УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ФОРМЫ ИМПУЛЬСА ДЕЛЕНИЙ Российский патент 2015 года по МПК G01R29/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в ядерной физике при измерении физических параметров импульсных исследовательских ядерных установок (ИЯУ), например при регистрации формы импульса нейтронного излучения ядерных реакторов, в частности, в составе систем управлении и защиты (СУЗ) ИЯУ при работе в импульсном режиме.

Для повышения уровня безопасности работ, проводимых на ИЯУ, необходимо обеспечить повышение точности и надежности измерения выходных характеристик установки, к которым относится форма импульса нейтронного излучения и параметры этого импульса, характеризующие интенсивность процесса деления.

Известно устройство автоматического регистратора формы сигналов (Горюшкин СИ., Овчинников М.А., Яковлев Ю.Н. Автоматический регистратор формы сигналов в стандарте КАМАК. ПТЭ, №3, 1991, с. 227), содержащее автоматический нормирующий усилитель (АНУ), вход которого является первым входом устройства автоматического регистратора формы сигналов, устройство выборки и хранения, аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, блок управления, управляемый генератор тактовых импульсов, КАМАК-интерфейс. Выход АНУ через операционный усилитель соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с выходом блока управления. Группа выходов и первый вход блока управления соединены соответственно с группой входов и выходом управляемого генератора тактовых импульсов, а второй и третий входы являются вторым и третьим входами устройства автоматического регистратора формы сигналов. Выход интерфейса является выходом устройства автоматического регистратора формы сигналов.

Недостатком данного устройства является зависимость погрешности измерения от коммутационной ошибки при переключении пределов измерения (точная фиксация амплитуды) в аналоговой части регистратора (аналоговый мультиплексор в АНУ), а также ограниченные функциональные возможности при автоматизации процесса измерения из-за невозможности автоматической подстройки и коррекции некоторых параметров (коэффициента усиления, напряжения смещения и т.п.).

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является устройство для регистрации формы импульса однократных быстропротекающих процессов по патенту RU 2400762 (опублик. 27.09.2010, Бюл. №27). Устройство содержит буферный усилитель, выход которого через первый операционный усилитель соединен с первым входом первого аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, группа выходов и первый вход которого соединены соответственно с группой входов и выходом кварцевого генератора, а второй и третий входы являются первым и вторым входами устройства для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), интерфейс связи, выход которого является выходом устройства для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов, первую, вторую и третью схемы защиты от перенапряжения, второй и третий операционные усилители, второй и третий аналого-цифровые преобразователи, блок селекции кодов и пределов измерения, группа выходов которого соединена с группой входов оперативного запоминающего устройства, группа входов-выходов которого соединена с группой входов-выходов блока управления, второй выход которого соединен с входом интерфейса связи, вход первой схемы защиты от перенапряжения является третьим входом устройства для регистрации формы однократных быстропротекающих процессов, а выход соединен с входом буферного усилителя, выход которого соединен с последовательно соединенными вторыми схемой защиты от перенапряжения, операционным усилителем и аналого-цифровым преобразователем и с последовательно соединенными третьими схемой защиты от перенапряжения, операционным усилителем и аналого-цифровым преобразователем, вторые входы второго и третьего аналого-цифровых преобразователей соединены с первым выходом блока управления, выходы и группа выходов первого, второго и третьего аналого-цифровых преобразователей соединены с соответствующими входами и группами входов блока селекции кодов и пределов измерения.

К недостаткам данного устройства следует отнести то, что динамический диапазон регистрации сигнала по амплитуде с его помощью ограничен разрядностью используемого АЦП (12 разрядов), кроме того, имеет место недостаточное быстродействие, а из-за большого количества соединительных линий между элементами снижена надежность устройства регистрации.

Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в улучшении метрологических характеристик и расширении функциональных возможностей устройства регистрации формы импульса делений.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности регистрации импульса нейтронного излучения, увеличения быстродействия регистрации и повышение надежности работы устройства регистрации за счет усовершенствования схемы устройства для регистрации формы импульса делений. Дополнительным техническим результатом является увеличения диапазона регистрации по времени и по амплитуде.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для регистрации формы импульса делений, содержащем блок приема сигнала детектора излучения, два измерительных тракта, каждый из которых состоит из соединенных друг с другом операционного усилителя (ОУ) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), один из входов которого соединен с блоком управления и синхронизации сигналов, соединенным с кварцевым генератором, элементы, обеспечивающие функции селекции кодов и пределов измерения, а также хранения результатов регистрации, интерфейс связи, выход которого является выходом устройства для регистрации формы импульса делений и который обеспечивает возможность подключения устройства регистрации к компьютеру (ПК), в качестве блока приема сигнала детектора излучения использован преобразователь «ток-напряжение», к выходу которого подключены ОУ измерительных трактов, в качестве кварцевого генератора использован генератор с тактовой частотой не менее 1 МГц, в качестве АЦП использован восемнадцатиразрядный АЦП, а элементы, обеспечивающие функции селекции кодов и пределов измерения, а также хранения результатов регистрации, объединены в единый блок обработки данных, при этом алгоритм их работы обеспечен общей программой управления, включающей функцию автоматического переключения пределов измерения сигналов с АЦП, причем блок обработки данных соединен с блоком управления и синхронизации сигналов и интерфейсом связи.

Использование в качестве блока приема сигнала детектора излучения преобразователя «ток-напряжение», к выходу которого подключены ОУ измерительных трактов, позволило сократить количество входных элементов, что привело к повышению надежности, кроме того, увеличило быстродействие устройства. Преобразователь, установленный на входе устройства, позволяет расширить полосу пропускания, увеличить помехозащищенность и очистить регистрируемый сигнал от искажений, что приводит к увеличению точности регистрации, а также расширяет диапазон регистрации по амплитуде.

Использование в качестве кварцевого генератора генератора с тактовой частотой не менее 1 МГЦ увеличивает надежность, точность и быстродействие приборов, кроме того, расширяет диапазон регистрации по времени.

Использование 18-разрядного АЦП вместо 12-разрядного АЦП в измерительных трактах позволило расширить диапазон измерения по амплитуде на два порядка, тем самым повысить точность регистрации формы импульса нейтронного излучения. Кроме того, уменьшено количество измерительных трактов с трех до двух, что обеспечило надежность устройства, а также за счет уменьшения числа «цифровых переключений» между пределами измерения позволило увеличить его быстродействие.

Объединение элементов, обеспечивающих функции селекции кодов и пределов измерения, а также хранения данных в единый блок обработки данных, позволило уменьшить количество элементов, что привело к повышению надежности и увеличению быстродействии, а также позволило использовать более совершенную микропрограмму управления устройства регистрации, обеспечивающую повышение надежности и точности измерения. В частности, предусмотрена возможность разделения записываемого в памяти устройства сигнала на N участков (где N находится в диапазоне от 1 до 16), которые регистрируются с разной частотой, что позволяет прописывать с большей точностью значимые участки импульса и расширить диапазон измерений по времени.

Соединение блока обработки данных с интерфейсом связи позволяет осуществить передачу данных непосредственно на ПК без дополнительных элементов, что обеспечивает оперативность, надежность и помехозащищенность линии связи устройства регистрации с внешним ПК.

Наличие у блока обработки данных функции автоматического переключения пределов измерения сигналов с АЦП позволяет также обеспечить оперативность и надежность устройства регистрации, кроме того, автоматическое переключение без дополнительных внешних команд позволяет обеспечить повышенную точность измерений.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема заявляемой полезной модели, где

1 - блок детектирования нейтронов;

2 - преобразователь «ток-напряжение»;

3 - первый ОУ с дифференциальным выходом и коэффициентом усиления 1;

4 - второй ОУ с дифференциальным выходом и коэффициентом усиления 100;

5 - первый АЦП;

6 - второй АЦП;

7 - блок управления и синхронизации;

8 - блок обработки данных;

9 - интерфейс связи;

10 - ПК;

11 - биологическая защита;

12 - вход (клемма) сигнала ПУСК;

13 - вход (клемма) сигнала внешнего тактирования.

В качестве примера конкретного выполнения предлагаемого изобретения может служить устройство для регистрации формы импульса делений импульсных ИЯУ, применяемое при исследовании формы импульсов нейтронного излучения в широком диапазоне как по амплитуде, так и по длительности с выводом полученной информации на персональный компьютер (ПК) для последующей ее обработки (расчет параметров импульса делений ИЯУ).

Устройство для регистрации формы импульса делений импульсных ИЯУ обладает следующими техническими характеристиками: максимальное напряжение на входе АЦП - 10 В; разрядность АЦП - 18 разрядов; динамический диапазон по амплитуде - 10⁷; внутренняя частота дискретизации - от 1 до 10 МГц; полоса пропускания - от 0 до 500 КГц; относительная погрешность измерения - ±0,05%.

Блок детектирования (1) преобразует энергию нейтронного излучения в пропорциональный электрический заряд (ток). В качестве блока детектирования могут быть использованы ионизационная камера деления, токовая ионизационная камера, вакуумный эмиссионный диод и другие.

Токовый сигнал с блока детектирования (1) через биологическую защиту (11) поступает на преобразователь «ток-напряжение» (2), а затем на два параллельных тракта измерения: первые ОУ (3) и АЦП (5) и вторые ОУ (4) и АЦП (6). Первый АЦП (5) и второй АЦП (6) служат для преобразования мгновенных значений выборок амплитуд входного напряжения в цифровой код.

Запуск устройства осуществляется через вход ПУСК (12). В устройстве предусмотрено внешнее тактирование через вход ВН.ТАКТ (13) или внутреннее тактирование от встроенного квантового генератора, входящего в состав блока управления и синхронизации (7).

Блок управления и синхронизации (7) предназначен для организации запуска процесса регистрации и выдачи тактовых сигналов для АЦП (5, 6) и блока обработки данных (8).

Блок обработки данных (8) служит для коммутации кодов с первого и второго АЦП (5, 6), дешифрации пределов измерения, преобразования выходного кода, автоматического переключения пределов измерения («цифрового переключения»), хранения результатов измерения во внутреннем ОЗУ, организации обмена информации через интерфейс связи (9) с ПК (10).

Интерфейс связи (9) служит для подключения устройства регистрации к ПК (10), на котором устанавливается управляющее программное обеспечение для задания режимов регистрации и обработки полученных данных.

Работа устройства заключается в следующем.

В устройстве для регистрации формы импульса делений используется старт-стопный метод запуска с фиксированной записью истории сигнала. Перед выполнением измерения определяется и задается часть банка памяти ОЗУ блока обработки данных (8), отводимая для истории. Также задается число участков и частота, с которой производится регистрации на каждом участке. Все эти операции выполняются по командам, поступающим с ПК (10) через интерфейс связи (9). Затем устройство переводится в режим "Измерение", в котором выполняется кодирование входного сигнала и занесение кодов в память блока обработки данных (8) циклически без остановки от АЦП1 (5) и АЦП2 (6) с заданной частотой.

Токовый сигнал с блока детектирования (1) через биологическую защиту (11) поступает на преобразователь «ток-напряжение» (2), а затем на два параллельных тракта измерения: первые ОУ (3) и АЦП (5) и вторые ОУ (4) и АЦП (6). Первый АЦП (5) и второй АЦП (6) преобразует мгновенные значения выборки амплитуд входного напряжения в цифровой код с частотой, поступающей от блока управления и синхронизации (7) и преобразованной в блоке обработки данных (8).

Полученные цифровые значения амплитуды поступают с выходов первого АЦП (5) и второго АЦП (6) на входы блока обработки данных (8), где они мультиплексируются в зависимости от значения бита переполнения каждого АЦП, что однозначно определяет номер предела измерений, на котором проведена регистрация. Значение цифрового кода дешифрируется и записывается в ячейку ОЗУ, которое входит в состав блока обработки данных (8), с указанием диапазона измерений. Содержание ОЗУ заполняется циклически и помечается как «предыстория».

По переднему фронту сигнала, поступающего на клемму ПУСК (12), который через блок управления и синхронизации (7) передается на блок управления данных (8), или по команде от ПК (10), которая поступает через интерфейс связи (9) на блок управления данных (8) (начало записи истории), начинает работать счетчик истории, который после выполнения циклов записи в память формирует сигнал конца преобразования. Таким образом, в блоке обработки данных (8) будет записана информация, полученная до прихода сигнала ПУСК (предыстория = общий объем памяти - количество точек истории), и информация, полученная после сигнала ПУСК (история).

Блок обработки данных (8) формирует признак завершения процесса регистрации, состояние которого считывается через интерфейс связи (9) на ПК (10).

Далее по командам, поступающим с ПК (10) через интерфейс связи (9), осуществляется чтение результатов регистрации из блока обработки данных (8) для последующей обработки (расчета параметров импульса делений ИЯУ).

Таким образом, заявляемое устройство обладает расширенным диапазоном измерения по времени и по амплитуде, а также повышенной точностью измерения, увеличенными быстродействием и надежностью регистрации по сравнению с устройством, являющимся наиболее близким аналогом.

Промышленная применимость предлагаемого изобретения определяется тем, что устройство для регистрации формы импульса делений импульсных ИЯУ может быть изготовлено по известной технологии из известных комплектующих изделий и материалов и использовано в измерительных системах и СУЗ ИЯУ.

Был изготовлен опытный образец устройства, испытания которого подтвердили осуществимость и практическую ценность заявляемого изобретения.

Устройство для регистрации формы импульса делений относится к измерительной технике и может быть использовано в ядерной физике при исследовании физических параметров импульсных исследовательских ядерных установок (ИЯУ). Устройство содержит блок приема сигнала детектора излучения, в качестве которого использован преобразователь «ток-напряжение», два измерительных тракта, каждый из которых состоит из соединенных друг с другом операционного усилителя (ОУ), подключенного к выходу преобразователя «ток-напряжение», и восемнадцатиразрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), один из входов которого соединен с блоком управления и синхронизации, блок обработки данных, включающий элементы, выполняющие функции селекции кодов и пределов измерения, а также хранения данных, при этом блок обработки данных снабжен функцией автоматического переключения пределов измерения сигналов с АЦП. Техническим результатом является повышение точности регистрации импульса нейтронного излучения, увеличение быстродействия регистрации и повышение надежности работы устройства регистрации за счет усовершенствования схемы устройства для регистрации формы импульса делений. 1 ил.

Устройство для регистрации формы импульса делений, содержащее блок приема сигнала детектора излучения, два измерительных тракта, каждый из которых состоит из соединенных друг с другом операционного усилителя (ОУ) и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), один из входов которого соединен с блоком управления и синхронизации сигналов, соединенным с кварцевым генератором, элементы, обеспечивающие функции селекции кодов и пределов измерения, а также хранения результатов регистрации, интерфейс связи, выход которого является выходом устройства для регистрации формы импульса делений и который обеспечивает возможность подключения устройства регистрации к компьютеру (ПК), отличающееся тем, что в качестве блока приема сигнала детектора излучения использован преобразователь «ток-напряжение», к выходу которого подключены ОУ измерительных трактов, в качестве кварцевого генератора использован генератор с тактовой частотой не менее 1 МГц, в качестве АЦП использован восемнадцатиразрядный АЦП, а элементы, обеспечивающие функции селекции кодов и пределов измерения, а также хранения результатов регистрации, объединены в единый блок обработки данных, при этом алгоритм их работы обеспечен общей программой управления, включающей функцию автоматического переключения пределов измерения сигналов с АЦП, причем блок обработки данных соединен с блоком управления и синхронизации сигналов и интерфейсом связи.