專利名稱：α表面污染測量儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明與測量管道內外壁的α表面污染測量儀器及其測量方法有關。
背景技術：
此α表面污染測量儀用于檢測管道內外壁的α表面污染，從而了解管道內外壁的α污染情況，以做出相應措施，這是人們?yōu)樽陨斫】?、安全或環(huán)境免遭放射性核素污染而采取的一種措施。目前國內外已有為檢測輻射場所不規(guī)則表面的α點測儀，和對放射性工作場所檢測的α表面污染儀。這些α表面污染測量儀要求探頭與探測面平行，并且兩者之間的距離要小于某個值，這對于測量管道內壁內的α表面污染，很難實現。目前國內外尚無用于測量管道內壁的α表面污染的測量儀。
發(fā)明的內容本發(fā)明的目的是提供一種體積小，輕便，便于攜帶，可實現長距離測量任何管道內外壁的α粒子表面污染的測量儀及其測量方法。
本發(fā)明是這樣實現的本發(fā)明α表面污染測量儀，柔性抽氣管1與風扇2連接，風扇2與電源7連接，抽氣管1的一端位于被測管道內壁，另一端與電離室4連接，電離室4的極板與電源7的輸出連接，電離室陽極板上的插座與I-V轉換器5的輸入連接，I-V轉換器5的輸出接A/D轉換器6的輸入，A/D轉換器6的輸出接單片機3，單片機3與鍵盤8、報警器9、存儲器10連接，電源7與A/D轉換器6連接。
電源7為與充電器11連接的鋰電池，鋰電池與三個DC-DC轉換器12、13、14連接，轉換器12輸出+5V、±9V工作電壓給單片機3和A/D轉換器6，轉換器13輸出100V工作電壓給電離室4，轉換器14輸出12V電壓給風扇2，電池電壓檢測電路有比較器的2腳通過分壓電阻接電源負極，放大器的3腳接電源正極并通過二極管接地，放大器的輸出接單片機3的中斷口。
DC-DC轉換器12為HDW8-12D9S5，轉換器13為HDW1-12S100，轉換器14為HDW1-12S12，單片機3為89C52，比較器為LM311。
充電器11由開關電源15和單片機16組成，開關電源15的輸入接市電，輸出接鋰電池，ADC轉換器20的輸入接電流采樣電阻17，電壓采樣電阻18和運算放大器19的輸出，電流、電壓采樣電阻接鋰電池正、負極，ADC轉換器20的輸出接單片機16，單片機16的輸出經數字電位器21接開關電源15的控制端。
單片機16為AT89C2051，ADC轉換器20為TLC0832，運算放大器19為LM358，數字電位器21為X9C102，開關電源15為9V1A5WO5A復合式開關電源，采用TL431和PC817組成的反饋電路。
I-V轉換器5由AD515A芯片及外圍電路組成，外圍電路由2個濾波電感和4個濾波電容組成去耦電路，AD515A的4腳，5腳接輸出調零電位器W1，第2腳接電離室的陽極板，第6腳輸出電壓信號接16位A/D轉換器6，A/D轉換器6為AD7715。
風扇2為TA150DC。
測量儀α表面污染測量方法，由如下步驟構成(1)設定單片機3的總的測量時間t1，單片機在t1時間中采集A/D轉換器5的輸出電壓信號的間隔時間1s，在存貯器10中預存α污染報警閾值，(2)在t1時間內每間隔1s時間采集A/D轉換器5的輸出、并將其值送顯示器顯示，測量自然環(huán)境中的α粒子濃度值并將t1/1s次測量結果計算平均值作為本底值存貯并送顯示器顯示，(3)將抽氣管1送入被測量管道的內或外表面，在t1時間內，每隔1s時間采集A/D轉換器5的輸出測量α粒子污染值，若此值大于預存的α污染報警閾值，則儀器報警，并將其值送顯示器顯示，將t1/1s次測量結果計算平均α粒子污染值，(4)將α粒子污染平均值減去本底值再乘以K2，K2＝0.001-9.999，則為測量值，送入顯示器顯示。
測量儀的充電器的充電方法，其步驟如下(1)在單片機16中預存涓流充電的電流值，鋰電池電壓最大值和最小值，充電時間值，
(2)單片機從鋰電池采集電壓值與預存的電壓最小值相比較，如果大于最小值，則不充電而繼續(xù)從鋰電池采集電壓值直到其值小于預存的電壓最小值，而啟動開關電源充電，(3)單片機16從鋰電池采集電壓值與預存的電壓最大值比較，如果大于電壓最大值，則單片機指令進入涓流電流并從鋰電池采集電流值與預存的涓流充電的電流值比較，如果不符合，則指令開關電源改變輸出電壓，直到充電電流等于涓流充電電流值，(4)單片機16從充電開始即進行計時，當充電時間等于預存的充電時間，則單片機16指令進入涓流充電，過程與步驟3相同。
一般的α表面污染測量儀要求探頭與探測面平行，并且兩者之間的距離要小于某個值，這對于測量管道內壁內的α表面污染很難實現。本發(fā)明的測量儀可以解決此問題，并且，它還可以實現長距離的測量。本儀器采用抽氣管將管道內壁內受污染的氣體輸入到電離室，由于抽氣管為塑料軟管，可自由伸縮，因此，很容易實現對任何管道(規(guī)則管道和管道內壁)內外的α表面污染的測量。同時，根據實際測量情況，可改變抽氣管的長度、管徑，實現長達2米的長距離測量。本裝置采用的電離室體積小、輕便、置于儀器內部，采用鋰電池供電，為便攜式α表面污染測量儀。本發(fā)明的鋰電池可進行智能充電，提高鋰電池的使用壽命并防止事故發(fā)生。本發(fā)明的測量裝置和測量方法可保證測量精度并可顯示和報警。


圖1為測量儀系統(tǒng)組成框圖。
圖2為測量儀的正視圖。
圖3為測量儀內部結構圖。
圖4為電離室結構圖。
圖5為I-V轉換器電路圖。
圖6為電源結構框圖。
圖7為電源電路圖。
圖8為充電器框圖。
圖9為充電器電路圖。
圖10為測量程序流程圖。
圖11為充電程序流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明儀器包括抽氣管、電離室、電流電壓轉換器、單片機系統(tǒng)、電源和充電器幾部分，如圖1所示。管道內受污染的氣體經過抽氣管輸入到儀器的電離室，氣體放射出的α粒子使電離室產生電離電流。微弱的電離電流通過I-V轉換器轉換為電壓信號，此信號由ADC變換為數字信號，輸入到MCU.此數字信號的值直接反映α粒子的強度，即管道內氣體的污染程度。本儀器由鋰電池供電，儀器所附的充電器可對鋰電池和儀器分別充電和供電。儀器內部的三個DC-DC轉換器提供主電路所需的±9V、+5V電壓，+100V電離室高壓，+12V抽氣風扇電壓。本儀器為便攜式儀器，儀器的鋰電池充滿電后，可保證8小時的連續(xù)工作。
儀器外觀如圖2所示，其進風口在儀器左側，將抽氣管抽取到的氣體通過進風管道送到電離室電離，電離后的氣體通過出風管道送出，其出風口在儀器右側。電離室結構如圖4所示。
基于管道內壁的α表面污染測量儀的各組成部分的工作原理下面從外部裝置(抽氣管)、電離室及I-V轉換、以MCU為核心的信號采集及處理、電源四部分進行說明。
1.抽氣管抽氣管屬于外部裝置，與儀器配套使用。由于抽氣管為可自由伸縮的塑料軟管，因此對管道內部受污染氣體的測量變得很容易，并且對任何形狀的管道都可實現。上電后，風扇(型號TA150DC，日本NIDEC公司生產)轉動，開始抽氣。同時，由于抽氣管為塑料軟管、易于氣體的傳輸，結合風扇的工作能力，本儀器可以完成最長距離為2m的測量。
2.電離室及I-V轉換抽氣管抽取的氣體(含有α粒子)輸送到電離室，電離室兩端加有高壓，氣體經過電離室產生微弱的電離電流，電離電流經I-V轉換器轉換為電壓。該I-V轉換器(電路如圖5)是由AD515A芯片及其外圍電路(芯片周圍的電容電感及電阻)組成的標準電路。其中2個電感是濾波電感，4個電容是濾波電容，它們組成去耦電路。W1為輸出調零電位器。芯片AD515A第2腳電流輸入，第6腳輸出電壓，該芯片專用于電流到電壓的轉換，其輸出電壓Vo與輸入電流Ii的關系為Vo＝-IiRG，其中(RG＝10GΩ)。
3.信號采集及處理信號采集及處理單元是以單片機(89C52)為核心的系統(tǒng)，電壓信號進入16位.A/D轉換器AD7715，該轉換器為串行輸出數字量，采用∑-Δ技術實現16位的精確轉換而無誤碼，可單極性輸入，也可雙極性輸入，增益設置可設置為1、2、32、128，并且其串行接口提供三線操作。其中，∑-Δ技術∑代表求和，Δ表示增量；采用∑-Δ技術的ADC對串模干擾具有強抑制力。本儀器中A/D轉換器增益設置為1，與MCU采用SPI接口，實現串行輸出，測量本底時采用雙極性輸入，除此之外的測量采用單極性輸入，這是由于在測量本底時，可能會出現正、負兩種情況，因此要采用雙極性輸入；當有信號輸入時，只可能是從本底往上增加，因此采用單極性輸入。每秒鐘采樣A/D轉換器電壓一次，采樣結果用LCD顯示。由于本系統(tǒng)程序量大，需設置外部存儲器，該NVRAM具有體積小、非易失性、掉電保持的功能。
4.電源部分由于主電路要求使用多種電壓，其中，電離室的工作電壓為+100V，驅動風扇的工作電壓12V，驅動芯片的工作電壓有±9V，+5V，因此，電源的設計至關重要，關系到系統(tǒng)能否正常工作，達到測量精度要求。電源包括充電器和直流電壓轉換兩部分，下面分別進行說明。
1)電壓轉換系統(tǒng)采用鋰電池供電，經過DC-DC轉換(型號為HDW8-12D9S5)及外圍電路，輸出得到+5V、±9V。同樣，采用一片HDW1-12S100 DC-DC轉換器，輸出+100V；采用一片HDW1-12S12，輸出+12V。電池電壓檢測電路以比較器LM311及外圍電路來實現的，用來檢測電池兩端的電壓狀況，若電池不足，向單片機發(fā)出信號，顯示弱電標志。結構框圖如圖6所示，具體電路如圖7所示。
2)充電器考慮到儀器的方便使用，采用充電器對鋰電池進行充電，確保儀器在任何時候都能正常工作，并且攜帶方便。鋰電池具有體積小、重量輕、電性能好等特點。該充電器采用單片機AT89C2051進行控制，使用了開關電源及A/D、D/A等技術，實現了鋰電池的智能充電。整個電路又分為開關電源部分和以單片機為主的控制電路部分。其硬件框圖如圖8所示，具體電路如圖9所示。
此開關電源屬于復合式開關電源，采用TL431的精密基準和PC817組成反饋電路。整個工作過程為交流輸入經濾波、整流后成為直流高壓，再由功率開關管斬波，高頻變壓器降壓，得到高頻矩形波電壓。最后，經過輸出整流濾波器，獲得所需要的直流輸出電壓。
控制電路部分主要由AT89C2051、ADC(TLC0832)、運放(LM358)及數字電位器(X9C102)、分壓電阻、電流采樣電阻組成。單片機對正在充電的電池進行實時電壓、電流取樣，經A/D轉換輸入單片機。單片機根據電池不同的充電狀態(tài)(正充電或者已充滿)采取不同的充電方式(恒流充電或者涓流充電)，通過數字電位器X9C102對開關電源的輸出電壓進行控制，通過改變電池組端電壓來達到控制充電過程的目的。接上蓄電池后，充電過程開始，當檢測電池電壓在正常范圍內，充電器啟動，充電電壓、電流逐漸增加到額定恒定充電電流值，進行恒流充電，“正充電”LED燈閃爍，同時開始計時。此后不斷檢測電池電壓，當電池電壓大于或等于規(guī)定的最大值或充電時間等于5小時時，單片機發(fā)出指令，減小數控輸出值大小，使充電電流減小，轉為涓流充電(0.1A)，“已充滿”LED指示燈亮。這樣就避免了電池溫升過快或嚴重極化，影響充電質量，降低蓄電池的使用壽命，甚至產生事故。
α表面污染測量儀的軟件控制此部分包括主電路軟件控制和充電器軟件控制。
主電路軟件控制主程序內容。
首先執(zhí)行初始化程序，內容包括將MCU的定時器/計數器設置為每50ms中斷一次，從而在測定過程中通過每中斷20次確定為1秒的采集時間。總的測量時間也以50ms為基本時間基準；初始化還包括設置鍵盤接口芯片8279的工作狀態(tài)、AD轉換器工作模式、液晶顯示器的工作模式以及從NVRAM中取出上次測量所存儲的“測量時間”、“校正系數”、“報警閾值”等參數。
以后主程序等待鍵輸入命令。
接下“測量”或“本底”命令后，程序啟動MCU的定時器，使測量計時開始。當1s采集時間到后，根據按下的是“測量”鍵還是“本底”鍵，分別進行“污染”或“本底”測量。若為“污染測量”，須將測量值與預設的報警閾值進行比較以決定是否進行聲音和顯示報警提示，然后顯示1s時測出的污染值(電壓值)。該污染值＝Vx＝k1Ix，Ix為正比于α污染情況的核探測器電離室的電離電流。k1為電壓Vx與Ix的轉換系數，由I-V轉換器與ADC基準電壓決定。K1通常為1mv/10-13A左右，視儀器的電離室技術參數及儀器元件的離散情況標定。若為“本底”鍵，則測出正或負的本底電壓值，此值取決I-V轉換器的0點漂移，通常在±10mv以內。
當“污染測量”或“本底測量”(本底測量即測量距離被測污染管道大于1m的自然環(huán)境中的α值)總測量時間到以后，分別計算出污染引起的電壓Vx的平均值、α污染值＝K2Vx。其中校正系數K2主要取決于電離室的特性，它由儀器使用者利用標準α源進行標定而確定之，K2＝0.001-9.999，儀器初始設定為1.000。若為“本底測量”則給出平均本底電壓值，此值在“污染測量”時，應按下式扣除污染值＝K2(Vx-本底污染電壓值)。
主程序流程如圖10所示。
充電器軟件控制在程序的初始階段首先應對單片機進行初始化，然后判斷電池是否連接正確，根據電池電壓判斷應該進入哪一個充電階段(恒流或者涓流充電方式)。恒流方式不斷檢測流過電池的電流是否達到恒定電流，如果小于恒定電流則抬高電池兩端的電壓使之達到1A(在電池兩端電壓小于電池的最大充電電壓的前提下)。涓流方式在電池兩端電壓達到最大值后進入涓流充電模式。程序流程如圖11所示。
權利要求
1.α表面污染測量儀，其特征在于柔性抽氣管(1)與風扇(2)連接，風扇(2)與電源(7)連接，抽氣管(1)的一端位于被測管道內壁，另一端與電離室(4)連接，電離室(4)的極板與電源(7)的輸出連接，電離室陽極板上的插座與I-V轉換器(5)的輸入連接，I-V轉換器(5)的輸出接A/D轉換器(6)的輸入，A/D轉換器(6)的輸出接單片機(3)，單片機(3)與鍵盤(8)、報警器(9)、存儲器(10)連接，電源(7)與A/D轉換器(6)連接。
2.根據權利要求1所述的測量儀，其特征在于電源(7)為與充電器(11)連接的鋰電池，鋰電池與三個DC-DC轉換器(12)、(13)、(14)連接，轉換器(12)輸出+5V、±9V工作電壓給單片機(3)和A/D轉換器(6)，轉換器(13)輸出100V工作電壓給電離室(4)，轉換器(14)輸出12V電壓給風扇(2)，電池電壓檢測電路有比較器的2腳通過分壓電阻接電源負極，放大器的3腳接電源正極并通過二極管接地，放大器的輸出接單片機(3)的中斷口。
3.根據權利要求2所述的測量儀，其特征在于DC-DC轉換器(12)為HDW8-12D9S5，轉換器(13)為HDW1-12S100，轉換器(14)為HDW1-12S12，單片機(3)為89C52，比較器為LM311。
4.根據權利要求1所述的測量儀，其特征在于充電器(11)由開關電源(15)和單片機(16)組成，開關電源(15)的輸入接市電，輸出接鋰電池，ADC轉換器(20)的輸入接電流采樣電阻(17)，電壓采樣電阻(18)和運算放大器(19)的輸出，電流、電壓采樣電阻接鋰電池正、負極，ADC轉換器(20)的輸出接單片機(16)，單片機(16)的輸出經數字電位器(21)接開關電源(15)的控制端。
5.根據權利要求1所述的測量儀，其特征在于單片機(16)為AT89C2051，ADC轉換器(20)為TLC0832，運算放大器(19)為LM358，數字電位器(21)為X9C102，開關電源(15)為9V1A5W05A復合式開關電源，采用TL431和PC817組成的反饋電路。
6.根據權利要求1所述的測量儀，其特征在于I-V轉換器(5)由AD515A芯片及外圍電路組成，外圍電路由2個濾波電感和4個濾波電容組成去耦電路，AD515A的4腳，5腳接輸出調零電位器W1，第2腳接電離室的陽極板，第6腳輸出電壓信號接16位A/D轉換器(6)，A/D轉換器(6)為AD7715。
7.根據權利要求1所述的測量儀，其特征在于風扇(2)為TA150DC。
8.根據權利要求1所述的測量儀α表面污染測量方法，由如下步驟構成1)設定單片機(3)的總的測量時間t1，單片機在t1時間中采集A/D轉換器(5)的輸出電壓信號的間隔時間1s，在存貯器(10)中預存α污染報警閾值，2)在t1時間內每間隔1s時間采集A/D轉換器(5)的輸出、并將其值送顯示器顯示，測量自然環(huán)境中的α粒子濃度值并將t1/1s次測量結果計算平均值作為本底值存貯并送顯示器顯示，3)將抽氣管(1)送入被測量管道的內或外表面，在t1時間內，每隔1s時間采集A/D轉換器(5)的輸出測量α粒子污染值，若此值大于預存的α污染報警閾值，則儀器報警，并將其值送顯示器顯示，將t1/1s次測量結果計算平均α粒子污染值，4)將α粒子污染平均值減去本底值再乘以K2，K2＝0.001-9.999，即為測量值，送入顯示器顯示。
9.根據權利要求1所述的測量儀的充電器的充電方法，其步驟如下1)在單片機(16)中預存涓流充電的電流值，鋰電池電壓最大值和最小值，充電時間值，2)單片機從鋰電池采集電壓值與預存的電壓最小值相比較，如果大于最小值，則不充電而繼續(xù)從鋰電池采集電壓值直到其值小于預存的電壓最小值，而啟動開關電源充電，3)單片機(16)從鋰電池采集電壓值與預存的電壓最大值比較，如果大于電壓最大值，則單片機指令進入涓流電流并從鋰電池采集電流值與預存的涓流充電的電流值比較，如果不符合，則指令開關電源改變輸出電壓，直到充電電流等于涓流充電電流值，4)單片機(16)從充電開始即進行計時，當充電時間等于預存的充電時間，則單片機(16)指令進入涓流充電，過程與步驟(3)相同。
全文摘要
本發(fā)明為α表面污染測量儀，柔性抽氣管(1)與風扇(2)連接，風扇(2)與電源(7)連接，抽氣管(1)的一端位于被測管道壁，另一端與電離室(4)連接，電離室(4)的極板與電源(7)的輸出連接，電離室陽極板上的插座與I－V轉換器(5)的輸入連接，I－V轉換器(5)的輸出接A/D轉換器(6)的輸入，A/D轉換器(6)的輸出接單片機(3)，單片機(3)與鍵盤(8)、報警器(9)、存儲器(10)連接，電源(7)與A/D轉換器(6)連接。
文檔編號G01N15/06GK1811376SQ20061002018
公開日2006年8月2日 申請日期2006年1月20日 優(yōu)先權日2006年1月20日
發(fā)明者庹先國, 曾旖, 楊雪梅, 高嵩, 成毅 申請人:成都理工大學