一种高精度无线辐射剂量监测装置及监测方法与流程

本发明涉及一种高精度无线辐射剂量监测装置及监测方法。

背景技术：

众所周知，随着我国经济的快速发展，工业企业中的放射源的数量也越来越多。放射源的品种很多，应用广泛，不仅在核设施，而且在科研院校、医疗机构、地质和煤田勘探与开采、石油开采与炼油、公路与桥梁建设、机械制造与安装等各行各业都得到应用。与放射源的广泛应用形成鲜明对比的是：长期以来，放射源的监控工作一直处于传统的人工监控阶段，放射源丢失事件时有发生，联合国原子辐射科学效应委员会(UNSCEAR，2007)统计，自1960至2000年期间，全球共发生失控(孤儿)放射源人身事故27起，造成40人死亡，163人发生不同程度的辐射效应。我国1988-1998年的11年间共发生332起辐射事故，其中放射源丢失事故占80％[1,2]。可见，加快和强化放射源的管理和监控是放射源安全管理的当务之急。

2013年发生日本的福岛核事故，使人们对核的恐惧日益加深，核安全问题已经不容忽视。加快放射源监测网络的建设已经刻不容缓[3]。放射源监测网络主要实现对放射源及其周围进行实时在线监控，放射源装置正常工作情况下，监测其对环境的影响程度；在突发涉核事故的情况下，监管系统首先根据现场剂量大小判断放射源的有无，同时放出警报，通知监控中心，在放射源泄露的情况下，还可实时准确的提供事故现场的剂量信息，为事故的应急处理以及现场指挥提供准确依据。

放射源监测网络的试点和组建已经在各部门的努力下逐步进行，但由于该网的组建涉及面很大，据统计(2004年)，我国现有放射源14万枚，其中11万枚放射源在涉源单位中使用，3万枚放射源已被收贮，放射源使用数目年均以20％的速度在增加[4,5]。面对如此巨大数额的放射源，如何快速地、有效地加快放射源监测网络的施工速度，是目前所面临的难题。

此外，由于放射源使用的特殊性(放射源多工作在较厚混净土建筑的迷宫内或地下室等场合；放射源辐射统计特性的存在)，准确快速实现放射源周围剂量数据的传输十分困难。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高精度无线辐射剂量监测装置及监测方法，它是一种以物联网技术为基础，利用先进的无线射频技术，结合多种算法的融合技术，通过实验分析，研制可适应复杂场合的无线放射源剂量探测终端。

为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

一种高精度无线辐射剂量监测装置，包括有多个辐射剂量探头和数据采集器，所述辐射剂量探头与数据采集器之间通过无线网络信号连接，在所述辐射剂量探头上连接有低能耗供电机构，所述低能耗供电机构包括有射线探测部件和用于提供工作电压的电荷泵；

所述数据采集器通过GPRS与环境监测部门的服务器相连。

还包括有大容量电池，通过导线与所述辐射剂量探头相连；

所述射线探测部件包括了计数管和闪烁探测器，所述计数管为GM计数管，包括了外壳、充电池和电路板，所述充电池和电路板设置在所述外壳内部，在所述电路板上集成有数据处理模块、供电模块和通信模块，在所述外壳上设置了通信电线，所述通信模块与所述通信电线耦接，所述通信电线能接收和发送WiFi信号。

作为本发明的改进，所述无线网络信号为sub-GHz射频信号。

作为本发明的进一步改进，所述射线探测部件包括了计数管和闪烁探测器。

一种高精度无线辐射剂量监测方法，包括有如下步骤：

1)、将辐射剂量探头分离地放置在各个监测点；

2)、由辐射剂量探头对辐射信号进行监测，并将监测数据以无线信号的方式发送至数据采集器中；

3)、数据采集器对数据进行计算分析，然后将结果发送至环境监测部门的服务器中进行监控。

作为本发明的具体技术方案，在步骤2中，对辐射信号的测量采用的是智能时间调节算法。

作为本发明的进一步改进，在步骤2中，对辐射信号的测量采用的是智能PID调节算法。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过无线信号收发的方式实现了放射源剂量监测与探测终端之间的分离，相互独立，便于维护及扩展应用；通过对智能时间调节算法和PID调节算法等的融合应用，提高了测量的响应速度，降低了统计涨落的影响。

附图说明

图1是本发明实施例中高精度无线辐射剂量监测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中GM计数管的内部结构示意图。

具体实施方式

参照图1和图2对本发明中智能紧急声控刹车装置的实施例做进一步说明。

如图1和图2所示，本实施例为一种高精度无线辐射剂量监测装置，包括有多个辐射剂量探头1，多个辐射剂量探头可以集中在某一监测点，也可以分散到各个监测点。

所述辐射剂量探头由混凝土墙2与外部隔绝，一方面可以防止辐射泄漏，另外一方面可以防止外部的因素对探头产生干扰，影响监测结果。在混凝土墙上设置有供人工进出的铅门3，工作人员在进入混凝土墙内时需穿着防护服，在走出混凝土墙时需先进行去辐射消毒。

在混凝土墙的外部设置有数据采集器4，所述辐射剂量探头与数据采集器之间通过无线网络信号连接，这里，无线网络信号可以选择Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee和超低功耗sub-GHz技术的解决方案。每种解决方案都有优缺点。众所周知，无线传播与频率成反比，在低功耗、长距离通信或穿墙能力上，sub-GHz射频更有优势。在复杂的环境下，与2.4GHz频段的Bluetooth等技术相比，sub-GHz频段频谱干扰更少。干扰较少的频段能提高网络的整体性能，减少传输中的重传次数。综合考虑本项目的应用场合和实际情况，本实施例采用超低功耗sub-GHz技术的解决方案；

在所述辐射剂量探头上连接有低能耗供电机构，所述低能耗供电机构包括有射线探测部件5和用于提供工作电压的电荷泵6；

所述数据采集器通过GPRS与环境监测部门的服务器相连。

所述射线探测部件包括了计数管7和闪烁探测器，所述计数管为GM计数管，包括了外壳71、充电池72和电路板73，所述充电池和电路板设置在所述外壳内部，在所述电路板上集成有数据处理模块731、供电模块732和通信模块733，在所述外壳上设置了通信电线74，所述通信模块与所述通信电线耦接，所述通信电线能接收和发送WiFi信号

考虑到系统多应用于无法布线环境下的数据采集，因而此时采集节点(即传感端)的电源由电池来提供，由于现场设备运行的长期性及更换电池的诸多不便，采集节点必须具有低功耗，以确保系统在电池供电条件下能维持一个维护期的正常工作。因此在设计上，在满足系统正常数据传输的条件下，尽量降低功耗，避免不必要的能量损失。还可通过选用大容量电池(图中未示出)，通过导线与所述辐射剂量探头相连。另外，在传感器设计上，计数管、闪烁探测器等射线探测部件需要几百伏的工作电压，且工作电流在微安级，因此可考虑采用电荷泵倍压方式提供工作电压，降低系统功耗。

所述无线网络信号为sub-GHz射频信号。

所述射线探测部件包括了计数管和闪烁探测器等市面上常见的部件。

一种高精度无线辐射剂量监测方法，包括有如下步骤：

1)、将辐射剂量探头分离地放置在各个监测点钟，用混凝土墙遮挡；

2)、由辐射剂量探头对辐射信号进行监测，并将监测数据以无线信号的方式发送至数据采集器中；

3)、数据采集器对数据进行计算分析，然后将结果发送至环境监测部门的服务器中进行监控。

在步骤2中，对辐射信号的测量采用的是智能时间调节算法。

智能时间调节算法的细节在于：由于统计涨落的存在，要想得到最准确的测量，只能通过无限多次的重复测量才能获得。在实际的工作中，要进行无限多次的测量是不可能的，也是不必要的。一般只能用有限次测量的平均值来代替。通常情况下，我们只需测量单位时间内的平均计数，即计数率(单位是计数/分(cpm)或者计数/秒(cps))。

假设在t时间内记录了N个计数，则平均计数率n＝N/t。假设时间t的测量是精确的，其测量误差忽略不计，则平均计数率n的标准误差σn由下式表示：

计数率结果可记为

由式(1)可见，测量时间愈长，计数率误差越小。

对于相对误差，则为：

此式表明，总计数越高，相对误差越小，延长测量时间可以使相对误差变小。

由此分析可知，计数率的误差和相对误差均与测量时间有很大关系。通过延长测量时间可适当减小误差。

为实现智能化调节，在应用中需要找出计数率与测量时间之间的隶属关系。从式(2)中，我们可以看出，在某一量程内，当测量精确度给定时(为方便计算，即可以认为相对误差一定时)我们可以根据测得的计数率来求得测量时间，即

从式(3)中可知，当精确度给定时，在计数率高的情况下可适当缩短测量时间，在计数率低的情况下可适当延长测量时间。

在步骤2中，对辐射信号的测量采用的也可以是智能PID调节算法。

所述的智能PID调节算法：通过上述的分析，我们知道，统计误差的存在是必然的，无法完全消除。延长测量时间实际上是利用测量的灵敏度来换取一定的测量精度。为了不牺牲太多的灵敏度又保证一定的测量精度，因此，我们提出智能PID调节算法。

假定本次测量所得计数率为x(i)，上次计算所得计数率为y(i-1)，则有：

E(i)＝x(i)-y(i-1) (4)

D(i)＝E(i)-E(i-1) (5)

其中，E(i)为测量值与实际值之差，D(i)为两次差值的变化。

由此我们可以计算本次的计数率为：

y(i)＝y(i-1)+K_pE(i)+K_iD(i) (6)

其中，Kp为比例因子，Ki为积分因子。

在实际应用中，我们采取两种算法结合的方式。这样既可保证测量的精确度，又不失灵敏度。

以上所述使本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本发明的保护范围。