核燃料公路运输模拟中的加速度分析

2017-03-13路庆丰刘洪艳

物流技术 2017年2期

关键词：核燃料拖车记录仪

路庆丰，刘洪艳，宫智

（1.中核建中核燃料元件有限公司核燃料运输部，四川宜宾 644000；2.中国包装科研测试中心物流监控部，天津 300457）

核燃料公路运输模拟中的加速度分析

路庆丰1，刘洪艳2，宫智2

（1.中核建中核燃料元件有限公司核燃料运输部，四川宜宾 644000；2.中国包装科研测试中心物流监控部，天津 300457）

目前国内尚无针对核燃料组件运输中加速度超限后有效且通用的处置规则及相应的导向原则。基于此，提出了一种利用低功耗处理器和MEMS加速度传感器设计的加速度采集设备，并将其应用于核燃料组件的公路运输典型行驶工况模拟中，采集了大量且有效的实验数据并对其进行了分析，以探索在不同工况下，车辆本身所受加速度、运输容器所受加速度及燃料组件加速度之间的相关性。

核燃料；公路运输模拟；振动；加速度传感器；数据采集

1 引言

核燃料运输最首要的是保证核燃料的安全，其中最重要的就是要避免核燃料组件在运输过程受到冲击和振动等外部影响的损害。在实际的运输过程中，会将核燃料放置在特制的容器内，并采取一系列的减振措施，将其固定在特定的支架上。支架一端与容器外壳的一个底面通过铰链连接，此一端即为容器的底端，在顶端处，支架与容器外壳无连接，支架两侧通过多个减振簧与容器外壳连接，减振簧被拉紧，在固定支架的同时起到减振的作用。其在支架上的固定示意图如图1所示。

在实际的运输过程中，往往通过专用铁路线和公路运输相结合的方式进行。在核燃料组件容器上固定有机械式的加速度传感器。当容器所遭受加速度超过特定值时，其可以指示加速度值已超限，需要对核燃料组件的安全性进行检查。但无法获知核燃料组件所受的加速度值的具体值和发生的具体时间。在公路运输时，路况较为复杂，因此需要经常对加速度进行查看，以保证其安全性。随着传感器技术的发展，有必要对此种状况进行改进。通过新的技术来设计一种新型的加速度记录仪，进一步研究公路运输条件下核燃料组件、运输容器及运输车辆这三者所受的加速度之间的相关性，并以此为实际的公路运输提供参考和改进意见。

图1 核燃料组件容器与支架的固定示意图

2 加速度记录仪的硬件电路设计

为了测量加速度，我们查阅了大量的运输标准文件。在2015年发布的ISTA Data Collection Requirements Shock/Impact&Drop中要求其加速度的范围为10g或200g左右，采样率为2 000点/s/通道，频率响应范围为0.5Hz到500Hz。我们对运输过程进行了多次测试，发现在整个运输过程中加速度值不会超过10g。

据此，我们提出了针对核燃料运输监测所需的加速度记录仪的硬件结构框图，如图2所示。

图2 加速度记录仪硬件结构框图

2.1 加速度传感器的选择

为达到ISTA标准所要求的测量标准，所选用的加速度传感器其量程必须要大于10g，采样频率需达到2 000Hz。为了降低设计的复杂性和提高数据传输速度，其接口方式最好为SPI形式。同时为了降低功耗，其最好为超低功耗器件。为此，我们选用了BOSCH的BMA250E加速度传感器，该传感器为数字输出的低g值的三轴加速度传感器。它有4个加速度量程可供选择，其分辨率也满足现阶段监测的要求。其加速度量程范围及分辨率见表1。

表1 BMA250E加速度传感器的加速度量程范围及分辨率

其采样频率也可以通过配置加速度数据滤波器带宽寄存器0x10,PMU_BW来进行选择。当配置其带宽为1 000Hz时，其数据更新速率即为2 000Hz。

除了上述特点外，该款传感器还具有6种不同的功耗模式，即除了常规模式还有5种低功耗模式可供选择：深度休眠模式、休眠模式、待机模式、低功耗模式1和低功耗模式2。在实际的运行中，将根据不同监测阶段选配不同的功耗模式，而且传感器的功耗模式选择也需要跟处理器的功耗运行模式相匹配。

BMA250E与微处理器STM32F205的连接示意图如图3所示。

图3 加速度传感器接口示意图

BMA250E加速度传感器还具有运动监测、敲击感应、方向识别、平坦监测和非活跃监测等多种监测功能。在本次的加速度记录仪的设计中，只通过该传感器提取了加速度值，对其他功能未做涉及，但为以后的设备升级预留了空间。

2.2 微处理器的选择

ISTA标准对加速度采集设备的要求还规定了另外两个重要参数：数据长度和触发位置。标准中要求，数据记录长度要20ms到2 000ms，触发位置为整个波形长度的20%。为了数据的完整性和更好的分析加速度所导致危害事件产生前后的状态，本加速度记录仪的数据记录长度我们选取了2 000ms，因此在选择微处理器时，需要对其SRAM的容量有一定的考量，必须要满足数据缓存的需要。基于上述原则，本加速度记录仪选用了STM32F205做微处理器。

STM32F205是32位ARM Cortex-M3内核的CPU，其运行频率最高可达120MHz。除此之外，还有如下的考虑：

（1）内含1Mbyte的Flash存储空间，该空间除可用于程序的存储外，还可以用于用户数据的存储，其Flash空间分成了8个扇区，4个16Kbyte、1个64Kbyte和3个128Kbyte。本加速度记录仪利用了其中的3个16Kbyte的扇区存放设备自身的标识信息和设备运行的用户信息。为此，在本加速度记录仪的设计过程中，我们利用IAP（In application programming）功能将应用程序代码放置在了128Kbyte容量的扇区，而将小容量的扇区用于存放散碎的用户信息，以充分利用系统资源减少外设的数量。

（2）含有128+4Kbyte的SRAM，可充分满足数据缓存的要求。

（3）含有3个SPI接口，在本加速度记录仪的设计中，用到了其中的2个，一个用于加速度传感器的连接，一个用于NorFlash的连接。

（4）含有USB2.0全速和高速接口，可用于数据的快速读取。

2.3 存储器的选择

本加速度记录仪的设计中，采用了NorFlash作为存储介质，其存储容量为1Gb，时钟频率最高可达108MHz,数据吞吐率可达54MB/s，并具有编程暂停和擦除暂停功能，方便在数据监测时及时对数据进行操作。其连接示意图如图4所示。

图4 存储器接口示意图

3 加速度记录仪的软件设计

本加速度记录仪的软件流程图如图5所示，开机之后首先需通过USB接口设置当前项目的采集参数。采集参数设置完成后，嵌入式系统软件将按照当前的参数运行。如无任何操作，系统将进入低功耗模式，以节省电量。当接受到启动监测的命令时，系统将对监测参数进行初始化，并按要求开启传感器进行加速度的采集。

图5 软件流程示意图

在数据的采集过程中，处理器不断地对采样值进行计算，以提取当前数据的特征值，当需要对振动数据进行保存时则转向对数据波形完整性的判断，如波形已采集完整则将数据保存至NorFlash存储器，进行下一个事件的采集工作。

当接收到关机操作指令时，首先需要对当前的状态进行判断，如有事件波形未采集完整或当前事件正在进行保存则需要将当前的事件数据保存完后才能关机。

4 公路运输模拟试验

该加速度记录仪设计完成后，我们联合中国包装测试中心利用该记录仪对核燃料的公路运输部分进行了模拟，并将采集到的数据进行了处理。在某次公路运输模拟试验中，我们采用了10台设备其中8台分为两组安装在容器上，其安装位置如图6所示，另外两台安装到了车辆的底盘和框架式集装箱的底板上。

我们选取了一段与实际运输状况极为相似的路段，在上面进行了3h的测试，每隔5min对其振动数据进行一次采集，并对采集到的数据进行了整合。

我们对振动输入和不同响应位置的振动事件记录构建了各自完整的PSD密度谱。并采用置信区间为95%的功率密度来表征振动能量。由此得出了以下PSD图。

图7为1号容器外壁上的A1，A4两台设备所采集数据的PSD图。

图6 监测设备安装示意图

图7 容器外壁PSD图

图8 容器内PSD图

图8为容器内2台设备所采集数据汇总的PSD图。

图9为放置在框架式集装箱底部的设备采集数据所绘制的PSD图。

图10为放置在拖车底部的设备所采集数据所绘制的PSD图。

我们分别对比了此次试验中框架式集装箱与平板拖车在前后、左右和上下三个轴向上的平均PSD，发现在前后和左右轴向上框架式集装箱的PSD曲线基本位于平板拖车底盘处PSD曲线的下方，这说明在大多数的频率上，框架式集装箱上的均方根加速度值均小于平板拖车底盘上的均方根加速度值。

但我们也同样发现了如图11圆圈内所示的现象。图中的C1代表的是框架式集装箱，C2代表的是平板拖车。我们可以看到，在上下轴向上，在3～25Hz的频段内，框架式集装箱处的PSD曲线位于平板拖车底盘处的PSD曲线上方。说明在该频段内，框架式集装箱处的均方根加速度值大于平板拖车底盘处的均方根加速度值。

由此可以得出结论，在公路运输的过程中，框架式集装箱通过锁紧装置固定在拖车平板上，集装箱与车体之间本应保持较好的一致性，但实际测试可以看出在上下轴向上，锁紧装置的作用并不明显。因此，在实际的运输中，需要在这个轴向上进一步做改进。

Analysis of Acceleration in Simulated Nuclear Fuel Powered Highway Transportation

Lu Qingfeng1,Liu Hongyan2,Gong Zhi2
(1.Nuclear Fuel Transportation Department,CNNC Jianzhong Nuclear Fuel Co.,Ltd.,Yibin 644000; 2.Logistics Monitoring Department,China Packaging Research&Test Center,Tianjin 300457,China)

In this paper,we proposed the design of an acceleration data collection device based on the low-power processor and the MEMS acceleration sensor,applied it in the simulation of the typical running and working conditions of highway transportation vehicles with nuclear fuel components which collected a large quantity of valid experiment data for the further analysis of the correlation between the acceleration of the vehicle,the transport container and the nuclear fuel component.

nuclear fuel;highway transport simulation;vibration;acceleration sensor;datacollection