Устройство для линеаризации характеристики прибора

Полезная модель относится к приборостроению, в частности к средствам неразрушающего контроля, и может быть использована в схемах радиоизотопных измерительных приборов абсорбционного типа. Применение полезной модели позволяет упростить схему прибора и его настройку при заданной таблично нелинейной градуировочной характеристике измерителя.
Известно устройство для линеаризации характеристики радиоизотопного прибора, содержащее счетчик импульсов, цифровой функциональный преобразователь, воспроизводящий функцию взаимообратную градуировочной характеристике прибора, и цифровой фильтр, выход которого является выходом устройства (Водовозов А.М. Линеаризация статической характеристики радиоизотопного плотномера// Измерительная техника, 2018, № 9, с. 66-69).
Недостатком такого устройства является сложность реализации, вызванная ограниченным интервалом дискретизации. За этот интервал необходимо вычислить сложные функции, описываемые алгебраическими многочленами высокого порядка, а также выполнить операции по цифровой фильтрации сигнала. Даже при использовании микропроцессорной техники это требует значительных вычислительных ресурсов.
Известно также устройство для линеаризации характеристики прибора, содержащее последовательно соединенные времяимпульсный преобразователь, вход которого является входом устройства, цифровой функциональный преобразователь и цифровой фильтр, выход которого является выходом устройства. При этом нелинейное преобразование в цифровом функциональном преобразователе выполняется на основе описания функции аппроксимирующим многочленом с учетом экспоненциального распределения интервалов времени между импульсами входного сигнала (Vodovozov A.M. Nonlinear Pulse-Time Conversion in Radioisotope Devices: Analysis and Application Possibilities. Devices and Methods of Measurements. 2021, vol. 12, no. 2, pp. 133-138).
Недостатки такого устройства обусловлены тем, что обработка сигналов в нем должна выполняться в режиме реального времени, а интервалы дискретизации устройства определяются случайными моментами поступления импульсов полезного сигнала на его вход. Поэтому сложность реализации устройства существенно возрастает при использовании аппроксимирующих многочленов и цифровых фильтров высокого порядка. При этом существенно усложняется и настройка устройства по заданной множеством точек градуировочной характеристике прибора.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для линеаризации характеристики радиоизотопного прибора, содержащее времяимпульсный преобразователь, объединенный с компаратором, и измеритель средней частоты следования импульсов, выход которого является выходом устройства (RU 211396 U1, МПК G01B 15/00, G01R 23/00, G05F 5/08, 08.02.2022).
Недостатком такого устройства являются его низкие технико-эксплуатационные характеристики, обусловленные сложностью схем времяимпульсного преобразователя и компаратора, работающих во временной области. При этом для настройки устройства необходимо варьировать уставку компаратора, выполняющего сравнение сигналов в режиме реального времени.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, заключается в улучшении технико-эксплуатационных характеристик устройства для линеаризации характеристики радиоизотопного прибора абсорбционного типа.
Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в упрощении схемы и конструкции устройства линеаризации характеристики радиоизотопного измерительного прибора абсорбционного типа и упрощение его настройки.
Технический результат достигается за счет того, что в устройство, содержащее времяимпульсный преобразователь с компаратором и измеритель средней частоты следования импульсов, выход которого является выходом устройства, дополнительно включен генератор тактовых импульсов с регулируемой частотой, а времяимпульсный преобразователь в совокупности с компаратором выполнен как соединение двухступенчатого D-триггера и логического элемента И, причем входом устройства является вход сброса D-триггера, на D-вход которого подан единичный логический сигнал, выход генератора тактовых импульсов соединен с входом синхронизации D-триггера и с первым входом логического элемента И, выход D-триггера соединен со вторым входом логического элемента И, а выход логического элемента И соединен с входом измерителя средней частоты следования импульсов.
Заявленное устройство обеспечивает получение линейной характеристики радиоизотопного измерителя и, по сравнению с прототипом, имеет более простую в реализации и настройке схему.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется графически (фиг.1-2). На фиг. 1 изображена схема устройства для линеаризации характеристики прибора, на фиг. 2 приведены временные диаграммы его работы.
Устройство (фиг. 1) содержит генератор тактовых импульсов 1, двухступенчатый D-триггер 2, логический элемент И 3 и измеритель средней частоты 4. Входом устройства является вход сброса R D-триггера 2, на D-вход которого подан единичный логический сигнал. Выход генератора тактовых импульсов 1 соединен с входом синхронизации С D-триггера 2 и с первым входом логического элемента И 3, выход D-триггера 2 соединен со вторым входом логического элемента И 3, а выход логического элемента И 3 соединен со входом измерителя средней частоты следования импульсов 4. Выход измерителя средней частоты следования импульсов является выходом устройства.
Заявляемое устройство для линеаризации характеристики прибора работает следующим образом.
x
a
b
Абсорбционный радиоизотопный прибор использует ослабление ионизирующего излучения при прохождении его через объект контроля. Он формирует на своем выходе стохастический поток импульсов, интенсивность которого λ связана с контролируемым технологическим параметром градуировочной характеристикой прибора. Для приборов абсорбционного типа эта характеристика имеет падающий характер и может быть описана логарифмической зависимостью , где:  - контролируемый технологический параметр (толщина, плотность и пр.), а переменные  и  рассчитываются путем аппроксимации данных, полученных экспериментально при снятии градуировочной характеристики прибора на контрольных образцах.
K
Стохастический поток импульсов на выходе радиоизотопного прибора считается пуассоновским потоком, для которого распределение числа импульсов , фиксируемых за интервал времени Т, подчиняется закону Пуассона
p(K,T)
K
Т
где  - вероятность появления  импульсов за время .
f(t)
f
T=1/f
f(t)
q(t)
В предлагаемом устройстве генератор импульсов 1 формирует поток импульсов  с частотой и периодом  (фиг 2), поступающий на вход синхронизации С двухступенчатого D-триггера 2, на D-вход которого подал единичный логический сигнал «1». и на первый вход логического элемента И 3. С приходом каждого импульса сигнала , по его заднему фронту D-триггер устанавливается в единичное состояние, передавая сигнал  (фиг 2) на логический элемент И 3..
(t)
g(t)
T
(t)
Поток импульсов λ с интенсивностью λ (фиг. 2) поступает на вход сброса R двухступенчатого D-триггера 2, сбрасывая его в нулевое состояние. Импульс сигнала  появляется на выходе логического элемента И только при условии, что за интервал времени  в сигнале λ не появится ни одного импульса.
g(t)
T
Частота следования импульсов сигнала  на выходе логического элемента И определяется значением и вероятностью отсутствия импульсов в пуассоновском потоке за этот интервал времени:
g(t)
Импульсы  поступают на измеритель средней частоты следования импульсов 4.
Выходной сигнал измерителя средней частоты пропорционален частоте g
k
где - коэффициент пропорциональности измерителя.
х
При  зависимость выходного сигнала измерителя от контролируемого параметра  линейна во всем диапазоне изменения переменной .
Реализация заявляемой схемы устройства значительно проще схемы-прототипа. Настройка схемы с целью обеспечения линейности характеристики радиоизотопного прибора абсорбционного типа сводится к регулировке частоты генератора тактовых импульсов.