放射性空气采样器设计

2018-03-14田海燕王新科

制造业自动化 2018年2期

胡劲，田海燕，王新科

（1.绵阳市维博电子有限责任公司，绵阳 621000；2.中国兵器装备集团自动化研究所，绵阳 621000）

0 引言

大气放射性核素的监测是环境及核事故情况下放射性监测的一个重要方法，在大气放射性核素检测中，获得连续地具有代表意义的样品，是取得准确数据和可靠结论的前提与基础。放射性空气采样器用来收集被污染空气中的放射性气溶胶、粉尘、碘和其他化合物，以进行放射性物质的浓度测定和核素分析，可用于环保、涉核行业厂区的环境低本底辐射监测以及核爆现场空气的采集取样。

不同于目前应用的小型空气采样器流量低、采样速度慢，和大流量空气采样器的移动不便，本文介绍的是一种便携式、大流量的放射性空气采样器。

1 系统结构

图1 系统组成图

放射性空气采样器是由气体采样回路、电气控制单元和嵌入式控制软件三部分组成。气体取样回路包括采样头、气体流量计和风机组合，电气控制单元包括主控制板、电源管理模块、显示屏、环境监测模块和按键，嵌入式控制软件由初始化自检模块、环境信息处理模块、数据处理模块、按键扫描模块、风机控制模块和流量计信息处理模块组成。

2 系统设计

2.1 气体采样回路设计

气体采样回路用于将空气中的放射性气溶胶、粉尘、碘和其他化合物过滤到采样头的滤材上，滤材就是采样所获得的样品，取下样品即可进行放射性测量或核素分析。

图2 气体采样回路示意图

本设备设计的采样头分为Φ50mm圆形采样头、Φ100mm圆形采样头和250mm×200mm方形采样头，用户可根据需要进行选配，Φ100mm圆形采样头和250mm×200mm方形采样头装载的滤材为取样滤膜，用于吸附空气中的气溶胶，Φ50mm圆形采样头除了装载滤膜外，还可装载放射性碘盒，用于吸附空气中的放射性碘。

气体流量计用于对气路中经过的气体进行瞬时流量检测和累积体积换算，并将信号传输至电气控制单元。本设计中选用质量型气体流量计，核心采用MEMS传感器利用热力学原理对管道中的气体进行检测，具有很好的精度与重复性，并在内部置有温度传感器，进行温度补偿校准。

风机组合是由无刷电机与叶轮组成，无刷电机电气控制单元的模拟调速信号，带动叶轮进行抽气，外部气体通过前端采样头后，空气中的放射性物质被采样头中的滤材吸附后，气体经气流通道，通过气体流量计，最后由叶轮排出，整个气路循环系统整体进行密封性设计。电机内含温度侦测元件，可以预防过负载使用，保护电机过热。

2.2 电气控制单元设计

图3 电气控制单元示意图

在电气控制单元中，电源管理模块将外部交流220V电源转化为直流电源，供其他模块使用；环境检测模块探测周围环境参数（环境温度、湿度和大气压力以及气路管道中的压力），输入给主控制板；显示屏作为采样器的显示输出设备，显示环境参数、瞬时流量、累计流量、采样时间、采样模式等信息；按键作为采样器的标准输入设备，完成各种参数设置；主控制板接受并读取各种信息，输出模拟电压控制风机组合的转速，并设计有时钟电路和存储电路，用于采样计时和信息存储。

在设定大流量采样时，采样头进气口气流速度较快，在高速气流的冲击下，取样滤膜容易发生破裂或损坏；而当空气中颗粒物污染严重时，连续的大流量空气采样会使滤膜和碘盒堵塞，最后导致滤材失效和电机保护性停机，从而影响采样效果。为了防止这两种情况导致设备损坏，设备采用多传感器融合监测技术，运用闭环控制的方式，在开始大流量采样工作时，主控制板通过电机驱动电路输出最小启动值，并开始读取气体流量计的瞬时流量信号，与设定的流量做比较，判断是否达到设定的流量数值，如果读取的瞬时流量值与设定值有偏差，则对输出电压参数进行调整，逐渐逼近直至达到设定流量值才结束。主控制板同时还监控管道内压力信号和电机过热报警信号，一旦管道内压力异常或电机过热，主控制板立即会停止对电机的信号输出，并发出故障报警。

图4 电机调速流程图

2.3 嵌入式控制软件设计

放射性空气采样器嵌入式控制软件基于TI公司的MSP430F5659MCU内核而写，编程语言为C语言，编译环境为IAR Embedded Workbench，开发工具为MSPFET430UIF。在软件设计编写时采用模块化设计，尽量减少器件变化造成对其他部分的影响。

初始化自检模块用于设备的初始化和自检操作。环境信息处理模块用于读取环境温度、湿度和大气压力以及气路管道中的压力。数据处理模块是嵌入式控制软件的核心模块，它用于设置测取样器的各类参数，包括采样时间与流量等，读取传感器和流量计数据信息，通过模拟输出实现对风机的运行控制，同时在设备运行过程中，能够对数据进行监测、分析和显示，使监测人员可以随时掌握采取样器的工作状态。按键扫描模块用于按键和主控制板之间的信号输入，从而实现对采样器的输入功能。风机控制模块实现对风机组合运行、调速和停止功能。流量计信息处理模块主要用于对气体流量计的数据采集功能。

放射性空气采样器嵌入式控制软件的工作流程如图5所示。