关于辐射环境自动监测空气采样器现场标定装置的研究

钮云龙，杨维耿，杨江，邓璐妍

(1.浙江省辐射环境监测站/浙江省辐射环境安全监测重点实验室，杭州 310012；2.浙江大学，杭州 310012)

从“十五”开始一直到“十二五”，国家均对辐射环境监测工作给予大力支持，目前已建成和运行的161个辐射环境空气自动监测站，仅中央财政已投入8亿元。“十三五”期间，全国拟再新建300多个大气辐射环境自动监测站，建成后将形成覆盖全国各设区市的辐射自动监测网络。2015年12月21日，原环境保护部(国家核安全局)正式对公众发布放射性监测数据，并对我国现有监测系统提出了更高的准确度要求。而目前国内缺少符合辐射环境空气采样器流量现场标定要求的设备，国际市场上现有的气体流量检测仪器(如：YK-LWQ气体涡轮流量计，CalTrak®350气体流量标定仪等)不能满足大流量采样器(600～900m3/hr)的计量要求，不能对现场运行的辐射环境空气采样器有关参数测量精度进行合理评估。在全国辐射监测工作会议上，各省辐射环境监测站的技术人员对现有大流量采样器及超大流量采样器的校准问题多次提出要求。面对国内辐射监测领域的迫切需求，浙江省辐射环境监测站(生态环境部辐射环境监测技术中心)联合浙江大学控制科学与工程学院，利用浙江大学在自动控制和软件开发方面的优势，研究了一套便捷、可行、合理的不需要实验室条件的标定装置，使超大流量采样器的空气流量精度能达到±2%，以保证监测数据准确可靠。

1 技术背景

空气流量的计量精度直接影响核素浓度的检测精度。空气采样器流量现场标定设备不仅可以检验空气采样器运行时的空气采样精度，而且还可以记录其偏差，通过软件补偿，提高空气采样器的空气计量精度。

对于空气采样器的流量标定，国际标准《用比托管测量烟道气流量》(ISO 10780—1994)规定，用指定规格的比托管插入烟道，进行多点重复测试(大于16点)，然后求取平均值。该方法的缺点是标定过程复杂、时间慢，且对气体的起始速度有一定的要求，精度较低；国家标准《大气采样器型式评价大纲》(JJF1404—2013)和《大气采样器检定规程》(JJG956—2013)中的标定方法为，用量程为0～6L/min、精度等级为±1%的皂膜流量计对大气采样器的流量进行标定；用温度计、压力计获得温度和压力的测量值，实现温压补偿；用计时器完成累积量的统计，并与大气采样器的指示值进行对比。由于皂膜流量的计量范围较小，不符合目前辐射环境空气采样器大流量(最大900m3/hr)的要求，而且皂膜流量需要人工读取液位，难以实现自动化的数据采样功能，标定过程中需要人工操作多个仪器，存在人为读数误差、过程复杂、时间慢等缺点，该方法可以用于大气采样器生产单位的生产标定，但不适合于大气采样器在现场运行时的标定。

2 方案设计

本文论述的辐射环境空气采样器流量现场标定的技术方案为：采用现场实流标定的方式，在辐射环境空气采样器的排气口连接温度、压力传感器和罗茨流量传感器，分别获得温度、压力、工况体积流量。由于罗茨流量传感器采用体积式计量方式，具有精度高、测量快速等优点。

标定装置主要由涡轮流量传感器、温度传感器、压力传感器、信号采集模块、锂电池、RS485通信总线、带电阻触摸屏和TFT显示器的信号计算模块等组成。

上述3个测量信号进入后续的信号处理模块，根据物理学上的理想气体状态方程，对工况流量进行温度、压力的初步补偿。而实际的空气并非理想气体，因此还需要用空气的压缩因子做进一步的补偿，从而得到标况流量和标况累积量，作为现场的标准信号。

图1 气体流量标定系统的应用示意图

图2 标定系统的硬件组成框图

标定工作过程为：信号采集模块就地采样温度、压力、流量传感器的输出信号，通过RS485总线发送到信号计算模块，计算模块完成流量计量、温压补偿、启停操作、误差计算及结果显示等功能。

3 信号处理

信号处理控制单元以32位嵌入式微处理器STM32F103RD为核心，通过通信单元连接信号检测电路，获取流量、温度、压力信号，并对这流量信号进行温度与压力补偿计算。根据物理学上的气体状态方程，对工况流量进行温度与压力补偿，从而得到标况流量和标况累积量。具体计算过程为：

其中，Qm(i)为第i个采样周期内的工况瞬时流量；T为采样间隔时间，单位为秒；N是T秒时间内流量传感器发出的脉冲个数，用定时器记录；K是罗茨流量传感器固有的流量系数，由传感器厂家提供。

温度Temp(℃)为：

Temp=Kt×Tad-Bt

其中，Kt是温度计算的放大系数，Bt是温度计算的偏置系数，这两个系数通过实际的温度标定环节得到；Tad为温度传感器的采样值。

压力Press(kPa)为：

Press=Kp×Pad-Bp

其中，Kp是压力计算的放大系数，Bp是压力计算的偏置系数，这两个系数通过实际的压力标定环节得到；Pad为温度传感器的采样值。

工况累积流量psum(i)(m3)为：

Psum(i)=Psum(i-1)+Qm(i)×3600

其中，Psum(i)为第i个采样周期的工况累积流量，Psum(i-1)为第i-1个采样周期的工况累积流量，Qm(i)是i个采样周期内的瞬时流量。

温度与压力的补偿因子Cv为：

标况瞬时流量Qo(i)(Nm3/hr)为：

Qo(i)=Fz×Cv×Qm(i)

标况累积流量Sum(i)(Nm3)为：

Sum(i)=Sum(i-1)+Qo(i)×3600

其中，Fz是空气压缩因子，根据温度和压力的测量值，查表1得到；Sum(i)是第i个采样周期的标况累积流量；Sum(i-1)是第i-1个采样周期的标况累积流量；Qo(i)是第i个采样周期内的标况瞬时流量。

信号处理控制单元具有接收触摸屏上的用户按键命令，控制标定装置的启停、参数设置以及结果查询等功能。通过在触摸屏上输入采样器自身产生的测量数据，与信号处理控制单元处理得到信号进行比较，确定采样器流量参数的检测精度，从而完成空气流量的标定工作。

4 标定装置的精度

该标定装置经浙江省计量科学研究院核准(RN-2016094455)，最大误差0.8%，计量精度为1.0% 。

5 现场测试

上述标定装置在杭州丁桥辐射环境自动监测站和上海普陀辐射环境自动监测站进行了现场测试，测定瞬时工况流量，标定数据见表2和表3。

表1 空气压缩因子(Fz)数据表

表2 杭州丁桥辐射环境自动监测站测试结果

表3 上海普陀辐射环境自动监测站测试结果

图3 杭州丁桥站测试数据得到的校正数据图

图4 上海普陀站测试数据得到的校正数据图

6 结果分析

根据表2中采样器的测量显示值和标定装置的装置显示值数据，数据拟合后，杭州丁桥站采样器流量校正曲线见图3。由图可见，该采样器的流量测量精度在-1.65%～0.16%，符合±2%的精度要求。

根据表3中采样器的测量显示值和标定装置的装置显示值数据，数据拟合后，上海普陀采样器流量校正曲线见图4。由图可见，该采样器的流量测量误差在0.45%～1.65% ，符合±2%的精度要求。