李太巖，馬寶君

牡丹江臺(tái)水氡觀測(cè)自動(dòng)排氣系統(tǒng)的研制

李太巖，馬寶君

（牡丹江地震臺(tái)，黑龍江 牡丹江 157009）

為了提高牡丹江地震臺(tái)FD-125水氡觀測(cè)的自動(dòng)化水平，減輕觀測(cè)人員工作負(fù)擔(dān)，使得排氣過(guò)程更加準(zhǔn)確可靠，在水氡觀測(cè)中采用智能化的工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)已勢(shì)在必行。介紹了牡丹江地震臺(tái)研制的水氡觀測(cè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于水氡觀測(cè)排氣過(guò)程之中,解決了閃爍室底數(shù)不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了降低本底過(guò)程的自動(dòng)化。

水氡觀測(cè)；排氣系統(tǒng)；自動(dòng)控制

0 引言

由于氡在大多數(shù)地區(qū)具有豐富的物質(zhì)來(lái)源，不同含水層不同地區(qū)又具有較大的差異性, 測(cè)試方法干擾小, 對(duì)地下應(yīng)力變化反映靈敏等特點(diǎn), 故測(cè)氡成為我國(guó)水化地震前兆觀測(cè)中的主要項(xiàng)目[1]。

牡丹江地震臺(tái)于1975年開(kāi)始水氡觀測(cè)，觀測(cè)儀器為FD-105K，2013年10月更換為FD-125射氣儀觀測(cè)。更換初期經(jīng)常因?yàn)殡北镜壮鲆?guī)范要求而無(wú)法正常觀測(cè)，針對(duì)牡丹江臺(tái)氡本底過(guò)高的問(wèn)題，筆者提出的空氣流動(dòng)法和真空泵排氣法[2]均采用人工控制，為進(jìn)一步提高工作效率，筆者設(shè)計(jì)了水氡觀測(cè)排氣自動(dòng)控制系統(tǒng)，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)了水氡排氣工作的自動(dòng)控制。

1 自動(dòng)排氣系統(tǒng)原理

牡丹江地震臺(tái)設(shè)計(jì)的自動(dòng)排氣系統(tǒng)是在原排氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入自動(dòng)控制單元而成，自動(dòng)控制單元是一個(gè)以單片微處理器為核心配合電子電路等組成的電源開(kāi)關(guān)控制裝置，該裝置能以天或星期循環(huán)且多時(shí)段的控制真空泵的開(kāi)閉。時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)定從1秒鐘至上百小時(shí)不等，且可進(jìn)行多組設(shè)置，一次設(shè)定長(zhǎng)期有效。自動(dòng)控制單元的原理如圖1所示，自動(dòng)控制單元可根據(jù)程序來(lái)控制真空泵的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了水氡觀測(cè)排氣系統(tǒng)的自動(dòng)化。

自動(dòng)排氣系統(tǒng)的連接如圖2所示，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，真空泵將觀測(cè)室內(nèi)氣體由進(jìn)氣管抽入閃爍室，氣體在閃爍室內(nèi)部循環(huán)一周后，最后經(jīng)由排氣管排出室外。通過(guò)此排氣過(guò)程，閃爍室內(nèi)部氡氣濃度會(huì)逐漸降低。排氣時(shí)間越長(zhǎng)，閃爍室內(nèi)部氡氣濃度越低，最終與觀測(cè)室氡氣濃度相等。

圖1 自動(dòng)控制單元原理圖Fig.1 The principle diagram of the automatic control unit

圖2 自動(dòng)排氣系統(tǒng)示意圖Fig.2 The schematic diagram of automatic exhaust system

2 確定控制參數(shù)

自動(dòng)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮以下參數(shù)（以牡丹江臺(tái)為例）：

2.1 排氣時(shí)長(zhǎng)

《水氡觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范）中規(guī)定：FD-125在常壓下測(cè)本底，一次計(jì)數(shù)10分鐘，本底應(yīng)小于15脈沖/min。當(dāng)日排氣時(shí)間的長(zhǎng)短決定次日本底的大小。當(dāng)日排氣時(shí)間越長(zhǎng)，次日本底越低，反之亦然。當(dāng)排氣時(shí)間足夠長(zhǎng)，次日本底一次性通過(guò)率（小于15脈沖/ min）才能達(dá)到100%。

我們力求確定最小的排氣時(shí)間，原因有以下兩點(diǎn)：

（1）節(jié)約電能，延長(zhǎng)真空泵的使用壽命；

（2）一個(gè)閃爍室在使用過(guò)程中，由于需要每天對(duì)它進(jìn)行抽真空、排氣等，導(dǎo)致內(nèi)壁的硫化鋅（銀）涂層容易脫落，吸附灰塵等，使其粒子激發(fā)產(chǎn)生光子的能力減弱、靈敏度下降，這就是常說(shuō)的閃爍室老化現(xiàn)象[3]。所以最短時(shí)間的排氣可延緩閃爍室的老化。

牡丹江地震臺(tái)水氡排氣系統(tǒng)改造前的每日總排氣時(shí)間為1h，我們以此為自動(dòng)控制系統(tǒng)的排氣時(shí)長(zhǎng)參數(shù)。

2.2 排氣開(kāi)始時(shí)間

水氡觀測(cè)包括主樣觀測(cè)和副樣觀測(cè)，流程分為取樣、鼓泡、靜置、讀數(shù)、排氣、靜置至次日，讀數(shù)完畢，應(yīng)立即排氣，牡丹江地震臺(tái)每日水氡固定觀測(cè)開(kāi)始時(shí)間為8:30AM±15min，10:05AM±15min讀數(shù)完畢后即可開(kāi)始排氣，所以設(shè)置每日自動(dòng)排氣開(kāi)始時(shí)間為10:20AM較為合理。

水氡觀測(cè)讀數(shù)完畢后，需將夾緊的排氣管和進(jìn)氣管松開(kāi)，等待自動(dòng)排氣。在此期間，閃爍室內(nèi)氡氣會(huì)擴(kuò)散到觀測(cè)室中，使觀測(cè)室氡氣濃度增加，自動(dòng)排氣時(shí)，觀測(cè)室中濃度較高的氣體會(huì)重新進(jìn)入閃爍室，不利于次日氡本底達(dá)到規(guī)范，所以在水氡觀測(cè)讀數(shù)完畢后，應(yīng)立即進(jìn)行最少1min的排氣，使閃爍室氡氣濃度快速降低。

2.3 排氣間隔的確定

長(zhǎng)時(shí)間的排氣易導(dǎo)致真空泵的損壞，為延長(zhǎng)真空泵的使用壽命，我們將排氣分為兩個(gè)階段進(jìn)行，流程為10:20AM排氣系統(tǒng)啟動(dòng)，10:50AM排氣系統(tǒng)關(guān)閉，11:50AM排氣系統(tǒng)啟動(dòng)，12:20PM排氣系統(tǒng)關(guān)閉。

3 效果檢驗(yàn)

根據(jù)第二章節(jié)所述的參數(shù)設(shè)置及操作方式，我們用M3備用閃爍室進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，每日水氡讀數(shù)完畢，對(duì)M3閃爍室人工排氣1分鐘后，進(jìn)行讀數(shù)，同時(shí)將閃爍室連接至自動(dòng)控制單元，10:20AM排氣系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，次日對(duì)本底進(jìn)行讀數(shù)。連續(xù)觀測(cè)15天，數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出，應(yīng)用水氡觀測(cè)排氣自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)閃爍室進(jìn)行排氣，次日氡本底均小于15脈沖/min，達(dá)到規(guī)范要求。

表1 M3閃爍室讀數(shù)值

4 改造前后對(duì)比

牡丹江地震臺(tái)水氡觀測(cè)排氣系統(tǒng)改造前流程為：當(dāng)日水氡讀數(shù)完畢后，啟動(dòng)真空泵，排氣30min后人工關(guān)閉，待真空泵散熱1h以后，再人工啟動(dòng)真空泵，排氣30min后人工關(guān)閉。

排氣系統(tǒng)改造后流程為：當(dāng)日水氡讀數(shù)完畢后，啟動(dòng)真空泵，排氣1min后人工關(guān)閉真空泵即可。

將排氣系統(tǒng)改造前后進(jìn)行對(duì)比，水氡排氣工作量統(tǒng)計(jì)如表2所示：

表2 排氣系統(tǒng)改造前后對(duì)比

5 討論

水氡自動(dòng)排氣系統(tǒng)在保證次日氡本底達(dá)到規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化了人工操作流程，減輕了人工操作負(fù)擔(dān)，排氣過(guò)程也更加準(zhǔn)確可靠，實(shí)現(xiàn)了排氣過(guò)程的自動(dòng)化，該系統(tǒng)自2016年7月引入牡丹江地震臺(tái)水氡觀測(cè)以來(lái)，收到了良好的效果。

[1] 張煒.水文地球化學(xué)預(yù)報(bào)地震的理論基礎(chǔ)、方法與實(shí)例[J].地震，1990，（5）：47-53.

[2] 李太巖, 馬寶君, 等. 牡丹江地震臺(tái)水氡觀測(cè)系統(tǒng)改造[J].防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào)，2016，31（4）：75-78.

[3] 張清秀，鄭小菁，等.測(cè)氡儀器K值使用中存在的問(wèn)題討論[J].華南地震，2011，31（1）：110-115.

The Development of Mudanjiang Seismic Station Automatic Exhaust System of Water Radon Observation

LI Tai-yan，MA Bao-jun
（Mudanjiang Seismic Station, Heilongjiang Mudanjiang 157009, China）

In order to promote the automation level of Mudanjiang Seismic Station FD-125 water radon observation, reduce the workload of observers and improve the accuracy and reliability of the exhaust process. It is necessary for the seismic stations to apply the intelligent industrial automation technology to water radon observation program. This article introduces the auto-control system of the water radon observation developed by Mudanjiang Seismic Station, which applies the computer auto-control technology to the exhaust process of water radon observation. It solves the problem that the scintillation chamber background can’ t meet the requirements, and realizes the auto-control of the background reducing process.

water radon observation; exhaust system; auto-control

P315.62

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.01.007

1674-8565（2017）01-0040-04

黑龍江省地震局局內(nèi)科研項(xiàng)目“牡丹江地震臺(tái)水氡觀測(cè)系統(tǒng)改造”（201602） 資助

2016-11-21

2017-01-30

李太巖（1983-），男，黑龍江省哈爾濱市人，2005 年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)，本科，助理工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測(cè)方面的工作。E-mail：270746025@qq.com