS系统与控制器连接，用于发送经控制器处理后的数据。

本实施例中：所述供电单元为太阳能供电，还包括传感器组，所述传感器组包括用于测量土壤数据的土壤湿度传感器、土壤温度传感器8，和测量周边空气数据的空气湿度、空气温度、气压传感器；所述传感器组与控制器连接。

所述导流板3为一内部空心的板材结构，进气管4贯穿集氡罩2后与导流板3内部连通，所述导流板3下部设有与其内部连通的引出管11，所述导流板3上还有数个不与内部连通，且贯穿导流板3上下两面的气孔12，所述气孔12分布不均匀，且靠近导流板3边沿处分布密。

所述进气管4上靠近进气口处设有滤膜，所述干燥系统和测氡仪间也设有滤膜，所述滤膜用于滤除空气中氡气固态子体。

一种氡析出率连续测量方法，包括以下步骤，

（1）选择一探测区域1，探测区域1内安装氡析出率连续测量装置，其中，集氡罩2扣在探测区域1的土地上，将传感器组中测量土壤数据的土壤湿度传感器、土壤温度传感器8插入泥土中，测量周边空气数据的空气湿度、空气温度、气压传感器；所述传感器组暴露在空气中；所述氡析出率连续测量装置中，测氡仪的测量动态范围A Bq/ L~B Bq/L，则最佳测量精度为(A+B)/2 Bq/L；

（2）开启氡析出率连续测量装置，控制干燥器工作，控制可控气泵处于慢速工作状态，集氡罩2内氡气浓度逐渐升高，并由测氡仪探测到，探测到的氡气浓度为C；

（3）设一测氡仪正常工作的阈值ε，若达到，则调整气可控气泵的工作速度，使集氡罩2内氡气浓度保持到该范围内；

（4）控制器根据下式计算氡气析出率F

其中，C为氡气浓度，t为时间，S为集氡罩2覆盖探测区域1土地的面积，V为集氡罩2体积，为氡的衰变常数，为氡气反扩散系数，为可控气泵的流量。

本实施例中：所述步骤（2）还包括以下步骤：控制干燥系统工作为：监控干燥系统内温度传感器8的温度，使氡析出率连续测量装置工作于4℃温度，若干燥系统内温度传感器8低于0℃，则报警。

从图4可知，随着温度的降低,空气变得干燥，湿度可以控制在30-40%之间。从图中可知，湿度控制在一定范围内，能减小湿度对氡气测量的干扰，本发明通过此方法，来解决湿度对氡气浓度测量的干扰。图5反映了集氡罩2内氡气变化规律，可以看出，氡气变化最后稳定在6000-7000Bq/m³的范围内，达到了预期的目的。

本发明具备现有技术中无法具备的多种优点。

首先，现在的测氡仪无法控制其气体的流量，本发明通过流量传感器、可空气泵的结合，实现了测氡仪中气体流量可调、可控的优点，这样，能够使我们在测量过程中，根据需要调整集氡罩2内氡气的浓度。通过气体流量的调节，使得氡气浓度处于仪器最佳的测量动态范围内。

另外，本发明可以使集氡罩2内的氡气浓度变得均匀，避免气压及不均匀气体对氡气浓度测量的干扰。现有技术中，集氡罩2仅为一个普通罩体盖住土壤，一侧设有进气端口，顶部中心设有抽气端口，在有大气流通过时，抽气端口正下方会形成一个低气压，此处气体浓度和周边气体浓度产生偏差，会导致测量的氡气浓度不准确。本发明中，集氡罩2其设计的最终目的是在大气气流状态下,让气流能够均匀的从集氡罩2内通过。本发明采用导流板3实现，气流由外部进入导流板3，再从引气口流入集氡罩2内；导流板3上有不均匀的气孔12，为了保持集氡罩2内部气流的均匀，集氡罩2中间气孔12稀疏，周边气孔12密集，气流从集氡罩2内由气孔12流出，经出气管5排出。这种不规则的气孔12设置，会与前文提到的低气压相抵消，从而使集氡罩2内的氡气浓度变得均匀，避免气压及不均匀气体对氡气浓度测量的干扰。

另外，本发明设置了干燥系统，通过干燥系统控制测量的湿度，本发明采用的干燥系统，干燥的温度、湿度可调可控，能使氡气浓度测量恒定在一个预定的湿度范围内，克服湿度对氡气浓度测量的干扰。且本发明干燥器结构特殊，无需使用干燥剂，采用本发明的干燥系统，可以进行长期工作，解决了频繁换干燥剂的问题，能够在野外开展连续长期监测。

本发明能适应多种恶劣的测量现场，能改变测量处的环境状态，通过干燥系统控制测量气体的湿度，通过导流板3使大气流的气体变得均匀，通过可控气泵调节集氡罩2内氡气浓度，从而使测量过程处于无湿度、氡气浓度、氡气反扩散系数干扰的状态下，提高了测量精度。

Claims (4)

1.一种氡析出率连续测量装置，包括测氡仪，所述测氡仪包括储气罐，其特征在于：还包括控制器和集氡罩，所述集氡罩为一罩体，罩体内顶部设有一导流板，且储气罐体积小于集氡罩体积的10％，所述集氡罩一端设有进气管，另一端设有出气管，所述测氡仪设置在出气管上，并与控制器连接；

还包括一空气流量测控单元、一干燥系统、一传感器组、一GPRS系统和一供电单元；

所述空气流量测控单元包括流量传感器和可控气泵，所述流量传感器设置在出气管内，所述可控气泵设置在测氡仪的出气端，所述流量传感器和可控气泵均与控制器连接，由控制器根据流量传感器和测氡仪的数据控制可控气泵工作；

所述干燥系统设置在集氡罩和测氡仪间的出气管上，包括竖直设置的铝盒、铝盒内从上到下依次设有散热器、半导体制冷片和干燥器，

所述半导体制冷片的冷端与铝盒通过导热硅脂紧贴，热端连接散热器底部，所述干燥器包括数根竖直设置的U型气管，所述U型气管采用铝制成，顶部与半导体制冷片底部连接，底部设有冷凝水收集罐，所述冷凝水收集罐为球形，其顶部与U型气管连通，所述U型气管靠近冷凝水收集罐处设有温度传感器，所述温度传感器和半导体制冷片与控制器连接，由控制器根据温度传感器的数据控制半导体制冷片工作；所述铝盒不与半导体制冷片接触的其余面采用聚氨酯发泡剂密封，形成对外界绝热的绝热层；

所述GPRS系统与控制器连接，用于发送经控制器处理后的数据；

所述导流板为一内部空心的板材结构，进气管贯穿集氡罩后与导流板内部连通，所述导流板下部设有与其内部连通的引出管，所述导流板上还有数个不与内部连通，且贯穿导流板上下两面的气孔，所述气孔分布不均匀，且靠近导流板边沿处分布密；

所述进气管上靠近进气口处设有滤膜，所述干燥系统和测氡仪间也设有滤膜，所述滤膜用于滤除空气中氡气固态子体。

2.根据权利要求1所述的氡析出率连续测量装置，其特征在于：所述供电单元为太阳能供电，还包括传感器组，所述传感器组包括用于测量土壤数据的土壤湿度传感器、土壤温度传感器，和测量周边空气数据的空气湿度、空气温度、气压传感器；所述传感器组与控制器连接。

3.一种氡析出率连续测量方法，其特征在于：包括以下步骤，

(1)选择一探测区域，探测区域内安装氡析出率连续测量装置，其中，集氡罩扣在探测区域的土地上，将传感器组中测量土壤数据的土壤湿度传感器、土壤温度传感器插入泥土中，测量周边空气数据的空气湿度、空气温度、气压传感器；所述传感器组暴露在空气中；所述氡析出率连续测量装置中，测氡仪的测量动态范围A Bq/L～B Bq/L，则最佳测量精度为(A+B)/2Bq/L；

(2)开启氡析出率连续测量装置，控制干燥器工作，控制可控气泵处于慢速工作状态，集氡罩内氡气浓度逐渐升高，并由测氡仪探测到，探测到的氡气浓度为C；

(3)设一测氡仪正常工作的阈值ε，若达到

则调整气可控气泵的工作速度，使集氡罩内氡气浓度保持到该范围内；

(4)控制器根据下式计算氡气析出率F

其中，C为氡气浓度，t为时间，S为集氡罩覆盖探测区域土地的面积，V为集氡罩体积，λ_e为氡的衰变常数，f为氡气反扩散系数，u为可控气泵的流量。

4.根据权利要求3所述的氡析出率连续测量方法，其特征在于：所述步骤(2)还包括以下步骤：控制干燥系统工作为：监控干燥系统内温度传感器的温度，使氡析出率连续测量装置工作于4℃温度，若干燥系统内温度传感器低于0℃，则报警。

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