模拟水氡自动鼓泡装置初探

魏小刚,白雄博,司国兴,王小娟,高曙德

(中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000)

0 引言

水氡观测在我国乃至世界短临地震监测预报中都具有重要意义[1]。随着地震监测科技的不断进步与水氡观测技术的不断提升,我国对水氡观测资料的可靠性要求更为严格,同时对水氡的日常监测提出了更高的要求[2]。

《地震水文地球化学观测技术规范》[3](以下简称《规范》)要求:模拟水氡进行鼓泡时,“通过观察真空表指针走动的速度均匀鼓泡(11±1) min”。这对鼓泡操作提出了很高的要求,不仅要求鼓泡要“均匀”,而且严格规定了时间。但在实际鼓泡过程中,为了在规定时间内完成鼓泡操作,需要频繁手动调整鼓泡速率,在规定时间内很难实现“均匀”鼓泡,鼓泡过程不可避免地存在较大人为操作误差。模拟水氡观测工艺繁琐,方法落后,人为操作误差大,测值准确性低,数据质量不高,导致观测资料的趋势异常映震效果不明显。因此要提高水氡观测资料质量,改进鼓泡装置是很有必要的。

为排除“非均匀”鼓泡对模拟水氡观测的干扰,本研究拟对传统模拟水氡鼓泡装置进行改造升级,研制出一套灵敏度高、稳定性好、操作简便的自动鼓泡装置。新装置能在规定时间内完成“均匀鼓泡”的《规范》要求,同时降低鼓泡操作难度,减少人为操作误差,提升水氡监测效率,并为模拟水氡观测鼓泡装置的更新换代工作提供可行途径。

1 自动鼓泡装置研制

1.1 传统鼓泡装置及操作流程

目前我国模拟水氡观测大多采用人工负压鼓泡的方法:水氡经真空扩散脱气被鼓入闪烁室;氡及其子体的a粒子冲击闪烁室内壁的硫化锌(银)闪烁体激发出光子,经光电转换在阳极负载上形成一脉动电流,输出一个负脉冲;再经放大、鉴别、整形后被自动定标器记录下来,根据单位时间内的脉冲数,按固定公式计算出水氡浓度。

具体操作流程如下:

(1) 先将旋片式真空泵、闪烁室、扩散瓶等按图1连接起来;

图1 传统鼓泡装置图Fig.1 Diagram of traditional bubbling device

(2) 开启真空泵运行3 min;

(3) 关闭止水夹a,断开真空泵;

(4) 缓慢旋转打开十字止水阀b,通过观察真空表指针走动的速度,及时调节止水夹b开度,均匀鼓泡11 min;

(5) 读数并计算氡值。

1.2 自动鼓泡装置设计

进行自动鼓泡装置设计之前,首先需要明确如何才能实现对鼓泡过程的自动控制,然后通过反复论证,最终确定设计思路。传统鼓泡过程中存在很多人为干扰因素,鼓泡是否“均匀”及鼓泡时间是否符合《规范》要求,都会对水氡测值的准确性产生直接影响。要实现对“均匀鼓泡”的精准控制,除了需要研制一套精细的自动控制程序外,还要求各个传感器、阀门定位器及其他部件都具有高精度、高稳定性、快响应、小体积以及极低零漂等特性。

研制模拟水氡自动鼓泡装置,在技术理论上并不复杂,难点在于对固定时间内鼓泡气流的“匀速”控制上。对多种高精度流量变送器、智能阀门定位器等进行反复测试后,筛选出理想的流量变送器及气路控制阀,结合水氡观测《规范》要求,经反复研究测试,最终完成了对自动鼓泡装置的设计(图2)。

图2 自动鼓泡装置构成Fig.2 Composition of automatic bubbling device

1.3 自动鼓泡装置原理

自动鼓泡装置由自动控制器、流量变送器及阀门定位器三部分构成。其工作原理为:首先将流量变送器、阀门定位器通过RS232通讯方式与自动控制器连接起来。流量变送器实时监测进入鼓泡系统内的空气流量、流量状态信息及自动控制器传输的指令信息,并将其反馈给自动控制器。自动控制器计算流量变送器当前状态与所设定状态之差,并根据这一误差信号按固定程序输出控制信号,传输给阀门定位器。阀门定位器通过驱动并调节阀门开度,直至流量变送器状态达到预设状态[4]。如此反复循环,完成对鼓泡系统气路空气流量的匀速控制,从而实现了模拟水氡观测中的关键一步:“均匀鼓泡”。

具体操作流程如下:

(1) 将旋片式真空泵、闪烁室、扩散瓶、自动鼓泡装置等按图2连接起来;

(2) 开启真空泵运行3 min;

(3) 关闭止水夹,断开真空泵;

(4) 打开自动鼓泡装置,11 min后,鼓泡自动结束;

(5) 读数并计算氡值。

2 新旧鼓泡装置对比分析

2.1 鼓泡时间

模拟水氡观测过程包括人工取样、鼓泡、测值计算及数据入库等一系列人工观测过程,其中鼓泡过程尤为重要,存在的人为操作误差也最大,鼓泡方式与鼓泡时间的不确定性都会对水氡测值产生直接影响[5]。水氡观测《规范》规定,鼓泡时间为(11±1) min(本研究鼓泡时间均取11 min)。在实际人工鼓泡过程中,鼓泡时间控制往往不够精准。鼓泡时间控制不准确带来的人为操作误差会直接影响水氡观测值的准确性。

自动鼓泡装置很好地解决了这一难题,其鼓泡过程为控制器自动控制过程。控制器投入使用前需先设定鼓泡时间,鼓泡时间是自动控制器主要的控制参数之一。

图3是自动鼓泡过程中鼓泡流量与鼓泡时间曲线。由图3可知,打开自动鼓泡装置后,鼓泡系统内空气流量瞬间从0升至47.4 sccm,随后装置开始自动控制鼓泡过程。自动鼓泡过程中,鼓泡流量始终在47.4～47.5 sccm这一极小范围内波动。11 min后,鼓泡过程结束(鼓泡系统内真空度由-0.08 hPa降至-0.002 hPa),鼓泡流量在2.0 s内快速降为0,鼓泡过程瞬间结束,说明自动鼓泡装置对鼓泡时间的控制非常精准。

图3 自动鼓泡过程鼓泡流量与时间曲线Fig.3 Relation curve of bubbling flow and time during automatic bubbling process

2.2 鼓泡速率

人工鼓泡过程中,为了在固定时间内完成鼓泡操作,只能通过观察真空表指针走动速度,频繁调节止水夹开度,完全凭借经验控制鼓泡速率。频繁调整止水夹开度(即频繁改变鼓泡速率)与《规范》要求的“均匀鼓泡”规定完全相悖。对于新入职无鼓泡操作经验的水氡观测人员来说,在规定时间内实现“均匀鼓泡”的难度更大。新人积累经验的过程实则是产生较大人为操作误差的过程,这期间测得的氡值与实际值可能存在较大偏差。

自动鼓泡控制装置的本质在于对鼓泡速率的控制。设置瞬时流量参数后,自动控制器通过流量传感器实时反馈的瞬时流量信号即时调节阀门定位器开度,实现对鼓泡系统气路瞬时流量的精准控制。

图4是自动鼓泡过程中鼓泡速率与时间曲线。由图4可以看出,在自动鼓泡过程中鼓泡系统内瞬时流量始终保持极小波动范围,变化幅值范围为47.4～47.5 sccm,表明鼓泡速率非常稳定,完全符合水氡观测《规范》对“均匀鼓泡”的要求。自动鼓泡装置排除了人工鼓泡过程中鼓泡速率大幅波动对鼓泡效率的影响,有效提高了模拟水氡观测资料的质量。

图4 自动鼓泡过程鼓泡速率变化曲线Fig.4 Change curve of bubbling rate during automatic bubbling process

2.3 观测数据对比分析

为进一步验证自动鼓泡装置观测结果是否符合《规范》要求,对新、旧鼓泡装置观测数据进行对比分析。2019年1月1日—11月30日,采用人工鼓泡与自动鼓泡对比观测的方式,连续、客观地记录了人工鼓泡与自动鼓泡装置的观测结果,并对其数据进行对比分析(图5)。

图5中,2019年1月1日—5月31日为人工鼓泡与自动鼓泡装置的平行样对比观测,其中闪烁室1、闪烁室2为人工鼓泡观测结果,闪烁室3为自动鼓泡观测结果。2019年6月1日—11月30日闪烁室1、2、3观测结果均为自动鼓泡装置的平行样对比观测。平行样观测氡值的相对偏差按式(1)计算:

图5 人工鼓泡与自动鼓泡观测数据对比分析Fig.5 Comparison and analysis between observation data of artificial bubbling and automatic bubbling

(1)

计算结果均在±3%范围内,符合《规范》中平行样测值相对偏差小于±8%(井泉水氡浓度为18.5～111 Bq/L)的要求。且闪烁室1、2、3测得的氡值均较稳定,变化形态基本一致。

在对比分析了2019年1—11月人工鼓泡与自动鼓泡装置观测结果的基础上,对2020年1—6月人工鼓泡及自动鼓泡装置平行样之间的相对偏差(取绝对值)也进行了对比分析,分析结果见图6、表1。

图6 人工鼓泡与自动鼓泡观测平行样相对偏差对比分析Fig.6 Comparative analysis of the relative deviation of parallel samples observed by manual bubbling and automatic bubbling

表1 2020年1—6月人工鼓泡装置与自动鼓泡装置观测数据对比分析Table 1 Comparative analysis of output data of manual bubbling device and automatic bubbling device from January to June 2020

从图6和表1中可以发现:

(1) 自动鼓泡装置平行样之间相对偏差(取绝对值)的平均值为0.74,远低于人工鼓泡装置(2.10),说明自动鼓泡装置在控制平行样之间的相对偏差上效果显著。

(2) 自动鼓泡装置的主、副样之间的相关系数为0.996,明显高于人工鼓泡装置(0.968)。

因此自动鼓泡装置完全可以代替人工鼓泡装置,用于模拟水氡观测。

3 结论

通过对传统模拟水氡鼓泡装置进行改造,研制出了一套符合模拟水氡观测《规范》要求的自动鼓泡装置,解决了传统模拟水氡观测中的自动鼓泡问题。本文所研制的自动鼓泡装置对鼓泡时间、鼓泡速率的控制精准,操作过程简单、易学,从而有效提高了水氡观测的鼓泡效率,降低了人工鼓泡过程中鼓泡时间与鼓泡速率不规范对鼓泡效率的影响,解决了人工鼓泡操作不规范对测值的干扰。自动鼓泡装置能提高模拟水氡观测的资料质量,并为探索模拟水氡观测设备的更新换代提供一种可行途径。