一种多量程氚浓度在线测量信号处理系统
阅读说明：本技术 一种多量程氚浓度在线测量信号处理系统 (Multi-range tritium concentration on-line measurement signal processing system ) 是由 徐灵杰 张帅 刘晓松 孙胜 冯明全 魏甫 岳潇 傅源杰 曹娜 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多量程氚浓度在线测量信号处理系统,涉及氚浓度测量技术领域,其技术方案要点是：包括传感器模块、低浓度氚测量模块、中低浓度氚测量模块以及高浓度氚测量模块、ARM信号处理模块、PC显示存储模块、恒温模块以及系统供电的电源模块；低浓度氚测量模块、中低浓度氚测量模块和高浓度氚测量模块均与ARM信号处理模块的输入端连接,PC显示存储模块和恒温模块均与ARM信号处理模块的输出端连接。本发明对多量程氚浓度的在线测量、显示、存储及数据分析,并对不同氚浓度气体的测量进行自动控制和预警响应,有效避免了人为操作的风险和失误率,提高了氚测量过程监测和控制的自动化执行效率,且提升了整个系统运行的安全性。(The invention discloses a multi-range tritium concentration online measurement signal processing system, which relates to the technical field of tritium concentration measurement, and adopts the technical scheme that: the device comprises a sensor module, a low-concentration tritium measuring module, a medium-low concentration tritium measuring module, a high-concentration tritium measuring module, an ARM signal processing module, a PC display and storage module, a constant temperature module and a power supply module for supplying power to the system; the low-concentration tritium measuring module, the medium-low concentration tritium measuring module and the high-concentration tritium measuring module are all connected with the input end of the ARM signal processing module, and the PC display storage module and the constant temperature module are all connected with the output end of the ARM signal processing module. The invention can perform on-line measurement, display, storage and data analysis of multi-range tritium concentration, and perform automatic control and early warning response on the measurement of gases with different tritium concentrations, thereby effectively avoiding the risk and error rate of manual operation, improving the automatic execution efficiency of monitoring and control in the tritium measurement process, and improving the operation safety of the whole system.)
技术领域
本发明涉及氚浓度测量技术领域，更具体地说，它涉及一种多量程氚浓度在线测量信号处理系统。
背景技术
氚具有放射性，在自然界中的含量极少，主要是从核反应中产生。在以He-3为介质的辐照回路瞬态试验中会产生大量的氚。在涉氚工艺操作等工况下，需要对氚浓度进行实时测量，一方面能够监测到氚所在工艺环境、管道系统中的浓度，判断是否有氚泄漏，另一方面还能为含氚气体后处理提供监测数据。目前氚测量方法主要采用离线法，通过吸附取样进行质朴分析来测量。这种方法检测实时性不强、精度不高，适用范围较窄。另一种方法是采用电离室，通过测量β衰变产生的电流值来推算氚浓度。这种方法主要用于高浓度氚的监测，受氚在内壁吸附产生的记忆效应影响，低浓度氚的测量准确度无法保证。在实际应用过程中，氚浓度测量系统通常只是对氚处理过程的监控，测量人员根据氚浓度值的范围手动切换合适的氚浓度测量模块进行调整。但是，这种半自动化的控制过程不仅存在人为操作失误的风险，稍有不慎若造成氚泄露，后果将不堪设想。而且一般涉及到氚测量的场地距离反应堆厂房工作区都较近，辐射强度较高，对现场操作工作人员的身体健康存在潜在的危害，在这种恶劣环境下，工作人员的执行效率也势必会有所降低，不利于氚气体浓度的实时测量。另外，目前氚测量系统多是单量程或双量程，关于多量程的氚浓度实时测量系统研究涉及较少。
因此，如何研究设计一种多量程氚浓度在线测量信号处理系统是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种多量程氚浓度在线测量信号处理系统，用于含氚气体浓度的实时测量以及智能化监测，实现了多量程氚浓度测量模块信号的显示、传输、存储以及数据分析，并对故障、过载等异常情况进行预警响应，能够提高氚测量过程监测和控制的自动化执行效率，并且能够提升整个系统运行的安全性以及改善现场操作人员的工作环境。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种多量程氚浓度在线测量信号处理系统，包括传感器模块、低浓度氚测量模块、中低浓度氚测量模块以及高浓度氚测量模块、ARM信号处理模块、PC显示存储模块、恒温模块以及系统供电的电源模块；
低浓度氚测量模块、中低浓度氚测量模块和高浓度氚测量模块均与ARM信号处理模块的输入端连接，PC显示存储模块和恒温模块均与ARM信号处理模块的输出端连接；
当样品氚气体浓度低于氚浓度下限阈值时，传感器模块测量低浓度氚测量模块中的吹扫气体P10，得到低浓度测量信息；
当样品氚气体浓度大于或等于氚浓度下限阈值，且小于氚浓度上限阈值时，传感器模块测量中低浓度氚测量模块中的吹扫空气，得到中低浓度测量信息；
当样品氚气体浓度大于或等于氚浓度上限阈值时，传感器模块测量高浓度氚测量模块中的样品气体，得到高浓度测量信息；
ARM信号处理模块依据氚浓度上下限阈值对低浓度测量信息、中低浓度测量信息或高浓度测量信息进行分析判断，并生成控制低浓度氚测量模块、中低浓度氚测量模块和高浓度氚测量模块自动切换的控制信号。
进一步的，所述氚浓度下限阈值为1MBq/m3，氚浓度上限阈值为1GBq/m3。
进一步的，所述低浓度氚测量模块由一对平衡正比计数器和一个单量程双电离室组成；单量程双电离室包括γ补偿电离室和测量电离室；
氧化后的样品氚气体先经过单量程双电离测量总氚浓度；
低浓度氚测量模块中的吹扫气体P10对应的三通阀侧打开，与氧化后的样品氚气体共同流入自动再生干燥管中；
氚的氧化物通过自动再生干燥管中的渗透薄膜壁后，随着吹扫气体P10一并流入到测量用的平衡正比计数器中测量单质形式存在的氚浓度；
γ补偿电离室对测量电离室中样品氚气体的流量进行补偿处理，另一个平衡正比计数器对本底γ进行补偿。
进一步的，所述中低浓度氚测量模块由一对平衡正比计数器和一个单量程双电离室组成；单量程双电离室包括γ补偿电离室和测量电离室；
氧化后的样品氚气体先经过单量程双电离室测量总氚浓度；
中低浓度氚测量模块中的吹扫空气对应的三通阀侧打开，与氧化后的样品氚气体共同流入自动再生干燥管中；
氚的氧化物通过自动再生干燥管中的渗透薄膜壁后，随着吹扫空气一并流入到测量用的平衡正比计数器中测量单质形式存在的真实氚浓度；
γ补偿电离室对测量电离室中样品氚气体的流量进行补偿处理，另一个平衡正比计数器对本底γ进行补偿。
进一步的，所述高浓度氚测量模块由一个单量程单电离室组成，样品氚气体经过两道过滤后直接流入到高浓度氚测量模块的单量程单电离室中进行总氚浓度测量。
进一步的，所述传感器模块包括压力传感器、相对湿度传感器、转子流量计、质量流量计和温度传感器；
压力传感器，用于测量低浓度氚测量模块中吹扫气体P10的气体压力，或测量中低浓度氚测量模块中吹扫空气的空气压力；
相对湿度传感器，用于测量自动再生干燥管干燥前后的相对湿度；
转子流量计，用于测量低浓度氚测量模块中吹扫气体P10的气体流量，或测量中低浓度氚测量模块中吹扫空气的空气流量；
质量流量计，用于测量氚样品气体在补偿电离室出口的流量，当流量过低时与样品气体泵和氧化剂加热控制装置进行连锁，通过触发SSR固态继电器控制氧化剂空气加热装置来调节出口气体流量；
温度传感器，用于以热电偶对氧化剂设备的温度进行监控。
进一步的，所述电源模块输出三相240VAC和12VDC；
240VAC通过两个接线端子排分别给氧化剂加热控制装置、PSU模块、低浓度氚测量模块、中低浓度氚测量模块、高浓度氚测量模块、样品气体泵、控制三通阀启闭的断路器、SSR固态继电器、恒温模块以及电源模块的指示灯供电；
PSU电源模块将240VAC转换为12VDC给PC显示存储模块供电。
进一步的，所述ARM信号处理模块配置有模拟量I/O模块、数字量I/O模块和通讯接口。
进一步的，所述PC显示存储模块用于存储和显示所有测量数据、监控设备状态和报警情况信息，并配有LCD显示屏以直观监测数据信息，且通过MODBUS通信协议和TCP/IP网络通信协议进行远传数据。
进一步的，所述恒温模块包括自动调温器和通风设备，自动调温器通过控制通风设备使得氚测量机柜的温度始终处于30±2℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的一种多量程氚浓度在线测量信号处理系统，实现了对多量程氚浓度的在线测量、显示、存储及数据分析，分别采用ARM和PC模块对信号进行采集处理和显示存储；在不同的氚浓度测量模块中通过控制三通阀的开闭实现自动切换功能，能有效降低低浓度测量时补偿气体的使用，具有良好的经济效益；此外，不仅提高了氚测量过程监测和控制的自动化执行效率，而且提升了整个系统运行的安全性；
2、本发明在氚浓度达到量程的上下限值时进行预警响应，并在仪器故障、过载时产生报警指示；样品气体流量过低时，通过SSR固态继电器触发氧化剂加热控制装置；
3、本发明设置恒温模块，利用恒温器调节通风设备的功率使得氚测量机柜的温度始终处于室温，保障了仪器良好的工作环境。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的工作原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例：一种多量程氚浓度在线测量信号处理系统，如图1所示，包括传感器模块、低浓度氚测量模块、中低浓度氚测量模块以及高浓度氚测量模块、ARM信号处理模块、PC显示存储模块、恒温模块以及系统供电的电源模块。低浓度氚测量模块、中低浓度氚测量模块和高浓度氚测量模块均与ARM信号处理模块的输入端连接，PC显示存储模块和恒温模块均与ARM信号处理模块的输出端连接。其中，ARM信号处理模块采用ARM处理器。
当样品氚气体浓度低于氚浓度下限阈值时，传感器模块测量低浓度氚测量模块中的吹扫气体P10，得到低浓度测量信息。当样品氚气体浓度大于或等于氚浓度下限阈值，且小于氚浓度上限阈值时，传感器模块测量中低浓度氚测量模块中的吹扫空气，得到中低浓度测量信息。当样品氚气体浓度大于或等于氚浓度上限阈值时，传感器模块测量高浓度氚测量模块中的样品气体，得到高浓度测量信息；ARM信号处理模块依据氚浓度上下限阈值对低浓度测量信息、中低浓度测量信息或高浓度测量信息进行分析判断，并生成控制低浓度氚测量模块、中低浓度氚测量模块和高浓度氚测量模块自动切换的控制信号。
在本实施例中，氚浓度下限阈值为1MBq/m3，氚浓度上限阈值为1GBq/m3。
低浓度氚测量模块由一对平衡正比计数器和一个单量程双电离室组成；单量程双电离室包括γ补偿电离室和测量电离室；氧化后的样品氚气体先经过单量程双电离测量总氚浓度；低浓度氚测量模块中的吹扫气体P10对应的三通阀侧打开，与氧化后的样品氚气体共同流入自动再生干燥管中；氚的氧化物通过自动再生干燥管中的渗透薄膜壁后，随着吹扫气体P10一并流入到测量用的平衡正比计数器中测量单质形式存在的氚浓度；γ补偿电离室对测量电离室中样品氚气体的流量进行补偿处理，另一个平衡正比计数器对本底γ进行补偿。
需要说明的是，每个平衡正比计数器都包含三个端子：高、低电压端和信号端，电离室监测模块包含3个信号输入输出端接口：静电计输入端(接收来自电离室的输出信号)、0～5V模拟量信号输出端和数字量输出端，还有一个电源接口由240VAC供电，平衡正正比计数器的本底脉冲输出信号和测量脉冲输出信号以及电离室监测模块的输出信号由ARM处理器负责采集传输。
中低浓度氚测量模块测量过程与低浓度时类似，只不过自动再生干燥管中吹扫气体P10替换成了空气。此时中低浓度氚测量模块中吹扫空气对应的三通阀侧打开，而低浓度氚测量模块中P10气体对应的三通阀侧关闭。
中低浓度氚测量模块由一对平衡正比计数器和一个单量程双电离室组成；单量程双电离室包括γ补偿电离室和测量电离室；氧化后的样品氚气体先经过单量程双电离室测量总氚浓度；中低浓度氚测量模块中的吹扫空气对应的三通阀侧打开，与氧化后的样品氚气体共同流入自动再生干燥管中；氚的氧化物通过自动再生干燥管中的渗透薄膜壁后，随着吹扫空气一并流入到测量用的平衡正比计数器中测量单质形式存在的真实氚浓度；γ补偿电离室对测量电离室中样品氚气体的流量进行补偿处理，另一个平衡正比计数器对本底γ进行补偿。
若样品氚气体浓度高于1GBq/m3，此时低浓度氚测量模块和中低浓度氚测量模块中吹扫气体对应的三通阀侧均关闭。高浓度氚测量模块由一个单量程单电离室组成，样品氚气体经过两道过滤后直接流入到高浓度氚测量模块的单量程单电离室中进行总氚浓度测量，输出信号由ARM的I/O模块采集。
传感器模块的数据输出端与ARM处理器的I/O采集模块相连，标准输出信号为4～20mA模拟量信号。传感器模块包括压力传感器、相对湿度传感器、转子流量计、质量流量计和温度传感器。压力传感器，用于测量低浓度氚测量模块中吹扫气体P10的气体压力，或测量中低浓度氚测量模块中吹扫空气的空气压力。相对湿度传感器，用于测量自动再生干燥管干燥前后的相对湿度。转子流量计，用于测量低浓度氚测量模块中吹扫气体P10的气体流量，或测量中低浓度氚测量模块中吹扫空气的空气流量。质量流量计，用于测量氚样品气体在补偿电离室出口的流量，当流量过低时与样品气体泵和氧化剂加热控制装置进行连锁，通过触发SSR固态继电器控制氧化剂空气加热装置来调节出口气体流量。温度传感器，用于以热电偶对氧化剂设备的温度进行监控。
电源模块输出三相240VAC和12VDC；240VAC通过两个接线端子排分别给氧化剂加热控制装置、PSU模块、低浓度氚测量模块、中低浓度氚测量模块、高浓度氚测量模块、样品气体泵、控制三通阀启闭的断路器、SSR固态继电器、恒温模块以及电源模块的指示灯供电；PSU电源模块将240VAC转换为12VDC给PC显示存储模块供电。
ARM信号处理模块配置有模拟量I/O模块、数字量I/O模块和通讯接口。ARM信号处理模块主要负责压力、流量、温度、相对湿度传感器以及氚测量模块输出信号的获取，并通过一路标准的RS232串行通信接口和Ethernet通讯接口传输信号给PC显示存储模块。另外，ARM信号处理模块还要进行氚浓度上下限值的判断，控制三通电磁阀使得系统在各个量程之间自动切换。当仪器过载或有故障时，ARM信号处理模块输出报警信号并驱使继电器动作。
PC显示存储模块用于存储和显示所有测量数据、监控设备状态和报警情况信息，并配有LCD显示屏以直观监测数据信息，且通过MODBUS通信协议和TCP/IP网络通信协议进行远传数据。
恒温模块包括自动调温器和通风设备，通过接线端子排240VAC供电，自动调温器通过控制通风设备使得氚测量机柜的温度始终处于30±2℃。
工作原理：本发明提供的一种多量程氚浓度在线测量信号处理系统，实现了对多量程氚浓度的在线测量、显示、存储及数据分析，并对不同氚浓度气体的测量进行自动控制和预警响应，有效避免了人为操作的风险和失误率。操作人员可通过远程PC端直接监测数据信息并进行数据分析，不仅提高了氚测量过程监测和控制的自动化执行效率，而且提升了整个系统运行的安全性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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