核燃料公路運輸模擬中的加速度分析

路慶豐，劉洪艷，宮 智

（1.中核建中核燃料元件有限公司 核燃料運輸部，四川 宜賓 644000；2.中國包裝科研測試中心 物流監控部，天津 300457）

核燃料公路運輸模擬中的加速度分析

路慶豐1，劉洪艷2，宮 智2

（1.中核建中核燃料元件有限公司 核燃料運輸部，四川 宜賓 644000；2.中國包裝科研測試中心 物流監控部，天津 300457）

目前國內尚無針對核燃料組件運輸中加速度超限后有效且通用的處置規則及相應的導向原則?；诖?，提出了一種利用低功耗處理器和MEMS加速度傳感器設計的加速度采集設備，并將其應用于核燃料組件的公路運輸典型行駛工況模擬中，采集了大量且有效的實驗數據并對其進行了分析，以探索在不同工況下，車輛本身所受加速度、運輸容器所受加速度及燃料組件加速度之間的相關性。

核燃料；公路運輸模擬；振動；加速度傳感器；數據采集

1 引言

核燃料運輸最首要的是保證核燃料的安全，其中最重要的就是要避免核燃料組件在運輸過程受到沖擊和振動等外部影響的損害。在實際的運輸過程中，會將核燃料放置在特制的容器內，并采取一系列的減振措施，將其固定在特定的支架上。支架一端與容器外殼的一個底面通過鉸鏈連接，此一端即為容器的底端，在頂端處，支架與容器外殼無連接，支架兩側通過多個減振簧與容器外殼連接，減振簧被拉緊，在固定支架的同時起到減振的作用。其在支架上的固定示意圖如圖1所示。

在實際的運輸過程中，往往通過專用鐵路線和公路運輸相結合的方式進行。在核燃料組件容器上固定有機械式的加速度傳感器。當容器所遭受加速度超過特定值時，其可以指示加速度值已超限，需要對核燃料組件的安全性進行檢查。但無法獲知核燃料組件所受的加速度值的具體值和發生的具體時間。在公路運輸時，路況較為復雜，因此需要經常對加速度進行查看，以保證其安全性。隨著傳感器技術的發展，有必要對此種狀況進行改進。通過新的技術來設計一種新型的加速度記錄儀，進一步研究公路運輸條件下核燃料組件、運輸容器及運輸車輛這三者所受的加速度之間的相關性，并以此為實際的公路運輸提供參考和改進意見。

圖1 核燃料組件容器與支架的固定示意圖

2 加速度記錄儀的硬件電路設計

為了測量加速度，我們查閱了大量的運輸標準文件。在2015年發布的ISTA Data Collection Requirements Shock/Impact&Drop中要求其加速度的范圍為10g或200g左右，采樣率為2 000點/s/通道，頻率響應范圍為0.5Hz到500Hz。我們對運輸過程進行了多次測試，發現在整個運輸過程中加速度值不會超過10g。

據此，我們提出了針對核燃料運輸監測所需的加速度記錄儀的硬件結構框圖，如圖2所示。

圖2 加速度記錄儀硬件結構框圖

2.1 加速度傳感器的選擇

為達到ISTA標準所要求的測量標準，所選用的加速度傳感器其量程必須要大于10g，采樣頻率需達到2 000Hz。為了降低設計的復雜性和提高數據傳輸速度，其接口方式最好為SPI形式。同時為了降低功耗，其最好為超低功耗器件。為此，我們選用了BOSCH的BMA250E加速度傳感器，該傳感器為數字輸出的低g值的三軸加速度傳感器。它有4個加速度量程可供選擇，其分辨率也滿足現階段監測的要求。其加速度量程范圍及分辨率見表1。

表1 BMA250E加速度傳感器的加速度量程范圍及分辨率

其采樣頻率也可以通過配置加速度數據濾波器帶寬寄存器0x10,PMU_BW來進行選擇。當配置其帶寬為1 000Hz時，其數據更新速率即為2 000Hz。

除了上述特點外，該款傳感器還具有6種不同的功耗模式，即除了常規模式還有5種低功耗模式可供選擇：深度休眠模式、休眠模式、待機模式、低功耗模式1和低功耗模式2。在實際的運行中，將根據不同監測階段選配不同的功耗模式，而且傳感器的功耗模式選擇也需要跟處理器的功耗運行模式相匹配。

BMA250E與微處理器STM32F205的連接示意圖如圖3所示。

圖3 加速度傳感器接口示意圖

BMA250E加速度傳感器還具有運動監測、敲擊感應、方向識別、平坦監測和非活躍監測等多種監測功能。在本次的加速度記錄儀的設計中，只通過該傳感器提取了加速度值，對其他功能未做涉及，但為以后的設備升級預留了空間。

2.2 微處理器的選擇

ISTA標準對加速度采集設備的要求還規定了另外兩個重要參數：數據長度和觸發位置。標準中要求，數據記錄長度要20ms到2 000ms，觸發位置為整個波形長度的20%。為了數據的完整性和更好的分析加速度所導致危害事件產生前后的狀態，本加速度記錄儀的數據記錄長度我們選取了2 000ms，因此在選擇微處理器時，需要對其SRAM的容量有一定的考量，必須要滿足數據緩存的需要。基于上述原則，本加速度記錄儀選用了STM32F205做微處理器。

STM32F205是32位ARM Cortex-M3內核的CPU，其運行頻率最高可達120MHz。除此之外，還有如下的考慮：

（1）內含1Mbyte的Flash存儲空間，該空間除可用于程序的存儲外，還可以用于用戶數據的存儲，其Flash空間分成了8個扇區，4個16Kbyte、1個64Kbyte和3個128Kbyte。本加速度記錄儀利用了其中的3個16Kbyte的扇區存放設備自身的標識信息和設備運行的用戶信息。為此，在本加速度記錄儀的設計過程中，我們利用IAP（In application programming）功能將應用程序代碼放置在了128Kbyte容量的扇區，而將小容量的扇區用于存放散碎的用戶信息，以充分利用系統資源減少外設的數量。

（2）含有128+4Kbyte的SRAM，可充分滿足數據緩存的要求。

（3）含有3個SPI接口，在本加速度記錄儀的設計中，用到了其中的2個，一個用于加速度傳感器的連接，一個用于NorFlash的連接。

（4）含有USB2.0全速和高速接口，可用于數據的快速讀取。

2.3 存儲器的選擇

本加速度記錄儀的設計中，采用了NorFlash作為存儲介質，其存儲容量為1Gb，時鐘頻率最高可達108MHz,數據吞吐率可達54MB/s，并具有編程暫停和擦除暫停功能，方便在數據監測時及時對數據進行操作。其連接示意圖如圖4所示。

圖4 存儲器接口示意圖

3 加速度記錄儀的軟件設計

本加速度記錄儀的軟件流程圖如圖5所示，開機之后首先需通過USB接口設置當前項目的采集參數。采集參數設置完成后，嵌入式系統軟件將按照當前的參數運行。如無任何操作，系統將進入低功耗模式，以節省電量。當接受到啟動監測的命令時，系統將對監測參數進行初始化，并按要求開啟傳感器進行加速度的采集。

圖5 軟件流程示意圖

在數據的采集過程中，處理器不斷地對采樣值進行計算，以提取當前數據的特征值，當需要對振動數據進行保存時則轉向對數據波形完整性的判斷，如波形已采集完整則將數據保存至NorFlash存儲器，進行下一個事件的采集工作。

當接收到關機操作指令時，首先需要對當前的狀態進行判斷，如有事件波形未采集完整或當前事件正在進行保存則需要將當前的事件數據保存完后才能關機。

4 公路運輸模擬試驗

該加速度記錄儀設計完成后，我們聯合中國包裝測試中心利用該記錄儀對核燃料的公路運輸部分進行了模擬，并將采集到的數據進行了處理。在某次公路運輸模擬試驗中，我們采用了10臺設備其中8臺分為兩組安裝在容器上，其安裝位置如圖6所示，另外兩臺安裝到了車輛的底盤和框架式集裝箱的底板上。

我們選取了一段與實際運輸狀況極為相似的路段，在上面進行了3h的測試，每隔5min對其振動數據進行一次采集，并對采集到的數據進行了整合。

我們對振動輸入和不同響應位置的振動事件記錄構建了各自完整的PSD密度譜。并采用置信區間為95%的功率密度來表征振動能量。由此得出了以下PSD圖。

圖7為1號容器外壁上的A1，A4兩臺設備所采集數據的PSD圖。

圖6 監測設備安裝示意圖

圖7 容器外壁PSD圖

圖8 容器內PSD圖

圖8為容器內2臺設備所采集數據匯總的PSD圖。

圖9為放置在框架式集裝箱底部的設備采集數據所繪制的PSD圖。

圖10為放置在拖車底部的設備所采集數據所繪制的PSD圖。

我們分別對比了此次試驗中框架式集裝箱與平板拖車在前后、左右和上下三個軸向上的平均PSD，發現在前后和左右軸向上框架式集裝箱的PSD曲線基本位于平板拖車底盤處PSD曲線的下方，這說明在大多數的頻率上，框架式集裝箱上的均方根加速度值均小于平板拖車底盤上的均方根加速度值。

但我們也同樣發現了如圖11圓圈內所示的現象。圖中的C1代表的是框架式集裝箱，C2代表的是平板拖車。我們可以看到，在上下軸向上，在3～25Hz的頻段內，框架式集裝箱處的PSD曲線位于平板拖車底盤處的PSD曲線上方。說明在該頻段內，框架式集裝箱處的均方根加速度值大于平板拖車底盤處的均方根加速度值。

由此可以得出結論，在公路運輸的過程中，框架式集裝箱通過鎖緊裝置固定在拖車平板上，集裝箱與車體之間本應保持較好的一致性，但實際測試可以看出在上下軸向上，鎖緊裝置的作用并不明顯。因此，在實際的運輸中，需要在這個軸向上進一步做改進。

Analysis of Acceleration in Simulated Nuclear Fuel Powered Highway Transportation

Lu Qingfeng1,Liu Hongyan2,Gong Zhi2
(1.Nuclear Fuel Transportation Department,CNNC Jianzhong Nuclear Fuel Co.,Ltd.,Yibin 644000; 2.Logistics Monitoring Department,China Packaging Research&Test Center,Tianjin 300457,China)

In this paper,we proposed the design of an acceleration data collection device based on the low-power processor and the MEMS acceleration sensor,applied it in the simulation of the typical running and working conditions of highway transportation vehicles with nuclear fuel components which collected a large quantity of valid experiment data for the further analysis of the correlation between the acceleration of the vehicle,the transport container and the nuclear fuel component.

nuclear fuel;highway transport simulation;vibration;acceleration sensor;datacollection

圖9 框架式集裝箱底部PSD圖

圖10 拖車底部PSD圖

F570.8;TL93+2

A

1005-152X(2017)02-0100-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.02.024

2016-12-28

路慶豐（1984-），工程師，主要研究方向：核燃料運輸容器及其相關配套設備和配件的管理、運輸安全技術方案的策劃與具體實施；劉洪艷（1982-），研究方向：物流監測終端設備的檢測及管理、物流項目運營管理。