УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕЙ ЧАСТОТЫ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2006 года по МПК G01R23/09 G01T1/15 

Изобретение относится к области ядерного приборостроения и может быть использовано в других областях измерительной техники для определения средней частоты импульсов, меняющейся в широких пределах, и ее представления в виде аналогового сигнала.

Известны измерители средней частоты, изменяющейся в широких пределах, с автоматическим переключением диапазонов, содержащие нормализатор, подключенный к многоканальной (по числу диапазонов) схеме обработки, причем каждый канал состоит из вентиля и диодной дозирующей ячейки, соединенных с интегратором, на выходе которого включены измерительный прибор и два пороговых канала, отмечающие выход за верхнюю и нижнюю границу, подключенные к реверсивному распределителю, переключающему вентили (СССР, а.с. №371524, 22.11.73, МПК G 01 R 23/00).

Недостатком этого устройства, ограничивающим область его применения, является отсутствие аналогового сигнала, отражающего изменение частоты импульсов во всем диапазоне измерения, из-за чего оно не может быть использовано в системах автоматического контроля.

Наиболее близко по своей сущности и достигаемому результату устройство, формирующее аналоговый сигнал, пропорциональный логарифму частоты импульсов, например, описанное в а.с. СССР №1030742, МПК G 01 R 23/06, 1983, выбранное в качестве прототипа.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства-прототипа.

Существенным недостатком устройства-прототипа является его высокая сложность. Оно содержит вход, на который подаются импульсы от нормализатора, блок управления, вырабатывающий последовательность тактовых импульсов, управляющих работой блока формирования мантиссы, блока формирования характеристики и блока формирования поправки с помощью входящих в их состав электронных ключей, сумматора, источника стабильного напряжения, подаваемого на входы. Каждый из этих блоков содержит набор электронных схем, выполняющих разные функции (электронные ключи, компараторы, операционные усилители и т.д.).

О сложности структуры этих блоков можно судить хотя бы по приведенной функциональной схеме блока формирования поправки.

Технической задачей, решаемой изобретением, является создание устройства для измерения средней частоты импульсов с логарифмической характеристикой преобразования, в котором достаточно высокие метрологические характеристики и широкий диапазон измеряемой частоты сочетались бы с простотой его схемы.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в устройстве для измерения средней частоты импульсов, содержащем нормализатор и интегратор заряда, интегратор заряда состоит из включенного по схеме с общей базой транзистора, эмиттер которого соединен со входом интегратора, а коллектор - с интегрирующей емкостью и первым входом сумматора, второй вход которого соединен с базой другого транзистора с заземленным коллектором, которая через резистор соединена с источником постоянного напряжения, обеспечивающим протекание через p-n переход база-коллектор прямого тока величиной J_e, удовлетворяющего условию

0.1·J_m≥J_e≫J_co,

где J_m - максимально допустимое для данного типа транзисторов значение прямого тока;

J_co - значение обратного тока коллектора p-n перехода, третий вход соединен с источником постоянного напряжения с регулируемой полярностью и величиной напряжения. Выход интегратора соединен с выходом сумматора.

В интеграторе должны быть использованы маломощные, кремниевые, эпитаксиально-планарные высокочастотные транзисторы.

На фиг.2 представлена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.3 приведены вольт-амперные характеристики импульсных диодов, на фиг.4 приведена схема радиометрического устройства для измерения изменяющейся в широких пределах средней частоты импульсов, поступающих с детектора ядерных излучений.

Импульсы от блока детектирования подаются на вход 1 нормализатора 2, формирующего стандартные порции заряда на выходе, соединенном с эмиттером транзистора 3, включенного по схеме с общей базой. Коллектор этого транзистора соединен с интегрирующей емкостью 4 и первым входом сумматора 5. Второй вход сумматора соединен с базой транзистора 6, включенного по схеме с заземленным коллектором, на которую через резистор 7 от источника постоянного напряжения 8 подается напряжение смещения такой величины и полярности, чтобы протекающий через p-n переход база-коллектор прямой ток находился в указанных выше пределах. На третий вход сумматора от регулируемого источника напряжения 9 подается, предназначенное для установки требуемого значения начала шкалы, напряжение соответствующей величины и полярности.

В таком устройстве напряжение на выходе 10 сумматора пропорционально логарифму средней частоты импульсов.

Отличительной особенностью предложенного устройства является использование в интеграторе с логарифмическим преобразованием частоты в аналоговый сигнал элемента с логарифмической характеристикой, в качестве которого применен транзистор, включенный по схеме с общей базой, в эмиттерную цепь которого от нормализатора подаются стандартные импульсы заряда Q_c, а интегрирующая емкость включена в его коллекторную цепь. В этом случае на емкости накапливается заряд, создающий напряжение, смещающее p-n переход коллектор-база в прямом направлении и являющееся причиной протекания через этот p-n переход прямого разрядного тока.

Этот прямой ток J_c связан с напряжением смещения U_c известным соотношением:

,

где J_co - ток насыщения p-n перехода;

k(T) - температурный коэффициент.

При условии J_c>J_co это соотношение после соответствующих преобразований принимает вид

U_c=k(T)ln(J_c/J_co).

Поскольку J_c=NQ_iα,

где N - скорость счета импульсов;

Q_i - величина заряда в импульсе;

α - коэффициент передачи тока транзистора в схеме с общей базой,

зависимость между напряжением смещения коллектора и скоростью счета может быть представлена в виде

U_c=k(T)(ln(N)+ln(Q/J_co)).

Обратный ток p-n перехода имеет сильную зависимость от температуры. В предлагаемой схеме составляющая U_c, зависящая от температуры, компенсируется в схеме сумматора с помощью вычитания равного ей по величине падения напряжения смещенного в прямом направлении p-n перехода база-коллектор другого транзистора, через который протекает стабильный ток смещения J_s. Его величина должна удовлетворять условию

J_m≥J_s≫J_co,

где J_m - максимально допустимое для данного транзистора значение прямого тока.

Верхнее из указанных значений определяется требованием недопущения нагрева транзистора прямым током сверх допустимого значения, нижнее - техническими возможностями создания источника стабильного тока.

При этом на третий вход сумматора должен быть включен регулируемый по величине и полярности источник стабильного напряжения, с помощью которого устанавливается требуемое смещение нулевого отсчета логарифмической шкалы.

Фактически, зависимость прямого тока от напряжения смещения отличается от экспоненциальной вследствие влияния различных вторичных факторов, причем эти различия для p-n переходов разных типов полупроводниковых приборов могут быть весьма существенными, как это видно из приведенных в работе "Элементы схем ядерного приборостроения" Л.С.Горн, В.В.Матвеев, Б.И.Хазанов, А.В.Шифрин, Атомиздат, 1970 г., стр.42, вольт-амперных характеристик импульсных диодов, фиг.3.

Экспериментально установлено, что наибольшим приближением к логарифмической является зависимость U_с=f(J_с) коллекторного p-n перехода кремниевых маломощных высокочастотных эпитаксиально-планарных транзисторов: погрешность аппроксимации этой зависимости функцией U_c=k(T)ln(J_c/J_co) в этом случае не превышает 1% в диапазоне изменения прямого тока примерно на 6 десятичных порядков. Поэтому названный тип транзисторов и рекомендуется в настоящей заявке на изобретение для схем интегратора.

Пример реализации

На фиг.4 приведена схема радиометрического устройства для измерения изменяющейся в широких пределах средней частоты импульсов, поступающих с детектора ядерных излучений.

С входа 1 устройства импульсы поступают на нормализатор 2, в котором формируется стандартная порция заряда, подающаяся на эмиттер транзистора 3. Заряд, накапливающийся на конденсаторе 4, обуславливает появление на нем напряжения такой величины, которая обеспечивает протекание разрядного тока через коллекторный p-n переход, равного по величине среднему значению тока в эмиттерной цепи. Это напряжение через повторитель 21 и резистор 18 подается на первый вход сумматора 5. На второй вход сумматора через резистор 17 подается падение напряжения с базы транзистора 6, включенного по диодной схеме с заземленным коллектором. Прямой ток смещения через p-n переход база-коллектор подается от источника постоянного напряжения 8 через резистор 16. На третий вход сумматора через резистор 11 подается напряжение смещения от делителя, образуемого резисторами 12, 13 и переменным резистором 14, с помощью которого и устанавливается нужная величина смещения нуля логарифмической шкалы устройства. Резистивный делитель питается от двух разнополярных источников постоянного напряжения 15 и 8.

Требуемый коэффициент преобразования устанавливается с помощью переменного резистора 22. Для устранения зависимости результатов измерения от величины сопротивления внешней нагрузки выход устройства 10 соединен с сумматором через резистор 19. Конденсатор 20 включен для повышения помехоустойчивости устройства.

В устройства применены кремниевые маломощные высокочастотные эпитаксиально-планарные транзисторы типа КТ3107, повторитель 21 и сумматор 5 выполнены на операционных усилителях типа К544УД1А.

Разработанная схема имеет логарифмическую характеристику преобразования, выражаемую функцией вида:

U=k(T)ln(N)+a.

Основная погрешность преобразования числа импульсов в аналоговый сигнал не превышает 1% от номинального (расчетного) значения в диапазоне изменения частоты следования импульсов на 6 десятичных порядков.

Дополнительная температурная погрешность составляет 0.3% на 1°C.

Описанное выше устройство использовано в приборе для измерения распределения потоков тепловых и быстрых нейтронов по высоте графитовой кладки остановленных промышленных уран-графитовых реакторов, а также в многоканальной системе технологического контроля распределения мощности экспозиционной дозы гамма-излучения на одной из технологических установок СХК.

Описанное в настоящей заявке на предлагаемое изобретение устройство измерения изменяющейся в широких пределах средней скорости счета импульсов может стать основой многих видов систем автоматического контроля в разных отраслях промышленности.

Устройство может быть использовано для измерения средней частоты импульсов, поступающих с детектора ядерных излучений. Устройство содержит нормализатор, формирующий стандартные порции заряда, и интегратор заряда. Интегратор содержит транзистор, включенный по схеме с общей базой. Эмиттер транзистора является входом интегратора, а коллектор соединен с интегрирующей емкостью и первым входом сумматора. Второй вход сумматора соединен с базой второго транзистора с заземленным эмиттером. База второго транзистора через резистор соединена с источником постоянного напряжения. Через второй транзистор протекает стабильный ток смещения. В сумматоре ток смещения второго транзистора компенсирует составляющую выходного сигнала первого транзистора, зависящую от обратного тока коллектора первого транзистора и температуры. Устройство позволяет измерять частоту импульсов детектора ядерных излучений, изменяющуюся в широких пределах, с низкой температурной погрешностью. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для измерения средней частоты импульсов, включающее нормализатор и интегратор заряда, отличающееся тем, что интегратор состоит из включенного по схеме с общей базой транзистора, эмиттер которого соединен со входом интегратора, а коллектор - с интегрирующей емкостью и первым входом сумматора, второй вход которого соединен с базой другого транзистора с заземленным коллектором, которая через резистор соединена с источником постоянного напряжения, имеющим полярность и напряжение, обеспечивающие протекание через р-n переход база-коллектор прямого тока величиной J_e, удовлетворяющего условию

0,1·J_m≥J_e≫J_co,

где J_m - максимально допустимое для данного типа транзисторов значение прямого тока;

J_co - значение обратного тока коллектора р-n перехода,

третий вход сумматора соединен с источником постоянного напряжения, а выход интегратора соединен с выходом сумматора.