放射性空氣采樣器設計

胡 勁，田海燕，王新科

（1.綿陽市維博電子有限責任公司，綿陽 621000；2.中國兵器裝備集團自動化研究所，綿陽 621000）

0 引言

大氣放射性核素的監測是環境及核事故情況下放射性監測的一個重要方法，在大氣放射性核素檢測中，獲得連續地具有代表意義的樣品，是取得準確數據和可靠結論的前提與基礎。放射性空氣采樣器用來收集被污染空氣中的放射性氣溶膠、粉塵、碘和其他化合物，以進行放射性物質的濃度測定和核素分析，可用于環保、涉核行業廠區的環境低本底輻射監測以及核爆現場空氣的采集取樣。

不同于目前應用的小型空氣采樣器流量低、采樣速度慢，和大流量空氣采樣器的移動不便，本文介紹的是一種便攜式、大流量的放射性空氣采樣器。

1 系統結構

圖1 系統組成圖

放射性空氣采樣器是由氣體采樣回路、電氣控制單元和嵌入式控制軟件三部分組成。氣體取樣回路包括采樣頭、氣體流量計和風機組合，電氣控制單元包括主控制板、電源管理模塊、顯示屏、環境監測模塊和按鍵，嵌入式控制軟件由初始化自檢模塊、環境信息處理模塊、數據處理模塊、按鍵掃描模塊、風機控制模塊和流量計信息處理模塊組成。

2 系統設計

2.1 氣體采樣回路設計

氣體采樣回路用于將空氣中的放射性氣溶膠、粉塵、碘和其他化合物過濾到采樣頭的濾材上，濾材就是采樣所獲得的樣品，取下樣品即可進行放射性測量或核素分析。

圖2 氣體采樣回路示意圖

本設備設計的采樣頭分為Φ50mm圓形采樣頭、Φ100mm圓形采樣頭和250mm×200mm方形采樣頭，用戶可根據需要進行選配，Φ100mm圓形采樣頭和250mm×200mm方形采樣頭裝載的濾材為取樣濾膜，用于吸附空氣中的氣溶膠，Φ50mm圓形采樣頭除了裝載濾膜外，還可裝載放射性碘盒，用于吸附空氣中的放射性碘。

氣體流量計用于對氣路中經過的氣體進行瞬時流量檢測和累積體積換算，并將信號傳輸至電氣控制單元。本設計中選用質量型氣體流量計，核心采用MEMS傳感器利用熱力學原理對管道中的氣體進行檢測，具有很好的精度與重復性，并在內部置有溫度傳感器，進行溫度補償校準。

風機組合是由無刷電機與葉輪組成，無刷電機電氣控制單元的模擬調速信號，帶動葉輪進行抽氣，外部氣體通過前端采樣頭后，空氣中的放射性物質被采樣頭中的濾材吸附后，氣體經氣流通道，通過氣體流量計，最后由葉輪排出，整個氣路循環系統整體進行密封性設計。電機內含溫度偵測元件，可以預防過負載使用，保護電機過熱。

2.2 電氣控制單元設計

圖3 電氣控制單元示意圖

在電氣控制單元中，電源管理模塊將外部交流220V電源轉化為直流電源，供其他模塊使用；環境檢測模塊探測周圍環境參數（環境溫度、濕度和大氣壓力以及氣路管道中的壓力），輸入給主控制板；顯示屏作為采樣器的顯示輸出設備，顯示環境參數、瞬時流量、累計流量、采樣時間、采樣模式等信息；按鍵作為采樣器的標準輸入設備，完成各種參數設置；主控制板接受并讀取各種信息，輸出模擬電壓控制風機組合的轉速，并設計有時鐘電路和存儲電路，用于采樣計時和信息存儲。

在設定大流量采樣時，采樣頭進氣口氣流速度較快，在高速氣流的沖擊下，取樣濾膜容易發生破裂或損壞；而當空氣中顆粒物污染嚴重時，連續的大流量空氣采樣會使濾膜和碘盒堵塞，最后導致濾材失效和電機保護性停機，從而影響采樣效果。為了防止這兩種情況導致設備損壞，設備采用多傳感器融合監測技術，運用閉環控制的方式，在開始大流量采樣工作時，主控制板通過電機驅動電路輸出最小啟動值，并開始讀取氣體流量計的瞬時流量信號，與設定的流量做比較，判斷是否達到設定的流量數值，如果讀取的瞬時流量值與設定值有偏差，則對輸出電壓參數進行調整，逐漸逼近直至達到設定流量值才結束。主控制板同時還監控管道內壓力信號和電機過熱報警信號，一旦管道內壓力異常或電機過熱，主控制板立即會停止對電機的信號輸出，并發出故障報警。

圖4 電機調速流程圖

2.3 嵌入式控制軟件設計

放射性空氣采樣器嵌入式控制軟件基于TI公司的MSP430F5659MCU內核而寫，編程語言為C語言，編譯環境為IAR Embedded Workbench，開發工具為MSPFET430UIF。在軟件設計編寫時采用模塊化設計，盡量減少器件變化造成對其他部分的影響。

初始化自檢模塊用于設備的初始化和自檢操作。環境信息處理模塊用于讀取環境溫度、濕度和大氣壓力以及氣路管道中的壓力。數據處理模塊是嵌入式控制軟件的核心模塊，它用于設置測取樣器的各類參數，包括采樣時間與流量等，讀取傳感器和流量計數據信息，通過模擬輸出實現對風機的運行控制，同時在設備運行過程中，能夠對數據進行監測、分析和顯示，使監測人員可以隨時掌握采取樣器的工作狀態。按鍵掃描模塊用于按鍵和主控制板之間的信號輸入，從而實現對采樣器的輸入功能。風機控制模塊實現對風機組合運行、調速和停止功能。流量計信息處理模塊主要用于對氣體流量計的數據采集功能。

放射性空氣采樣器嵌入式控制軟件的工作流程如圖5所示。

圖5 軟件工作流程圖

3 結束語

設計了一種便攜式、大流量的放射性空氣采樣器，對空氣采樣過程中流量率可調，具有溫度、氣壓補償功能，可間斷使用、循環使用或連續使用，設備具有操作簡單、反應靈敏、工作迅速、體積緊湊、重量輕、維護成本低等優點，得到使用人員的好評。

圖6 放射性空氣采樣器實物圖

該設備在成都中國測試技術研究院進行了氣體流量性能的測試，其測試結果表明該設備的流量性能高于國內外同類型產品。

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