CN117849846A - 一种用于海洋表层水体氡浓度连续测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于海洋表层水体氡浓度连续测量系统，包括水气平衡器和用于测量空气中氡活度的PIC‑Rn探测模块，水汽平衡器的出气口经管路连接PIC‑Rn探测模块的进气口，PIC‑Rn探测模块的出气口经管路连接水汽平衡器的进气口；PIC‑Rn探测模块包括测试单元和控制单元，测试单元包括PIC探测器与温湿压传感器，控制单元由气泵、微控制器MCU、GPS、数据存储器组成，气泵用于将水汽平衡器中的气体引导到测试单元，并输回至水气平衡器；微控制器MCU分别与温湿压传感器、气泵、GPS、数据存储器电连接，微控制器MCU用于控制PIC‑Rn探测模块与PC机之间的命令和数据传输。本发明的不确定性较低，不依赖于干燥装置，功耗低，当应用于连续测量溶解的氡时，进一步减少了人工监督。
Description
技术领域
本发明涉及涉及海洋表层水体氡浓度的连续监测，属于放射性同位素分析测试技术领域，具体涉及一种用于海洋表层水体的氡浓度连续监测系统及方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
天然氡同位素可用作环境中各种化学和物理过程的示踪剂。222Rn(t1/2＝3.83d)被广泛用于海气相互作用、沉积物扩散、地震预测和海底地下水排放(SGD)等领域的研究。氡和其他天然气体(如CO2和CH4)的同时测量被用来描述SGD的重要性，从而能够更好地理解碳和营养物质的生物地球化学转化。
用于海洋中氡活度测试的方法在过去几个世纪中得到了充分的发展，最近，通过将商用空气中氡分析仪RAD与水气平衡器(RADAQUA)相结合，实现了氡的连续测量。但是RAD7测氡仪中使用的平面硅α探测器对其腔室中的湿度很敏感，需要一个额外的干燥装置从气流中除去水分，以满足RAD7测氡仪室的相对湿度保持在10％以下的要求。
因此针对以上不足需要研发一种具有较高灵敏度且不受湿度影响的用于测量表层海水氡浓度的测量系统。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种用于海洋表层水体的氡浓度连续测量系统，能够测量海洋表面等各种水体中的溶解氡，该测量系统具有较高的效率和灵敏度，探测效率不受湿度的影响，为表层海水氡测量提供了一种替代方法。
本发明的技术方案为：
本发明提供了一种用于海洋表层水体氡浓度连续测量系统，包括水气平衡器和用于测量空气中氡活度的PIC-Rn探测模块，水汽平衡器的出气口经管路连接PIC-Rn探测模块的进气口，PIC-Rn探测模块的出气口经管路连接水汽平衡器的进气口；PIC-Rn探测模块包括测试单元和控制单元，所述测试单元包括PIC探测器与温湿压传感器，所述控制单元由气泵、微控制器MCU、GPS、数据存储器组成，所述气泵用于将水汽平衡器中的气体引导到测试单元，并输回至水气平衡器；微控制器MCU分别与温湿压传感器、气泵、GPS、数据存储器电连接，微控制器MCU用于控制PIC-Rn探测模块与PC机之间的命令和数据传输。
进一步的，水汽平衡器的出气口与PIC-Rn探测模块的进气口之间的管路上还设有空气过滤器。
进一步的，所述空气过滤器采用0.45μm滤芯。
进一步的，PIC探测器进一步为氡探针，所述氡探针的有效体积为0.2L。
进一步的，PIC-Rn探测模块的出气口与水汽平衡器的进气口之间的管路上设有一单向阀，用于防止水进入测试单元。
进一步的，：气泵选用隔膜气泵，隔膜气泵的最大气流速率为1.5L/min。
进一步的，水气平衡器为购买件，RADAQUA,Durridge,In。
进一步的，微控制器MCU选用STM32F103芯片。
进一步的，所述测试单元的两端与管路连接设置为密封连接。
本发明所达到的有益效果为：
本发明提出了一种用于海洋表层水体氡浓度连续测量系统，克服了传统方法操作人员参与较多，所需的许多额外部件难以携带和固有测量效率相对较低以及探测器的效率受到水分影响的缺点。本发明具有自动测量的优点，测量效率比RAD7测氡仪高2倍，并且受相对湿度的影响较小，结果可靠。本发明的不确定性较低，不依赖于干燥装置，功耗低，当应用于连续测量溶解的氡时，进一步减少了人工监督。本发明通过常规编程可实现将氡活度、温度、湿度、压力、GPS等综合调查测量值连续存储在数据记录仪中，或传输到机载，还可以实时查看氡浓度。因此，本发明为用户提供了自动连续氡测量的最大好处，用户可以在自己方便的时候开始测量，并在必要时保持计数，以达到所需的监测时间和不确定性水平。
本发明提出了一种小型化、廉价的主动PIC海洋氡监测仪(PIC-Rn)，该监测仪具有较高的效率和灵敏度，探测效率不受湿度的影响，为表层海水氡测量提供了一种替代方法。新的PIC-Rn系统需要最少的操作人员干预，并产生高分辨率读数，从而克服了目前可用仪器的一些缺点。
附图说明
图1是本发明氡浓度连续测量系统结构示意图。
图2是本发明氡浓度连续测量系统的检验系统结构示意图。
图3是本发明的PIC-Rn和RAD7的对比数据图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于海洋表层水体氡浓度连续测量系统，包括水气平衡器和用于测量空气中氡活度的PIC-Rn探测模块。在该实施例中，水气平衡器可以选用现有的水气平衡器，例如RADAQUA,Durridge,In。
水汽平衡器的出气口经管路连接PIC-Rn探测模块的进气口，PIC-Rn探测模块的出气口经管路连接水汽平衡器的进气口。
如图1所示，虚线内是PIC-Rn探测模块，它由测试单元和控制单元组成，测试单元的两端与管路连接设置为密封连接，测试单元包括PIC探测器与温湿压传感器，PIC探测器和温湿压传感器两端相连的进气口和出气口需密封，控制单元包括气泵、微控制器MCU、GPS、数据存储器，这种设计方便，避免了控制单元产生的电气噪声干扰以及气泵引起的振动对测量单元的干扰。
水汽平衡器出气口与PIC-Rn探测模块进气口之间的管路上还设有空气过滤器。具体的，空气过滤器采用0.45μm滤芯。
PIC探测器选用氡探针，其有效体积为0.2L，用于监测空气中的氡活动。
气泵选用隔膜气泵。具体的，隔膜气泵的最大气流速率为1.5L/min，以保证空气和水相之间的氡气快速平衡，它具有稳压范围大，加热效果低，噪音低，使用寿命长等优点。
温湿压传感器，可以为使用者提供仪器测试过程的温度、湿度和压强，还可以判断仪器的工作状态，其中压强的大小可以反应所用空气过滤器的状态，便于及时更换空气过滤器，确保整机处于正常的工作状态。
来自RADAQUA水汽平衡器的氡气通过隔膜气泵定向到测试单元。每隔10分钟或其他手动设置间隔，包括氡活度、温度、湿度、压力和GPS位置在内的综合信息存储在数据存储器中或从PIC-Rn探测模块内部的微控制器MCU传输到PC机。
内置的微控制器MCU是PIC-Rn探测模块的核心，控制PIC-Rn探测模块与PC机之间的命令和数据传输。对于每一个集成时间，集成时间至少在1分钟，包括氡活度、温度、湿度、压力和GPS位置在内的组合信息通过程序软件从MCU传输到PC接口，其中PIC探测器检测氡活度数据，温湿压传感器检测温度、湿度和压力数据，GPS检测位置数据。一旦MCU接收到数据，数据存储器(TF卡)会自动存储数据集，数据可以通过WiFi远程终端修改和下载。
PIC-Rn探测模块与舰载的PC机之间可以通过USB数据线实现实时交互通信。
进一步来说，微控制器MCU选用意大利意法半导体公司的STM32F103芯片。该芯片包含多个串行接口和GPIO(通用输入/输出)接口，具有成本低、功耗低的优点。
用于海洋表层水体氡浓度连续测量系统在运行过程中，经RADAQUA水气平衡器平衡后空气中的氡通过孔径为0.45μm的空气过滤器循环，防止粉尘颗粒和氡子体(Po)进入测量系统。
空气通过隔膜气泵被引导到测量系统，并返回到RADAQUA水气平衡器。
在RADAQUA水气平衡器上游的气流中(即水汽平衡器的进气口上方管道上)安装一个单向阀，用于防止意外的水进入对PIC-Rn探测模块造成损坏。
RAD7测氡仪是目前商业化的氡探测仪器，可以选用RAD7测氡仪作为判断本发明效率和准确度的标准。
一种用于海洋表层水体氡浓度连续测量系统的检验系统，用于海洋表层水体氡浓度连续测量系统和RAD7测氡仪，RAD7测氡仪串联连接于水气平衡器和PIC-Rn探测模块之间、使检验系统形成闭合回路，在闭合回路中连接了一干燥剂柱，参见图2，以确保空气相对湿度低于10％，用于保证RAD7测氡仪的测试效率。
本发明还提出了一种检验方法，应用于上面的检验系统，以RAD7测氡仪的测试值作为真值来判断本发明的系统的测试效率，为的实际场景应用提供前提，将PIC-Rn探测模块与商用RAD7测氡仪进行比较，包括测试期检测步骤和监视期检测步骤。
其中测试期检测步骤包括：
1、在3m*3m*3m的水箱中，水箱中注入新取的海水，此时的海水中的氡活度较高；
2、潜水泵以2L/min的速率向RADAQUA水气平衡器提供稳定的水流；
3、PIC-Rn探测模块和RAD7测氡仪两个系统串联测量氡活度，水气平衡器、PIC-Rn探测模块和RAD7测氡仪串联连接形成闭合回路、并在闭合回路中连接一干燥剂柱，将两台仪器设置为每隔10分钟的计数间隔收集数据，累计实验时间需进行超过24小时；
4、PIC-Rn探测模块和RAD7由PC机控制，进行数据传输和数据存储。
5、最后将PIC-Rn和RAD7中的记录的氡数据导出，对两个系统中的数据进行对比。
其中监视期检测步骤包括：
1、上述测试期检测步骤完成后将两个系统测试放置在第二个相同结构的水箱中，该水箱中存储有30天以上的海水，此时海水中基本不含有氡；
2、潜水泵以2L/min的速率向RADAQUA水气平衡器提供稳定的水流；
3、PIC-Rn探测模块和RAD7测氡仪两个系统串联测量氡活度，将两台仪器设置为每隔10分钟的计数间隔收集数据，累计实验时间需进行超过24小时；
4、PIC-Rn探测模块由PC机控制，进行数据传输和数据存储。
测试期，PIC-Rn和RAD7测氡仪测量的水中氡活度迅速从最初的背景水平20Bq/m3上升到300Bq/m3以上。在监测期，由于氡逸入大气和衰变损失，氡活度呈逐渐下降的趋势。
将这两个系统从新注入海水的水箱移至装有低氡老化水的水箱后，水中氡浓度迅速下降。
经过试验发现在不同氡活度的水箱水之间切换时，两种氡探测系统的响应几乎相同。
通过统计分析，发现PIC-Rn探测模块的检测结果与RAD7测氡仪一致，参见图3，并且PIC的测量效率较高。
由上可知，本发明的不确定性较低，测试效率高且与传统方法相比，不受湿度的影响，不依赖于干燥系统，功耗低。当应用于连续测量溶解的氡时，进一步减少了人工监督。因此，本发明为用户提供了较好的自动连续氡测量。
需要说明的是，本发明对潜水泵没有特殊的要求，采用具有抽水功能的潜水泵即可。本发明对潜水泵、RADAQUA水气平衡器、PIC-Rn之间的连通方式、连通管道没有特殊要求，采用本领域熟知的连通方式即可。本发明在测试过程中要特别注意水汽平衡器的稳定性，避免其倾倒。本发明配有单向阀，用于防止意外的水进入对探测器造成损坏。
为了进一步验证PIC-Rn探测模块的检测效果，还是以RAD7测氡仪的测试值作为真值来判断本发明的测量系统的测试效率，为本发明的实际场景应用提供前提，本发明的PIC-Rn探测模块效率测试的检验方法过程如下：
步骤1、用已知氡活度的岩石标准样品作为氡源，密封20天，使222Rn与岩石中的226Ra达到平衡。
步骤2、RAD7测氡仪测氡仪、PIC-Rn探测模块和氡源进行串联连接，形成闭合回路的测试系统，由于高湿度会影响RAD7测氡仪半导体探测器的灵敏度，但本发明测量系统的PIC-Rn探测模块不受湿度的影响，因此在测试本发明的测量系统效率时在闭合回路上连接了一个干燥剂柱，以确保空气相对湿度低于10％，保证RAD7测氡仪的测试效率，从而保证其正常的工作状态；将氡源通过PIC-Rn探测模块的内部气泵引入测试系统；两种仪器的计数间隔设置为30分钟。
步骤3、系统运行30-60min，为测试系统提供稳定的氡活度后关闭PIC-Rn探测模块的内置泵并移除氡源；移除氡源5min后，使220Rn(t1/2＝55.6s)和219Rn(t1/2＝3.96s)在去除氡源后完全衰变，对两台仪器重新计数。
具体的，测试系统内的测量和控制室的配件为IP67防水等级，用于满足长期连续现场测量监测器的要求。
通过上述检验方法获得检测结果为：PIC-Rn探测模块的氡灵敏度为0.012cpm/(Bq/m3)，RAD7测氡仪的氡灵敏度为0.0065cpm/(Bq/m3)，表明PIC-Rn探测模块的测量效率大约是RAD7测氡仪探测器的1.8倍，说明本发明的PIC-Rn探测器有较高的效率。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于海洋表层水体氡浓度连续测量系统，其特征在于：包括水气平衡器和用于测量空气中氡活度的PIC-Rn探测模块，水汽平衡器的出气口经管路连接PIC-Rn探测模块的进气口，PIC-Rn探测模块的出气口经管路连接水汽平衡器的进气口；PIC-Rn探测模块包括测试单元和控制单元，所述测试单元包括PIC探测器与温湿压传感器，所述控制单元由气泵、微控制器MCU、GPS、数据存储器组成，所述气泵用于将水汽平衡器中的气体引导到测试单元，并输回至水气平衡器；微控制器MCU分别与温湿压传感器、气泵、GPS、数据存储器电连接，微控制器MCU用于控制PIC-Rn探测模块与PC机之间的命令和数据传输。
2.根据权利要求1所述的一种用于海洋表层水体氡浓度连续测量系统，其特征在于：水汽平衡器的出气口与PIC-Rn探测模块的进气口之间的管路上还设有空气过滤器。
3.根据权利要求2所述的一种用于海洋表层水体氡浓度连续测量系统，其特征在于：所述空气过滤器采用0.45μm滤芯。
4.根据权利要求1所述的一种用于海洋表层水体氡浓度连续测量系统，其特征在于：PIC探测器进一步为氡探针，所述氡探针的有效体积为0.2L。
5.根据权利要求1所述的一种用于海洋表层水体氡浓度连续测量系统，其特征在于：PIC-Rn探测模块的出气口与水汽平衡器的进气口之间的管路上设有一单向阀，用于防止水进入测试单元。
6.根据权利要求1所述的一种用于海洋表层水体氡浓度连续测量系统，其特征在于：气泵选用隔膜气泵，隔膜气泵的最大气流速率为1.5L/min。
7.根据权利要求1所述的一种用于海洋表层水体氡浓度连续测量系统，其特征在于：水气平衡器为购买件，RADAQUA,Durridge,In。
8.根据权利要求1所述的一种用于海洋表层水体氡浓度连续测量系统，其特征在于：微控制器MCU选用STM32F103芯片。
9.根据权利要求1所述的一种用于海洋表层水体氡浓度连续测量系统，其特征在于：所述测试单元的两端与管路连接设置为密封连接。
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