CN111780894B - 放射性样品稳定热功率的实时追踪测量方法 - Google Patents

放射性样品稳定热功率的实时追踪测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种放射性样品稳定热功率的实时追踪测量方法，方法包括以下步骤：(一)利用标准热源制作表观功率‑标准功率刻度曲线；(二)测定待测样品表观功率值；(三)求解待测样品热功率。本发明的放射性样品稳定热功率实时追踪测量方法基于反馈调节算法设计，因此放射性样品热功率的实时测量不必依赖待测体系整体热平衡状态的建立，可显著缩短量热测量时间，大幅提高了放射性样品热功率测量的时间效率，在时间效率上较被动测量模式提高一个数量级，同时测量结果准确性与目前典型被动测量模式相当。

Description

放射性样品稳定热功率的实时追踪测量方法
技术领域
本发明属于量热领域，特别涉及一种放射性样品稳定热功率的实时追踪测量方法。
背景技术
目前，针对放射性热辐射样品的量热技术一般通过测量温升来反馈计算样品热功率，对于热功率较小的样品而言，温升过小难于精确测量，因此常以不同程度放大的关联信号间接表征温升，从而建立起关联信号——热功率之间的依存关系，然后依据刻度曲线确定未知样品的热功率值。此类量热方法应用时需要待测样品在量热元件内形成稳定的温度梯度才能有效输出热功率关联信号值，需要一定的平衡时间，使得量热测量对时间有明显依赖性，降低了量热测量的时间效率。
目前，针对放射性样品的量热计一般设计成双腔室结构，一个腔室用于放置待测样品，另一个腔室放置参比容器。参比容器除内部无放射性物质外，结构及造材尽可能与测量样品一致。关联信号一般取用热电势、热电阻等能够对温度变化做出快速准确响应的监测量。测量方式上，多采取基于热平衡的被动测量模式，即保持待测样品及参比容器自然热状态，同时实时监测两腔室热关联信号变化，参比容器产生的关联信号值作为环境变量对热平衡影响的消除因子，直至两者关联信号差值达到稳定即达到测量平衡态。被动测量模式下，测量平衡时间依赖于仪器固有结构特性，难以通过过程操作加以改变。少数设计成三腔室的量热装置，其平衡本质与双腔室结构无异。
通过精细设计量热装置结构，采用伺服测量模式、使用平衡预热系统以及平衡预测算法等手段可一定程度上缩短量热测量的装置内平衡时间，但相应结构设计在设备成型后即固化。其中，伺服测量模式并未改变平衡本质，效果有限；使用平衡预热系统可以缩短测量装置内平衡时间，但需要引入额外的前期预热时间，总体而言时间效率提升程度并不显著；平衡预测算法虽然能显著减少测量时间，但存在牺牲测量精度及准确性的风险。
发明内容
为了解决现有放射性样品热功率测量过程中时间效率较低的问题，本发明提供了一种放射性样品稳定热功率的实时追踪测量方法。
该放射性样品热功率的实时追踪测量方法包括以下步骤：
(一)利用标准热源制作表观功率-标准功率刻度曲线
依据测量需求选择刻度曲线标准功率点，然后按以下操作获取各刻度曲线标准功率点的表观功率-标准功率值对；
向标准热源输入选定功率点的标准电功率值，采集标准热源热功率所产生的关联信号值，以及标准电热模拟体电热功率所产生的关联信号值，追踪并获取标准热源关联信号值与所述标准电热模拟体关联信号值的实时差值；
以所述实时差值为输入值，采用PID控制算法实时反馈计算、调节施加于所述标准电热模拟体的电热功率，促使标准电热模拟体的关联信号值向标准热源的关联信号值靠近，直至所述实时差值稳定归零，此后实时获取的标准电热模拟体的电热功率值即为标准热源热功率的表观测量值；由所述选定功率点的标准电功率值及所述标准热源热功率的表观测量值即可获得标准功率点的表观功率-标准功率值对；
根据获取的刻度曲线各标准功率点的表观功率-标准功率值对，以标准功率值为横坐标，以表观功率值为纵坐标，制作表观功率-标准功率刻度曲线；
(二)测定待测样品表观功率值
采集待测样品热功率所产生的关联信号值，以及标准电热模拟体电热功率所产生的关联信号值，追踪并获取待测样品关联信号值与所述标准电热模拟体关联信号值的实时差值；
以所述实时差值为输入值，采用PID控制算法实时反馈计算、调节施加于所述标准电热模拟体的电热功率，促使标准电热模拟体的关联信号值向待测样品的关联信号值靠近，直至所述实时差值稳定归零，此后实时获取的标准电热模拟体的电热功率值即为待测样品热功率的表观测量值；
(三)求解待测样品热功率
将所述待测样品热功率的表观测量值代入步骤(一)制得的表观功率-标准功率刻度曲线，求解得到待测样品的测量功率值。
根据一个实施例，所述PID控制算法均由控制算法本身和可调基准功率两部分组成。可调基准功率作为PID控制算法计算结果输出的增益，可以保证输出功率与真实系统的匹配性，根据对实际输出功率的需求在适当范围内对基准功率加以调整，可实现系统不同量程以及不同目标偏差值时输出功率的最优化设置。
根据一个实施例，所述待测样品热功率所产生的关联信号为能够响应温度变化的可观测信号。
进一步地，所述关联信号为热电势信号或热电阻信号。
进一步地，所述热电势信号采用半导体热敏探测元件采集。
进一步地，所述电阻信号采用热敏电阻采集。
根据一个实施例，所述标准电热模拟体电热功率所产生的关联信号为能够响应温度变化的可观测信号。
进一步地，所述关联信号为热电势信号或热电阻信号。
进一步地，所述热电势信号采用半导体热敏探测元件采集。
进一步地，所述电阻信号采用热敏电阻采集。
根据一个实施例，所述标准电热模拟体附带有标准加热电阻，用以调节标准电热模拟体上的电热功率。
本发明的放射性样品稳定热功率的实时追踪测量方法基于反馈调节算法设计，因此放射性样品热功率的实时测量不必依赖待测体系整体热平衡状态的建立，可显著缩短量热测量时间，大幅提高了放射性样品热功率测量的时间效率，在时间效率上较被动测量模式提高一个数量级，同时测量结果准确性与目前典型被动测量模式相当。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。
本发明的放射性样品热功率的实时追踪测量方法包括以下步骤：
(一)利用标准热源制作表观功率-标准功率刻度曲线
依据测量需求选择刻度曲线标准功率点，然后按以下操作获取各刻度曲线标准功率点的表观功率-标准功率值对；
向标准热源输入选定功率点的标准电功率值，采集标准热源热功率所产生的关联信号值，以及标准电热模拟体电热功率所产生的关联信号值，追踪并获取标准热源关联信号值与所述标准电热模拟体关联信号值的实时差值；
以所述实时差值为输入值，采用PID控制算法实时反馈计算、调节施加于所述标准电热模拟体的电热功率，促使标准电热模拟体的关联信号值向标准热源的关联信号值靠近，直至所述实时差值稳定归零，此后实时获取的标准电热模拟体的电热功率值即为标准热源热功率的表观测量值；由所述选定功率点的标准电功率值及所述标准热源热功率的表观测量值即可获得标准功率点的表观功率-标准功率值对；
根据获取的刻度曲线各标准功率点的表观功率-标准功率值对，以标准功率值为横坐标，以表观功率值为纵坐标，制作表观功率-标准功率刻度曲线；
(二)测定待测样品表观功率值
采集待测样品热功率所产生的关联信号值，以及标准电热模拟体电热功率所产生的关联信号值，追踪并获取待测样品关联信号值与所述标准电热模拟体关联信号值的实时差值；
以所述实时差值为输入值，采用PID控制算法实时反馈计算、调节施加于所述标准电热模拟体的电热功率，促使标准电热模拟体的关联信号值向待测样品的关联信号值靠近，直至所述实时差值稳定归零，此后实时获取的标准电热模拟体的电热功率值即为待测样品热功率的表观测量值；
(三)求解待测样品热功率
将所述待测样品热功率的表观测量值代入步骤(一)制得的表观功率-标准功率刻度曲线，求解得到待测样品的测量功率值。
本发明的放射性样品热功率的实时追踪测量方法采用了PID控制算法反馈调节的主动测量模式，通过追踪所述标准电热模拟体与所述放射性样品关联信号值的实时差值，调节施于所述标准电热模拟体上的电热功率数值，实现了放射性样品热功率的实时获取，提高了量热测量的时间效率及操作灵活性。由于该追踪测量基于反馈调节算法设计，因此放射性样品热功率的测量不必依赖待测体系整体热平衡状态的建立，可显著缩短量热测量时间，大幅提高了放射性样品热功率测量的时间效率。与此同时，该实时测量过程中的追踪速率可控，进而可在一定程度上控制单位样品测量时间。其中，电热模拟体在热传导速率及总热容量方面应尽量接近真实样品，以模拟放射性测量样品的真实热存在及传导状态，提高测量结果的准确性；电热模拟体内电热源的布置尽量接近测量样品，以排除位置效应。
根据一个示例，所述PID控制算法均由控制算法本身和可调基准功率两部分组成。可调基准功率作为PID控制算法计算结果输出的增益，可以保证输出功率与真实系统的匹配性，根据对实际输出功率的需求在适当范围内对基准功率加以调整，可实现系统不同量程以及不同目标偏差值时输出功率的最优化设置。
根据一个实施例，所述待测样品热功率所产生的关联信号为能够响应温度变化的可观测信号。
进一步地，所述关联信号为热电势信号或热电阻信号。
进一步地，所述热电势信号采用半导体热敏探测元件采集。
进一步地，所述电阻信号采用热敏电阻采集。
根据一个实施例，所述标准电热模拟体电热功率所产生的关联信号为能够响应温度变化的可观测信号。
进一步地，所述关联信号为热电势信号或热电阻信号。
进一步地，所述热电势信号采用半导体热敏探测元件采集。
进一步地，所述电阻信号采用热敏电阻采集。
根据一个示例，所述标准电热模拟体附带有标准加热电阻，用以调节标准电热模拟体上的电热功率。
根据一个示例，所述标准电热模拟体附带有标准加热电阻，用以调节标准电热模拟体上的电热功率。
实施例
以热功率为3.0W的圆柱形真实放射性样品为例，采用标准电热源作为标准热源进行标定工作。将加热元件均匀放置于容器内部，制成电热模拟体。
(一)利用标准热源制作表观功率-标准功率刻度曲线
选择2.5W、2.75W、3.0W、3.25W、3.5W五个基准功率点进行刻度曲线的绘制。此时，待测样品及参考容器为同一类型标准电热模拟体。为方便测量，测量前可将所制作电热模拟体在拟标定功率点下恒功率维持一段时间，达到接近同等功率真实样品的热状态时，放入量热装置内进行测量。自预热阶段开始，置于样品室内的电热模拟体始终维持待标定点恒定功率加热状态，直至功率标定点测量结束。
将恒定功率加热的标准电热模拟体放入测量室，在参比室放置同样结构参比模拟体容器，开始收集两者热电势信号，并实时进行电势差值计算，差值通过接口送入自适应计算程序，程序输出功率值通过接口写入参比电热源表内并由其输出至参比电热模拟体，产生新的电势差值变化，往复调节，直至测量样品与参比样品电热差值稳定归零。
进行2.5W、2.75W、3.0W功率点标定时，输出功率的基准值设置为3.0W；进行3.25W、3.5W功率点标定时，输出功率的基准值设置为3.5W。参比容器功率输出稳定(以连续20min数据内精度<0.1％计)后，选取稳定区域0.2h内数据点取平均值作为该标定功率点对应的表观功率值。
5个待标定功率点全部测量完毕后，以施加于测量样品的标准功率值与作用于参比容器的表观测量功率值分别作为横纵坐标，计算得出实时功率追踪的标准曲线。
(二)测定样品表观功率值
除为接近真实热状态而进行的前期预热过程外，真实样品热功率测量与标准电热模拟体任意标定点热功率测量过程完全相同。实时追踪过程中，参比热源回路功率基准值设置为4.0W。
(三)求解待测样品热功率
得到相应参考样品稳定表观输出功率Wy后，根据刻度曲线计算得出对应功率值Wx，即作为待测样品功率测量值。
虽然根据本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，然而，本领域普通技术人员应理解，在不背离本发明的总体构思的原则和精神的情况下，可以对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (11)

1.一种放射性样品稳定热功率实时追踪测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(一)利用标准热源制作表观功率-标准功率刻度曲线
依据测量需求选择刻度曲线标准功率点，然后按以下操作获取各刻度曲线标准功率点的表观功率-标准功率值对；
向标准热源输入选定功率点的标准电功率值，采集标准热源热功率所产生的关联信号值，以及标准电热模拟体电热功率所产生的关联信号值，追踪并获取标准热源关联信号值与所述标准电热模拟体关联信号值的实时差值；
以所述实时差值为输入值，采用PID控制算法实时反馈计算、调节施加于所述标准电热模拟体的电热功率，促使标准电热模拟体的关联信号值向标准热源的关联信号值靠近，直至所述实时差值稳定归零，此后实时获取的标准电热模拟体的电热功率值即为标准热源热功率的表观测量值；由所述选定功率点的标准电功率值及所述标准热源热功率的表观测量值即可获得标准功率点的表观功率-标准功率值对；
根据获取的刻度曲线各标准功率点的表观功率-标准功率值对，以标准功率值为横坐标，以表观功率值为纵坐标，制作表观功率-标准功率刻度曲线；
(二)测定待测样品表观功率值
采集待测样品热功率所产生的关联信号值，以及标准电热模拟体电热功率所产生的关联信号值，追踪并获取待测样品关联信号值与所述标准电热模拟体关联信号值的实时差值；
以所述实时差值为输入值，采用PID控制算法实时反馈计算、调节施加于所述标准电热模拟体的电热功率，促使标准电热模拟体的关联信号值向待测样品的关联信号值靠近，直至所述实时差值稳定归零，此后实时获取的标准电热模拟体的电热功率值即为待测样品热功率的表观测量值；
(三)求解待测样品热功率
将所述待测样品热功率的表观测量值代入步骤(一)制得的表观功率-标准功率刻度曲线，求解得到待测样品的测量功率值。
2.根据权利要求1所述的放射性样品稳定热功率实时追踪测量方法，其特征在于：所述PID控制算法均由控制算法本身和可调基准功率两部分组成。
3.根据权利要求1或2所述的放射性样品稳定热功率实时追踪测量方法，其特征在于：所述待测样品热功率所产生的关联信号为能够响应温度变化的可观测信号。
4.根据权利要求3所述的放射性样品稳定热功率实时追踪测量方法，其特征在于：所述待测样品热功率所产生的关联信号为热电势信号或热电阻信号。
5.根据权利要求4所述的放射性样品稳定热功率实时追踪测量方法，其特征在于：所述热电势信号采用半导体热敏探测元件采集。
6.根据权利要求4所述的放射性样品稳定热功率实时追踪测量方法，其特征在于：所述电阻信号采用热敏电阻采集。
7.根据权利要求1或2所述的放射性样品稳定热功率实时追踪测量方法，其特征在于：所述标准电热模拟体电热功率所产生的关联信号为能够响应温度变化的可观测信号。
8.根据权利要求7所述的放射性样品稳定热功率实时追踪测量方法，其特征在于：所述标准电热模拟体电热功率所产生的关联信号为热电势信号或热电阻信号。
9.根据权利要求8所述的放射性样品稳定热功率实时追踪测量方法，其特征在于：所述热电势信号采用半导体热敏探测元件采集。
10.根据权利要求8所述的放射性样品稳定热功率实时追踪测量方法，其特征在于：所述电阻信号采用热敏电阻采集。
11.根据权利要求1-2、4-6、8-10任一项所述的放射性样品稳定热功率实时追踪测量方法，其特征在于：所述标准电热模拟体附带有标准加热电阻，用以调节标准电热模拟体上的电热功率。
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