CN109188491B - 开环式自适应测量水中镭浓度的方法 - Google Patents

开环式自适应测量水中镭浓度的方法 Download PDF

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Abstract

开环式自适应测量水中镭浓度的装置及方法，测量装置中，进气管套及出气管套分别安装在瓶盖上，进气管插在进气管套上，出气管插在出气管套上，出气管与气泵的进气端连接，气泵的出气端与三通电磁阀的进气端连接，三通电磁阀的第一出气端与测氡仪的进气端连接，三通电磁阀的第二出气端与大气环境相通，测氡仪的出气端与流量计连接。测量时，将装有待测水样的测量装置放置在恒温环境中，气泵以一定流率控制空气进入进气管鼓泡，将待测水样中的氡携带出来，通过出气管进入气泵，然后进入测氡仪测得气态氡浓度，再根据环境温度、待测水样的体积、气泵的流率以及测氡仪的读数计算出水样中的镭浓度。

Description

开环式自适应测量水中镭浓度的方法
技术领域
本发明涉及一种核辐射探测技术，特别是一种开环式自适应测量水中镭浓度的方法。
背景技术
镭(Ra-226)是一种极毒的亲骨性α放射性核素，它在体内的大量沉积会诱发骨癌或白血病，从而危害人体健康。镭(Ra-226)在地下水活度普遍较高，比一般的地表水(河水、湖水、海水等)的活度高1-2个数量级；世界上许多地区的饮用水源是地下水，部分地区地下水中天然含有高浓度的镭元素或随着不同矿产例如铀矿山等的开采有大量的镭元素活化释放进入到地下水，使得人们在使用地下水做饮用水源时存在较大的安全隐患，因而在进行饮用水源选取时需要对当地的地下水中含有的镭元素的浓度进行长期的监测。现有技术水中镭元素浓度的测量装置及测量方法复杂且测量时间长，需要一种可实现快速测量水中镭浓度的装置及方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种开环式自适应测量水中镭浓度的方法，利用该方法能快速得到准确的水中镭浓度。
本发明的技术方案是：开环式自适应测量水中镭浓度的方法，基于开环式自适应测量水中镭浓度的装置，该装置包括水样测量瓶、瓶盖、进气管套、出气管套、进气管、出气管、气泵、测氡仪、流量计及三通电磁阀。
进气管套及出气管套分别安装在瓶盖上，进气管插在进气管套上，出气管插在出气管套上，出气管通过软管与气泵的进气端连接，气泵的出气端通过软管与三通电磁阀的进气端连接，三通电磁阀的第一出气端通过软管与测氡仪的进气端连接，三通电磁阀的第二出气端与大气环境相通，测氡仪的出气端通过软管与流量计连接；
包括测量过程和计算过程，其具体步骤如下：
一、测量过程
A、将开环式自适应测量水中镭浓度的装置放置在恒温的环境，并测量环境温度；
B、将待测水样倒入水样测量瓶内，并盖紧瓶盖，进气管的出气口在待测水样内并靠近水样测量瓶的瓶底，出气管的进气口位于待测水样液面上；
C、打开三通电磁阀的第二出气端，关闭三通电磁阀的第一出气端，启动气泵，控制气泵的流率，使得空气通过进气管进入待测样水中鼓泡，同时将待测样水中的氡携带出来，通过出气管进入气泵进入三通电磁阀，然后从三通电磁阀的第二出气端进入大气环境，由于气泵的流率非常大，气泵启动5-30分钟后，能够认为气路中氡的浓度为0；
D、关闭三通电磁阀的第二出气端，打开三通电磁阀的第一出气端，通过获取流量计读数来控制气泵调小流率，流率低于步骤C中的流率，使得空气通过进气管进入待测样水中鼓泡，同时将待测样水中的氡携带出来，通过出气管进入气泵进入三通电磁阀，然后从三通电磁阀的第一出气端进入测氡仪后，再通过流量计进入大气环境。
二、计算过程
根据环境温度、待测水样的体积、气泵的流率以及测氡仪的读数计算水样中的镭浓度水样测量瓶中的水中的氡来源于水中镭的衰变。待测水样中的氡来源于水中镭的衰变，设待测水样的体积为V，水中镭活度为ARa，则水中镭浓度CRa为：
CRa＝ARa/V (1)
水样测量瓶中的水中氡浓度C’Rn的变化规律为：
dC'Rn/dt＝CRaλRn-LCRn/V (2)
式中λRn是氡的衰变常数，CRn是开环气路水样测量瓶中氡的浓度，L为气泵的流率。
根据测量时的温度可以查表得到水样中氡与气态氡平衡时的浓度比X，有：
C'Rn(t)＝XCRn(t) (3)
将式(3)代入式(2)得：
Figure GDA0003592054340000031
式(4)的解为：
Figure GDA0003592054340000032
对式(5)中的
Figure GDA0003592054340000033
可以按泰勒级数展开保留一次项，式(5)能简化为：
Figure GDA0003592054340000034
由于气路管道的空隙体积非常小，能够忽略，测氡仪的测量腔内的氡浓度C1(t)为：
Figure GDA0003592054340000041
V1为测氡仪的测量腔的体积。式(7)的解为：
Figure GDA0003592054340000042
对
Figure GDA0003592054340000043
按泰勒级数展开，保留二次项，式(8)能够变化为：
Figure GDA0003592054340000044
能够近似认为测氡仪内测量室内氡浓度按式(8)或式(9)变化，测氡仪测量前几个测量周期的氡浓度变化规律，利用数据拟合，得到水中镭浓度CRa的近似值。
本发明的进一步方法是：在计算过程中，根据环境温度、待测水样的体积、气泵的流率以及测氡仪的读数计算水样中的镭浓度。
待测水样中的氡来源于水中镭的衰变，设待测水样的体积为V，水中镭活度为ARa，则水中镭浓度CRa为：
CRa＝ARa/V (1)
水样测量瓶中的水中氡浓度C’Rn的变化规律为：
dC'Rn/dt＝CRaλRn-LCRn/V (2)
式中λRn是氡的衰变常数，CRn是开环气路水样测量瓶中氡的浓度，L为气泵的流率。
根据测量时的温度可以查表得到水样中氡与气态氡平衡时的浓度比X，有：
C'Rn(t)＝XCRn(t) (3)
将式(3)代入式(2)得：
Figure GDA0003592054340000051
假设测氡仪测量腔内氡浓度大于C0，测氡仪就能够较准确的测量氡浓度。当测氡仪浓度趋于恒定时，
Figure GDA0003592054340000052
式(4)变化为：
Figure GDA0003592054340000053
根据式(10)和C0的值，确定使得测氡仪测量腔内氡浓度大于C0时气泵流率L1的大小，将气泵的流率调节到L1，气泵在流率为L1的情况下运行一段时间，就能够使得测氡仪测量腔内氡浓度趋于恒定且大于C0，根据式(10)较准确的计算出水中镭浓度。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明提供的测量装置结构简单，操作方便，测量时间短。
2、本发明提供的测量方法计算水中镭浓度计算过程简单，计算结果准确，可通过对某地区地下水水样中镭浓度进行长期持续性的监测、分析为国家制定健康的饮用水标准，并为水污染治理、国家疾病预防和治疗、农牧业用水等提供依据，确保地下水环境及居民饮用水安全。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。
附图说明
图1为本发明开环式自适应测量水中镭浓度的装置的结构示意图。
具体实施方式
实施例一、开环式自适应测量水中镭浓度的装置，包括水样测量瓶1、瓶盖2、进气管套3、出气管套4、进气管5、出气管6、气泵7、测氡仪8、流量计9及三通电磁阀10。
进气管套3及出气管套4分别安装在瓶盖2上，进气管5插在进气管套3上，出气管6插在出气管套4上，出气管6通过软管与气泵7的进气端连接，气泵7的出气端通过软管与三通电磁阀10的进气端连接，三通电磁阀10的第一出气端通过软管与测氡仪8的进气端连接，三通电磁阀10的第二出气端与大气环境相通，测氡仪8的出气端通过软管与流量计9连接。
采用上述测量装置进行开环式自适应测量水中镭浓度的方法，包括测量过程和计算过程，其具体步骤如下：
一、测量过程
A、将开环式自适应测量水中镭浓度的装置放置在恒温的环境，并测量环境温度；
B、将待测水样倒入水样测量瓶1内，并盖紧瓶盖2，进气管5的出气口在待测水样内并靠近水样测量瓶1的瓶底，出气管6的进气口位于待测水样液面上；
C、打开三通电磁阀10的第二出气端，关闭三通电磁阀10的第一出气端，启动气泵7，控制气泵7的流率，使得空气通过进气管5进入待测样水中鼓泡，同时将待测样水中的氡携带出来，通过出气管6进入气泵7进入三通电磁阀10，然后从三通电磁阀10的第二出气端进入大气环境，由于气泵7的流率非常大，气泵7启动5-30分钟后，能够认为气路中氡的浓度为0；
D、关闭三通电磁阀10的第二出气端，打开三通电磁阀10的第一出气端，通过获取流量计9读数来控制气泵7调小流率，流率低于步骤C中的流率，使得空气通过进气管5进入待测样水中鼓泡，同时将待测样水中的氡携带出来，通过出气管6进入气泵7进入三通电磁阀10，然后从三通电磁阀10的第一出气端进入测氡仪8后，再通过流量计9进入大气环境。
E、关闭三通阀10的AC通道，打开三通阀10的AB通道，调节气泵7的流率使其非常小；外界空气进入进气管鼓泡，将水中的氡携带出来，通过出气管6进入气泵，然后通过三通阀10的AB通道进入测氡仪8，测氡仪8测量气态氡浓度，再通过流量计9进入大气环境。
二、计算过程
根据环境温度、待测水样的体积、气泵7的流率以及测氡仪8的读数计算水样中的镭浓度。
待测水样中的氡来源于水中镭的衰变，设待测水样的体积为V，水中镭活度为ARa，则水中镭浓度CRa为：
CRa＝ARa/V (1)
水中氡浓度C’Rn的变化规律为：
dC'Rn/dt＝CRaλRn-LCRn/V (2)
式中λRn是氡的衰变常数，CRn是开环气路水样测量瓶1中氡的浓度，L为气泵7的流率。
根据测量时的温度可以查表得到水样中氡与气态氡平衡时的浓度比X，有：
C'Rn(t)＝XCRn(t) (3)
将式(3)代入式(2)得：
Figure GDA0003592054340000071
式(4)的解为：
Figure GDA0003592054340000081
对式(5)中的
Figure GDA0003592054340000082
可以按泰勒级数展开保留一次项，式(5)能简化为：
Figure GDA0003592054340000083
由于气路管道的空隙体积非常小，能够忽略，测氡仪8的测量腔内的氡浓度C1(t)为：
Figure GDA0003592054340000084
V1为测氡仪8的测量腔的体积。式(7)的解为：
Figure GDA0003592054340000085
对
Figure GDA0003592054340000086
按泰勒级数展开，保留二次项，式(8)能够变化为：
Figure GDA0003592054340000087
能够近似认为测氡仪8内测量室内氡浓度按式(8)或式(9)变化，测氡仪8测量前几个测量周期的氡浓度变化规律，利用数据拟合，得到水中镭浓度CRa的近似值。
实施例二、采用如实施例一所述的测量装置进行开环式自适应测量水中镭浓度的方法，包括测量过程和计算过程，其具体步骤如下：
一、测量过程
A、将开环式自适应测量水中镭浓度的装置放置在恒温的环境，并测量环境温度；
B、将待测水样倒入水样测量瓶1内，并盖紧瓶盖2，进气管5的出气口在待测水样内并靠近水样测量瓶1的瓶底，出气管6的进气口位于待测水样液面上；
C、打开三通电磁阀10的第二出气端，关闭三通电磁阀10的第一出气端，启动气泵7，控制气泵7的流率，使得空气通过进气管5进入待测样水中鼓泡，同时将待测样水中的氡携带出来，通过出气管6进入气泵7进入三通电磁阀10，然后从三通电磁阀10的第二出气端进入大气环境，由于气泵7的流率非常大，泵7启动5-30分钟后，能够认为气路中氡的浓度为0；
D、关闭三通电磁阀10的第二出气端，打开三通电磁阀10的第一出气端，通过获取流量计9读数来控制气泵7调小流率，使得流率低于步骤C中的流率，使得空气通过进气管5进入待测样水中鼓泡，同时将待测样水中的氡携带出来，通过出气管6进入气泵7进入三通电磁阀10，然后从三通电磁阀10的第一出气端进入测氡仪8后，再通过流量计9进入大气环境。
二、计算过程
根据环境温度、待测水样的体积、气泵7的流率以及测氡仪8的读数计算水样中的镭浓度。
待测水样中的氡来源于水中镭的衰变，设待测水样的体积为V，水中镭活度为ARa，则水中镭浓度CRa为：
CRa＝ARa/V (1)
水中氡浓度C’Rn的变化规律为：
dC'Rn/dt＝CRaλRn-LCRn/V (2)
式中λRn是氡的衰变常数，CRn是开环气路水样测量瓶1中氡的浓度，L为气泵7的流率。
根据测量时的温度可以查表得到水样中氡与气态氡平衡时的浓度比X，有：
C'Rn(t)＝XCRn(t) (3)
将式(3)代入式(2)得：
Figure GDA0003592054340000101
假设测氡仪8测量腔内氡浓度大于C0，测氡仪8就能够较准确的测量氡浓度，当测氡仪浓度趋于恒定时，
Figure GDA0003592054340000102
式(4)变化为：
Figure GDA0003592054340000103
根据式(10)和C0的值，确定使得测氡仪8测量腔内氡浓度大于C0时气泵7的流率的大小L1。自动调节气泵7的流率到L1，气泵7运行一段时间，使测氡仪8测量腔内氡浓度趋于恒定且大于C0，根据式(10)计算水中镭浓度。

Claims (2)

1.开环式自适应测量水中镭浓度的方法，基于开环式自适应测量水中镭浓度的装置，该装置包括水样测量瓶、瓶盖、进气管套、出气管套、进气管、出气管、气泵、测氡仪、流量计及三通电磁阀；
进气管套及出气管套分别安装在瓶盖上，进气管插在进气管套上，出气管插在出气管套上，出气管通过软管与气泵的进气端连接，气泵的出气端通过软管与三通电磁阀的进气端连接，三通电磁阀的第一出气端通过软管与测氡仪的进气端连接，三通电磁阀的第二出气端与大气环境相通，测氡仪的出气端通过软管与流量计连接；
其特征是，包括测量过程和计算过程，其具体步骤如下：
一、测量过程
A、将开环式自适应测量水中镭浓度的装置放置在恒温的环境，并测量环境温度；
B、将待测水样倒入水样测量瓶内，并盖紧瓶盖，进气管的出气口在待测水样内并靠近水样测量瓶的瓶底，出气管的进气口位于待测水样液面上；
C、打开三通电磁阀的第二出气端，关闭三通电磁阀的第一出气端，启动气泵，控制气泵的流率，使得空气通过进气管进入待测水样 中鼓泡，同时将待测水样 中的氡携带出来，通过出气管进入气泵进入三通电磁阀，然后从三通电磁阀的第二出气端进入大气环境，由于气泵的流率非常大，气泵启动5-30分钟后，能够认为气路中氡的浓度为0；
D、关闭三通电磁阀的第二出气端，打开三通电磁阀的第一出气端，通过获取流量计读数来控制气泵调小流率，流率低于步骤C中的流率，使得空气通过进气管进入待测水样 中鼓泡，同时将待测水样 中的氡携带出来，通过出气管进入气泵进入三通电磁阀，然后从三通电磁阀的第一出气端进入测氡仪后，再通过流量计进入大气环境；
二、计算过程
根据环境温度、待测水样的体积、气泵的流率以及测氡仪的读数计算水样中的镭浓度；
待测水样中的氡来源于水中镭的衰变，设待测水样的体积为V，水中镭活度为ARa，则水中镭浓度CRa为：
CRa＝ARa/V (1)
水中氡浓度C’Rn的变化规律为：
dC'Rn/dt＝CRaλRn-LCRn/V (2)
式中λRn是氡的衰变常数，CRn是开环气路水样测量瓶中氡的浓度，L为气泵的流率；
根据测量时的温度可以查表得到水样中氡与气态氡平衡时的浓度比X，有：
C'Rn(t)＝XCRn(t) (3)
将式(3)代入式(2)得：
Figure FDA0003592054330000021
式(4)的解为：
Figure FDA0003592054330000022
对式(5)中的
Figure FDA0003592054330000023
可以按泰勒级数展开保留一次项，式(5)能简化为：
Figure FDA0003592054330000031
由于气路管道的空隙体积非常小，能够忽略，测氡仪的测量腔内的氡浓度C1(t)为：
Figure FDA0003592054330000032
V1为测氡仪的测量腔的体积，式(7)的解为：
Figure FDA0003592054330000033
对
Figure FDA0003592054330000034
按泰勒级数展开，保留二次项，式(8)能够变化为：
Figure FDA0003592054330000035
能够近似认为测氡仪内测量室内氡浓度按式(8)或式(9)变化，测氡仪测量前几个测量周期的氡浓度变化规律，利用数据拟合，得到水中镭浓度CRa的近似值。
2.如权利要求1所述的开环式自适应测量水中镭浓度的方法，其特征是，在计算过程中，根据环境温度、待测水样的体积、气泵的流率以及测氡仪的读数计算水样中的镭浓度；
待测水样中的氡来源于水中镭的衰变，设待测水样的体积为V，水中镭活度为ARa，则水中镭浓度CRa为：
CRa＝ARa/V (1)
水中氡浓度C’Rn的变化规律为：
dC'Rn/dt＝CRaλRn-LCRn/V (2)
式中λRn是氡的衰变常数，CRn是开环气路水样测量瓶中氡的浓度，L为气泵的流率；
根据测量时的温度可以查表得到水样中氡与气态氡平衡时的浓度比X，有：
C'Rn(t)＝XCRn(t) (3)
将式(3)代入式(2)得：
Figure FDA0003592054330000041
假设测氡仪测量腔内氡浓度大于C0，测氡仪就能够较准确的测量氡浓度；当测氡仪浓度趋于恒定时，
Figure FDA0003592054330000042
式(4)变化为：
Figure FDA0003592054330000043
根据式(10)和C0的值，确定使得测氡仪测量腔内氡浓度大于C0时气泵流率L1的大小，将气泵的流率调节到L1，气泵在流率为L1的情况下运行一段时间，就能够使得测氡仪测量腔内氡浓度趋于恒定且大于C0，根据式(10)较准确的计算出水中镭浓度。
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