БЛОК ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК G01T1/185 

Изобретение относится к измерительной технике, а, именно, к используемому в бесконтактных радиоизотопных толщиномерах листового проката блоку детектирования ионизирующего излучения с автоматическим регулированием коэффициента усиления измерительного напряжения при помощи программируемого логического контролера.

В процессе работы толщиномера листового проката возникает необходимость регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения в блоке детектирования ионизирующего излучения, что обуславливается возможным ослаблением измерительного тока из-за потери чувствительности ионизационной камеры блока детектирования ионизирующего излучения (потеря герметичности и вследствие этого снижение давления и потеря ионизирующей способности), либо ослабления активности источника ионизирующего излучения с течением времени (если по техническим соображениям выбран источник ионизирующего излучения с малым периодом полураспада).

Если не использовать подстройку коэффициента усиления, и продолжать работу при снизившемся уровне измерительного напряжения, возникает потеря точности измерения, связанная с недоиспользованием шкалы аналого-цифрового преобразователя, причем использование автоматических систем позволяет повысить точность и уменьшить время калибровки усиления измерительного напряжения блока детектирования ионизирующего излучения.

Из уровня техники известен блок детектирования ионизирующего излучения, выполненный с возможностью подключения к программируемому логическому контролеру для автоматического регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения, и включающий в себя связанные между собой ионизационную камеру с высоковольтным блоком питания, принимающую излучение и преобразующую его в электрический ток, и усилитель, преобразующий указанный электрический ток в измерительное напряжение и усиливающий его (см. патент JPS 61225683, кл. G01T 1/185, опубл. 07.10.1986). Недостатками известного блока детектирования ионизирующего излучения является недостаточная точность и сложность регулирования усиления измерительного напряжения блока детектирования ионизирующего излучения, что приводит к недостаточной надежности и точности измерений, проводимых в процессе работы толщиномера.

Таким образом, технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание блока детектирования ионизирующего излучения с повышенной точностью и более простым регулированием усиления измерительного напряжения блока детектирования ионизирующего излучения, и, как результат, с повышенной точностью измерения.

Технический результат заключается в повышении точности и упрощении регулирования усилением измерительного напряжения блока детектирования ионизирующего излучения. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в блоке детектирования ионизирующего излучения, выполненном с возможностью подключения к программируемому логическому контролеру для автоматического регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения, и включающем в себя связанные между собой ионизационную камеру с высоковольтным блоком питания, принимающую излучение и преобразующую его в электрический ток, и усилитель, преобразующий указанный электрический ток в измерительное напряжение и усиливающий его, усилитель содержит связанные последовательно входной каскад, обеспечивающий указанное преобразование электрического тока от ионизационной камеры в измерительное напряжение, каскад регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения и выходной каскад, усиливающий мощность сигнала измерительного напряжения и передающий его в программируемый логический контролер, причем блок детектирования ионизирующего излучения содержит связанные между собой первое контроллерное устройство, формирующее логический сигнал на запуск настройки коэффициента усиления измерительного напряжения, и второе контроллерное устройство, формирующее код управления коэффициентом передачи, причем первое контроллерное устройство связано с программируемым логическим контроллером через преобразователь интерфейса, второе контроллерной устройство - с каскадом регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения, а выходной каскад - со вторым контроллерным устройством, и через аналогово-цифровой преобразователь - с первым контроллерным устройством.

Причем в предпочтительном варианте, первое контроллерное устройство, выполнено с возможностью формирования и передачи:

во второе контроллерное устройство указанного логического сигнала на запуск настройки коэффициента усиления измерительного напряжения на основании полученной от программируемого логического контроллера через преобразователь интерфейса команды управления,

а также в программируемый логический контроллер сигнала об окончании настройки коэффициента усиления измерительного напряжения на основании соответствующего сигнала, поступившего из второго контроллерного устройства,

а второе контроллерного устройство выполнено с возможностью формирования и передачи:

в каскад регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения указанного кода управления коэффициентом усиления при получении от первого контроллерного устройства указанного логического сигнала на запуск настройки коэффициента усиления измерительного напряжения, и

в первое контроллерное устройство сигнала об окончании настройки коэффициента усиления измерительного напряжения по достижению сигналом от выходного каскада заданного уровня.

Согласно заявленному изобретению каскад регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения содержит связанный со вторым контроллерным устройством цифроаналоговый преобразователь, с подключенным к нему источником опорного напряжения, и перемножитель, связанный с входным каскадом, с цифроаналоговым преобразователем выходным каскадом, причем цифроаналоговый преобразователь выполнен с возможностью формирования на основе указанного кода управления коэффициентом усиления и опорного напряжения управляющего напряжения, которое вместе с основным измерительным напряжением из входного каскада поступают на перемножитель, формирующий на основе их выходное измерительное напряжение, поступающее в выходной каскад.

На фиг. 1 представлен общий вид блока детектирования ионизирующего излучения в составе бесконтактного толщиномера листового проката;

на фиг. 2 представлена структурная схема блока детектирования ионизирующего излучения;

на фиг. 3 изображена структурная схема каскада регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения;

на фиг. 4 представлена байтовая структура управляющих команд.

Предлагаемое изобретение предназначено для использования в составе бесконтактного толщиномера листового проката (см. фиг. 1), который содержит блок 1 излучателя с коллиматором 2, внутри которого расположен источник 3 ионизирующего излучения. Для перекрытия потока излучения I₀ предназначена заслонка 4, приводимая в движение механизмом 5 перемещения. Как правило, в этой роли выступает прямоходовой или поворотный электромагнит, но возможны и пневматические механизмы перемещения. Управляется механизм 5 платой 6 управления, получающей команды на открытие/закрытие источник 3 ионизирующего излучения от шкафа 7 электроники.

Листовой прокат 8, толщина (d) которого подлежит контролю, располагается или проводиться напротив коллиматора 2 таким образом, чтобы его плоскость была расположена, по существу, перпендикулярна потоку излучения I₀.

При этом с противоположенной стороны от листового материала размещен блок 9 детектирования ионизирующего излучения, который содержит ионизационную камеру 10 с высоковольтным блоком питания 11. Причем блок 9 детектирования ионизирующего излучения размещен таким образом, что ионизационная камера 10 находится напротив коллиматора 2 так, чтобы улавливать выходящий из него поток излучения I₀, проходящий через лист проката 8, для преобразования его в электрический ток.

Блок 9 детектирования ионизирующего излучения (см. фиг. 2) также содержит электрически соединенный с ионизационной камерой 10 усилитель 12. Усилитель 12 содержит связанные последовательно входной каскад 13, который соединен ионизационной камерой 10 и осуществляет преобразование электрического тока от ионизационной камеры 10 в измерительное напряжение U_d с использованием высокоомных резисторов, каскад 14 регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения, в котором происходит управляемое усиление сигнала измерительного напряжения, и выходной каскад 15, в котором происходит усиление сигнала измерительного напряжения по мощности и он становится пригодным для обработки во вторичной аппаратуре. Выходной каскад 15 связан с входом программируемого логического контролера 16, который осуществляет автоматическое управление процессом регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения.

Необходимость регулировки коэффициента передачи возникает в случае снижения текущей величины напряжения согласования на 25-30% относительно его значения при предыдущей регулировке.

Программируемый логический контролер 16 может быть установлен, например, в шкафу 7 электроники, но это не исключает и другие места его установки, в том числе, он может являться частью блока 9 детектирования ионизирующего излучения. Для автоматического управления процессом регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения блок 9 детектирования ионизирующего излучения содержит связанные между собой взаимообратной связью первое контроллерное устройство 17, формирующее логический сигнал на запуск настройки коэффициента усиления измерительного напряжения, и второе контроллерное устройство 18, формирующее код управления коэффициентом передачи. При этом первое контроллерное устройство 17 связано взаимообратной связью с программируемым логическим контроллером 16 через преобразователь интерфейса 19, а выход второго контроллерного устройства 18 связан со входом каскада 14 регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения. Выход выходного каскада 15 при этом связан со входом второго контроллерного устройства 18 и через аналогово-цифровой преобразователь 20 со входом первого контроллерного устройства 17.

Следует отметить, что под термином «связан» подразумевается любое возможное выполнение связи, которая обеспечивает заложенную в нее функцию, например, связь может быть обеспечена посредством электрического провода, дистанционно и т.д., причем одна связь может быть одновременно реализована несколькими вариантами, дублирующими друг друга.

Для реализации функции автоматического управления процессом регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения первое контроллерное устройство 17 должно быть выполнено с возможностью формирования и передачи во второе контроллерное устройство 18 указанного логического сигнала на запуск настройки коэффициента усиления измерительного напряжения на основании полученной от программируемого логического контроллера 16 через преобразователь интерфейса 19 команды управления. Причем первое контроллерное устройство 17 выполнено с возможностью формирования и передачи также в программируемый логический контроллер 16 сигнала об окончании настройки коэффициента усиления измерительного напряжения на основании соответствующего сигнала, поступившего из второго контроллерного устройства 18.

Второе контроллерное устройство выполнено с возможностью формирования и передачи в каскад 14 регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения указанного кода управления коэффициентом усиления при получении от первого микроконтроллерного устройства 17 указанного логического сигнала на запуск настройки коэффициента усиления измерительного напряжения, а также формирования и передачи в первое контроллерное устройство 17 сигнала об окончании настройки коэффициента усиления измерительного напряжения по достижению сигналом от выходного каскада 15 заданного уровня.

Согласно заявленному изобретению каскад 14 регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения содержит связанный с выходом второго контроллерного устройства 18 цифроаналоговый преобразователь 21, с подключенным к нему источником опорного напряжения 22, и перемножитель 23, связанный с выходом входного каскада 13, с выходом цифроаналогового преобразователя 21 и со входом выходного каскада 15. В цифроаналоговом преобразователе 21 на основе указанного кода управления коэффициентом усиления и опорного напряжения формируется управляющее напряжения, которое вместе с основным измерительным напряжением из входного каскада 13 поступают на перемножитель 23, который выполнен с возможностью формирования на основе их выходного измерительного напряжения, поступающего в выходной каскад 15.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При осуществление замера заслонка 4, приводимая в движение механизмом 5, открывается, и поток излучения I₀ от источника 3 ионизирующего излучения, находящегося в коллиматоре 2, проходя через расположенный в рабочем зазоре контролируемый листовой прокат 8 с толщиной d попадает в ионизационную камеру 10, расположенную в блоке детектирования ионизирующего излучения. Причем при прохождении излучения через листовой прокат 8 поток излучения I_d от источника 3 ионизирующего ослабляется, причем степень ослабления зависит от толщины d контролируемого материала. При этом величина U₀, называемая напряжением согласования, соответствует величине полного потока излучения I₀ при отсутствии контролируемого материала в рабочем зазоре.

Выходной ток ионизационной камеры I_d поступает во входной каскад 13 усилителя 12, где осуществляется преобразование электрического тока I_d от ионизационной камеры 10 в измерительное напряжение U_d с использованием высокоомных резисторов, после чего измерительное напряжение U_d передается на каскад 14 регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения, в котором происходит управляемое усиление сигнала измерительного напряжения . Далее, усиленный сигнал измерительного напряжения передается в выходной каскад 15, в котором происходит усиление сигнала измерительного напряжения по мощности, и далее в программируемый логический контроллер 16.

Регулирование коэффициента усиления измерительного напряжения U_d в каскаде 14 регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения осуществляется следующим образом.

Из внешнего управляющего устройства программируемого логического контроллера 16 по линии связи передачи команд управления через преобразователь интерфейса 19 команды управления поступают в первое микроконтроллерное устройство 17.

Для управления измерителем толщины как удаленным устройством разработана система управляющих команд, передаваемых по последовательному интерфейсу (см. фиг. 4). Одна из возможных числовых комбинаций во 2-м байте и указывает на необходимость начать подстройку коэффициента передачи.

На основании полученной команды первое микроконтроллерное устройство 17 формирует логический сигнал на запуск настройки коэффициента передачи. Данный сигнал поступает во второе микроконтроллерное устройство 18, которое формирует код управления в каскаде 14 регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения в соответствии с программой путем ступенчатого перебора коэффициента передачи.

Параметры масштабирующего каскада (количество ступеней настройки и шаг ступени) определяются техническим заданием от Заказчика, например, сто двадцать восемь ступеней усиления.

И так, на выводах второго микроконтроллерного устройства 18 выставляются управляющие коды, формируемые программно, которые поступают на логические входы цифроаналогового преобразователя 21 (см. фиг. 3). Максимальная величина управляющего напряжения U_{упр max} определяется величиной напряжения U_оп, которое формируется источником опорного напряжения 22. Основной измерительный сигнал U_d и напряжение управления U_упр, сформированное цифроаналоговым преобразователем 21, поступают на перемножитель 23.

Усиленный сигнал измерительного напряжения U'_d получается равным

= k ⋅ U_упр ⋅ U_d;

здесь k - коэффициент, зависящий от настройки перемножителя 22.

Таким образом, произведение k ⋅ U_упр и является изменяющимся коэффициентом усиления в каскаде 14 регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения.

Усиленный сигнал измерительного напряжения , несущий в себе информацию об основной измеряемой величине - толщине материала, поступает как в программируемый логический контроллер 16, так и в высокоточный 16-ти разрядный аналого-цифровой преобразователь 20. Данный аналого-цифровой преобразователь 20 опрашивается первым микроконтроллерным устройством 17, и измерительная информация через преобразователь интерфейса 19 пересылается в программируемый логический контроллер 16.

Такая схема позволяет работать как по цифровому сигналу, заранее сформированному в усилителе 12, так и обрабатывать аналоговый сигнал непосредственно в программируемом логическом контроллере.

Одновременно с этим, усиленный по мощности сигнал измерительного напряжения от выходного каскада 15 поступает на аналоговый вход второго микроконтроллерного устройства 16. Таким образом контролируется выходной сигнал усилителя и по достижении сигналом заданного уровня прекращается процедура настройки. На логическом выходе второго микроконтроллерного устройства 18 выставляется сигнал «Окончание настройки». Данный сигнал поступает в первое микроконтроллерное устройство 17 для передачи сообщения «Окончание настройки» в программируемый логический контроллер 16. Таким образом, программируемый логический контроллер 16 получает информацию об окончании настройки и о готовности к измерению.

Изобретение относится к измерительной техники, а именно к используемому в бесконтактных радиоизотопных толщиномерах листового проката блоку детектирования ионизирующего излучения. Блок детектирования ионизирующего излучения выполнен с возможностью подключения к программируемому логическому контролеру для автоматического регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения и включает в себя ионизационную камеру с высоковольтным блоком питания и усилитель. Усилитель содержит входной каскад, каскад регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения и выходной каскад, усиливающий мощность сигнала измерительного напряжения и передающий его в программируемый логический контролер. Блок детектирования ионизирующего излучения содержит первое контроллерное устройство и второе контроллерное устройство. Технический результат – повышение точности и упрощение регулирования усилением измерительного напряжения блока детектирования ионизирующего излучения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Блок детектирования ионизирующего излучения, выполненный с возможностью подключения к программируемому логическому контролеру для автоматического регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения и включающий в себя связанные между собой ионизационную камеру с высоковольтным блоком питания, принимающую излучение и преобразующую его в электрический ток, и усилитель, преобразующий указанный электрический ток в измерительное напряжение и усиливающий его, отличающийся тем, что усилитель содержит связанные последовательно входной каскад, обеспечивающий указанное преобразование электрического тока от ионизационной камеры в измерительное напряжение, каскад регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения и выходной каскад, усиливающий мощность сигнала измерительного напряжения и передающий его в программируемый логический контролер, причем блок детектирования ионизирующего излучения содержит связанные между собой первое контроллерное устройство, формирующее логический сигнал на запуск настройки коэффициента усиления измерительного напряжения, и второе контроллерное устройство, формирующее код управления коэффициентом передачи, причем первое контроллерное устройство связано с программируемым логическим контроллером через преобразователь интерфейса, второе контроллерной устройство - с каскадом регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения, а выходной каскад - со вторым контроллерным устройством, и через аналогово-цифровой преобразователь - с первым контроллерным устройством.

2. Блок по п. 1, отличающийся тем, что первое контроллерное устройство выполнено с возможностью формирования и передачи:

во второе контроллерное устройство указанного логического сигнала на запуск настройки коэффициента усиления измерительного напряжения на основании полученной от программируемого логического контроллера через преобразователь интерфейса команды управления,

а также в программируемый логический контроллер сигнала об окончании настройки коэффициента усиления измерительного напряжения на основании соответствующего сигнала, поступившего из второго контроллерного устройства,

а второе контроллерного устройство выполнено с возможностью формирования и передачи:

в каскад регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения указанного кода управления коэффициентом усиления при получении от первого контроллерного устройства указанного логического сигнала на запуск настройки коэффициента усиления измерительного напряжения и

в первое контроллерное устройство сигнала об окончании настройки коэффициента усиления измерительного напряжения по достижению сигналом от выходного каскада заданного уровня.

3. Блок по п. 1, отличающийся тем, что каскад регулирования коэффициента усиления измерительного напряжения содержит связанный со вторым контроллерным устройством цифроаналоговый преобразователь с подключенным к нему источником опорного напряжения и перемножитель, связанный с входным каскадом, с цифроаналоговым преобразователем и выходным каскадом, причем цифроаналоговый преобразователь выполнен с возможностью формирования на основе указанного кода управления коэффициентом усиления и опорного напряжения управляющего напряжения, которое вместе с основным измерительным напряжением из входного каскада поступает на перемножитель, формирующий на основе их выходное измерительное напряжение, поступающее в выходной каскад.