Создание информационно-измерительного модуля контроля радиоактивности поверхностных вод

       В перспективе своего развития  ИС могут применяться в больших  интегральных микросхемах, наборах  микропроцессоров, однокристальных  ЭВМ, в стандартных цифровых  интерфейсах и промышленных функциональных блоках, совместимых между собой по информационным, лингвистическим, метрологическим, программным характеристикам. С помощью ИС производится разработка формального описания алгоритма функционирования ИИС совместимого со стандартным цифровым интерфейсом ЭВМ  для возможности использования САПР. Широкое использование измерительных преобразователей на основе лазерной, телевизионной, голографической техники, позволяющие воспроизводить поля исследуемых величин.

      В состав ИИС входят:

• ПИП – это первично – измерительные преобразователи, размещенные в определенных точках исследуемого объекта, и служат для непосредственного принятия информации от объекта исследования с помощью превращения различных физических величин X,Y,Z, которые характеризуют состояние объекта. ПИП  производит преобразование неэлектрической величины в электрическую.
• АИП – аналогово-измерительный преобразователь, который совершает первичную обработку измерительной информации: усиление сигналов, линеаризация функций преобразователя, коррекция погрешностей. 
• АК – аналоговый коммутатор, который совершает поочередное подключение аналоговых каналов в цифровой части ИИС.
• АЦП – аналогово-цифровой преобразователь.
• ЦИУ – представляют устройства для измерения полученного цифрового сигнала.
• УУ – устройство управления, которое на основе информации от измерительного модуля  формирует сигнал управления на регулирующее устройство.
• БХИ – блок хранения информации.
• БОИ – блок отображения информации.
• БУ – блок управления  для организации  управления ситуацией, то есть совместного функционирования всех блоков, входящих в состав системы в соответствии с заданной программой.
• ИФБ – интерфейсный блок, который объединяется в интерфейс системы, включается система шин и программных средств, необходимых для взаимодействия разных функциональных блоков системы между собой и блоком управления.

 

      1.2. Классификация моделей систем 

      1. Информационная модель (набор документов  и правил поведения объекта).

      2. Структурная модель – совокупность  элементов, блоков и связей  между ними, порядком элементов.

      3. Функциональная модель – порядок  процессов, совокупность реакций  реакции системы на условие  внешней и внутренней среды,  алгоритм и закон функционирования  блоков и элементов.

      4. Математическая модель – выбранные  теории и математические зависимости (теории случайных процессов, графом, вероятности, сетевая, алгебра отношений и т.д.).

      5. Программная модель – алгоритм  и текст программного обеспечения  функционирования системы.

      6. Физическая модель – совокупность  технических средств реализующих функциональную и программную модели.

      7. «Историческая» модель – история  и предыстория – необходимые  измерения вследствие развития, адаптация, предварительно процедуры  обработки информации, подготовка  коэффициентов преобразования на  физические величины, преобразование кодов.

      Структурная модель ИИС представлена в приложении А. 

     1.3. Необходимость использования измерительного модуля 

     Совершенствование и последовательное развитие методов, аппаратно-программных комплексов и модулей для радиационного мониторинга становится эффективным комплексным мероприятием для обеспечения высокой степени зашиты персонала, населения и окружающей среды от радиационного воздействия. На сегодняшний момент единственным и практически реализуемым мероприятием, компенсирующим дефицит радиационной безопасности стареющих промышленных объектов, является создание новых и совершенных информационно-измерительных модулей, которые представляют собой совокупность средств измерений, компьютеров и вспомогательных устройств, образующих измерительно-вычислительный комплекс, на базе которого можно строить измерительные системы. Измерительные модули контролируют датчики с помощью персонального компьютера, на монитор которого выводится информация о радиационной обстановке.

     В связи с необходимостью использования информационно-измерительного модуля разрабатывается структурная схема, представленная на рис.1.1. 

 

        Объект                 ПИП              У                АЦП               МК                МП                     

 

     

                                ПИ 
 

     Рис. 1.1. Структурная схема измерительного модуля. 

     Основными частями системы являются:

• ПИП – первично-измерительный  преобразователь;
• У – усилитель;
• ПИ – пульт измерительный;
• АЦП – аналогово-цифровой преобразователь;
• МК – мультиплексор;
• МП – микропроцессор;
• RS-232 – интерфейс.

 

РАЗДЕЛ 2

ОПИСАНИЕ  ОСНОВНЫХ БЛОКОВ СТРУКТУРНОЙ  СХЕМЫ

      2.1.Выбор ПИП

      Для непосредственного принятия информации от объекта исследования с помощью  превращения различных физических величин X,Y,Z, которые характеризуют состояние объекта, выбирается первично-измерительный преобразователь.

       Блоки детектирования представляют вентильные ПИП, принцип действия которых основан на явлениях внешнего и внутреннего фотоэффекта. 
 

Рис. 2.1. Классификационная схема ПИП. 

    Суть  внешнего фотоэффекта в испускании электронов на поверхность фотокатода в вакуум под действием светового  потока. Кванты света вызывают эмиссию  фотоэлектронов.

    В зависимости от вида сигнала, непосредственно  получаемого с выхода ПИП, его  делят на:

• генераторные;
• параметрические.

    К генераторным относятся ПИП, обеспечивающие непосредственное преобразование изменений  неэлектрической величины (НЭВ) в  пропорциональное значение тока или  напряжения.

    К параметрическим относятся ПИП, у которых выходная величина представляет собой изменения какого-либо параметра электрической цепи - ёмкости, индуктивности или сопротивления.

    Суть  внутреннего фотоэффекта в перемещении  освобожденных под действием  светового потока носителей заряда (электронов и дырок) в середине твердого тела.

    Блоки детектирования дозиметра основаны на принципе счетчика Гейгера —  Мюллера, который представляет собой газоразрядный прибор для обнаружения и исследования различного рода радиоактивных и других ионизирующих излучений: a- и b-частиц, γ-kвантов, световых и рентгеновских квантов, частиц высокой энергии в космических лучах и на ускорителях. γ -кванты регистрируются в счетчике по вторичным ионизирующим частицам — фотоэлектронам, нейтроны регистрируются по ядрам отдачи и продуктам ядерных реакций, возникающим в газе счётчика.

      В  счетчике Гейгера — Мюллера   рабочий объём — газоразрядный  промежуток с сильно неоднородным электрическим полем. Внешний цилиндр представляет — катод, тонкая нить, натянутая вдоль его оси, — анод. Электроды заключены в герметически замкнутый резервуар, наполненный каким-либо газом до давления 13—26 кн/м² (100—200 мм pт. ст.). К электродам счётчика прикладывается напряжение в несколько сот в. На нить подаётся знак “+” через сопротивление R. Если в рабочем объёме счётчика нет свободных электронов, электрический разряд в нём не возникает. При попадании в счётчик ионизирующей частицы в газе образуются свободные электроны, которые движутся к положительно заряженной нити. Вблизи нити напряжённость электрического поля велика и электроны ускоряются настолько, что начинают, в свою очередь, ионизовать газ. В результате по мере приближения к нити число электронов лавинообразно нарастает. Возникает вспышка коронного разряда и через счётчик течёт ток. При достаточно большом R на нити скапливается отрицательный заряд и разность потенциалов между нитью и катодом быстро падает, в результате чего разряд обрывается. После этого чувствительность счётчика восстанавливается через 10^-1—10^-3 сек (время разрядки ёмкости С через сопротивление R). Такое большое время нечувствительности неудобно для многих применений. Ввиду этого несамогасящиеся счётчики, в которых гашение разрядов обеспечивается сопротивлением R, были вытеснены самогасящимися счётчиками, которые к тому же более стабильны. В них благодаря специальному газовому наполнению (инертный газ с примесью сложных молекул, например паров спирта, и небольшой примесью галогенов — хлора, брома, йода) разряд сам собой обрывается даже при малых сопротивлениях R. Время нечувствительности самогасящегося счётчика ~10^-4 сек.

    Электрические импульсы во внешней цепи, возникающие  при вспышках разряда в счетчике Гейгера — Мюллера, усиливаются и регистрируются электромагнитным счётчиком или пересчётной схемой. На рис. 2.2 приведена счётная характеристика счетчика Гейгера — Мюллера   — зависимость числа N регистрируемых в единицу времени импульсов от приложенного к счётчику напряжения V. Рабочий участок характеристики (плато) имеет протяжённость от нескольких десятков в до нескольких сот в. На плато число отсчётов практически равно числу ионизующих частиц, попадающих в счетчик.

      
 

      
 
Рис. 2.2. Схема стеклянного счётчика Гейгера — Мюллера.

где:

1. герметически запаянная стеклянная трубка; 
             2. катод (тонкий слой меди на трубке из нержавеющей стали);
3. вывод катода;
4. анод (тонкая натянутая нить).

 

2.2. Выбор усилителя 

     Усилитель-дискриминатор  представляет собой быстродействующий  однокаскадный усилитель, выполненный  на операционном усилителе. Операционный усилитель является универсальным  аналоговым устройством, которое используется для построения схем разнообразных генераторов, стабилизаторов напряжения. Операционные усилители представляют собой основу ЭВМ непрерывного действия, а также основу большинства законченных функциональных узлов аналоговой электронной аппаратуры.

        

     2.3. Выбор АЦП 

     Для преобразования   аналогового сигнала в цифровой применяется выбор  АЦП, который принимает входящие аналоговые сигналы и генерирует соответствующие им цифровые сигналы, то есть происходит автоматическое преобразование непрерывной измеряемой величины аналогового сигнала в пропорциональную дискретную величину, изображенную цифровым кодом.

      Для определения разрядности АЦП, а  затем дальнейшего выбора микросхемы необходимо произвести следующие расчёты.

     Необходимое количество уровней квантования  проектируемого устройства:

      ,                                                       (2.1)