УСТРОЙСТВО ДОЛГОВРЕМЕННОГО НЕПРЕРЫВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ НЕИОНИЗИРУЮЩЕГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ПЛОТНОСТИ СУММАРНОЙ ЭНЕРГИИ
DEVICE FOR LONG-TERM CONTINUOUS MEASUREMENT OF POWER DENSITY OF NON-IONIZING ELECTROMAGNETIC RADIATION AND TOTAL ENERGY DENSITY

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к измерениям плотности мощности неионизирующего электромагнитного излучения и плотности суммарной энергии.
Из уровня техники известен дозиметр электромагнитного излучения, раскрытый в документе US 3783448 A (опубл. 01.01.1974). Устройство для измерения суммарного электромагнитного излучения и воздействия неионизирующего электромагнитного излучения включает в себя: поляризационно-нечувствительную антенну; кристаллический диод; и интегратор, имеющий анод, катод и электролитический зазор между анодом и катодом. Выходной сигнал кристаллического диода, приложенный к аноду и катоду, вызывает миграцию ионов электролита через электролитический зазор к аноду, пропорциональную заряду, проходящему от диода, для суммирования количества излучения, которому подвергается антенна в течение всего времени. При этом антенна напрямую связана с детектором на кристаллическом диоде, а детектор на кристаллическом диоде напрямую соединен с интегратором.
Недостатками данного дозиметра является невозможность накапливать данные за большой период измерений, небольшой диапазон измерения, а также отсутствие автономного источника электропитания.
Из уровня техники известна система измерения электромагнитного загрязнения, раскрытая в документе DE 29810794 U1 (опубл. 26.11.1998). Дозиметр состоит из небольшого пластикового корпуса карманного размера, в котором размещена печатная плата, антенна, прецизионный делитель напряжения, инструментальный усилитель, выпрямительный мост и фильтр. Электромагнитное поле индуцирует переменное напряжение в антенне, которое подается непосредственно на выпрямительный мост. Симметрично выпрямленное напряжение проходит через фильтр, устраняющий остаточное переменное напряжение, и на инструментальный усилитель, где напряжение усиливается.
Недостатками данного дозиметра также является невозможность накапливать данные за большой период измерений и небольшой диапазон измерения.
Из уровня техники известно устройство для экологического мониторинга вредного воздействия СВЧ излучения сотового телефона на организм человека, раскрытое в документе RU 65241 U1 (опубл. 27.07.2007). Устройство содержит последовательно включенные приемную антенну, детектор СВЧ излучения, блок измерения уровня СВЧ излучения, контроллер, выполненный в виде микропроцессора с возможностью задания санитарной нормы, и блок индикации превышения санитарной нормы. Кроме того, устройство содержит блок измерения продолжительности СВЧ излучения, включенный между выходом детектора СВЧ излучения и соответствующим входом контроллера, при этом последний выполнен с возможностью определения по выходным сигналам блоков измерения уровня и продолжительности СВЧ излучения накопленной во времени дозы вредного воздействия СВЧ излучения на организм человека и компарирования ее с санитарной нормой.
Недостатками данного дозиметра также является невозможность накапливать данные за большой период измерений и небольшой диапазон измерения.
Самым близким по технической сущности заявленному дозиметру является устройство, раскрытое в статье «МИКРОВОЛНОВАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ДОЗИМЕТРИЯ ПЕРСОНАЛЬНОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА», авторов Дмитриев А. С., Ицков В. В., Рыжов А. И. и Уваров А. В., опубликованной в журнале «ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ» 2020. Т. 9. № 1 (35). Данное устройство выбрано в качестве прототипа заявленному решению.
Указанное устройство содержит антенну, детектор, микроконтроллер, АЦП, встроенную память, часы реального времени, USB интерфейс, FLASH память, разъем USB, управляемый стабилизатор напряжения, драйвер питания и аккумулятор. При этом антенна выполнена печатной монопольной в интегральной компоновке с детектором радиоизлучения.
Однако антенна в указанном дозиметре имеет слабое согласование с детектором излучения в верхнем частотном диапазоне измерений.
Задачей настоящего устройства долговременного непрерывного измерения плотности мощности неионизирующего электромагнитного излучения и плотности суммарной энергии является устранение недостатков прототипа.
Технический результат заключается в обеспечении минимального рассогласования антенны и детектора в верхнем частотном диапазоне, при сохранении возможности измерения плотности мощности неионизирующего электромагнитного излучения и плотности суммарной энергии в гиперширокополосном диапазоне.
Устройство для долговременного непрерывного измерения плотности мощности неионизирующего электромагнитного излучения и плотности суммарной энергии в заранее заданной полосе частот, содержащее планарную антенну и блок детектирования, характеризующееся тем, что блок детектирования встроен в приемную поверхность планарной антенны, его взаимодействие с антенной осуществляется через высокочастотные поля и токи, при этом блок детектирования вместе с антенной образуют единую электродинамическую приемную структуру.
Объединение планарной антенны и блока детектирования в единую электродинамическую приемную структуру посредством встраивания блока детектирования в приемную поверхность антенны позволяет минимизировать рассогласование антенны и блока детектирования в верхнем частотном диапазоне измерений.
На фиг.1 изображена блок-схема дозиметра.
На фиг.1 обозначено: 1 – дозиметр, 2 – антенна, 3 – блок детектирования, 4 – блок обработки данных и их отображения, 5 – АЦП, 6 – встроенная память, 7 – часы реального времени, 8 – USB интерфейс, 9 – FLASH память, 10 – разъем USB, 11 – управляемый стабилизатор напряжения, 12 – драйвер питания, 13 – источник автономного питания, 14 – считывающее устройство.
Дозиметр персональный 1 содержит корпус, ненаправленную антенну 2, выполненную с возможностью работы в гиперширокополосном режиме, блок детектирования 3, блок обработки данных и их отображения 4, источник автономного питания 13 и драйвер питания 12. Блок обработки данных и их отображения может быть выполнен на базе микроконтроллера, к которому для хранения обработанных данных подключен накопитель данных в виде дополнительной FLASH памяти 9 и разъем micro-USB 10 для сопряжения со считывающим устройством 14.
Микроконтроллер содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, встроенную память 6, часы реального времени 7 и интерфейс USB 8 с разъемом 10, выполняющим функции блока связи с внешними источниками тока, вычислительными и коммуникационными устройствами. Корпус дополнительно снабжен светодиодным индикатором уровня заряда источника автономного питания 13.
В одном варианте осуществления антенна выполнена в виде сверхширокополосной дипольной печатной антенны. В другом варианте осуществления антенна может быть выполнена в виде сверхширокополосной монопольной печатной антенны.
Также антенна может быть выполнена в виде сверхширокополосной F-образной печатной антенны.
Блок детектирования выполнен с возможностью усиления, детектирования и фильтрации упомянутого высокочастотного тока в выходной однополярный сигнал, являющийся монотонной функцией мощности принимаемого электромагнитного излучения.
В одном варианте осуществления блок детектирования выполнен в виде последовательно включенных логарифмического усилителя и фильтра нижних частот.
В другом варианте осуществления блок детектирования выполнен в виде последовательно включенных квадратичного детектора, усилителя и фильтра нижних частот.
Блок обработки данных и их отображения выполнен с возможностью выдачи при запросе накопленных данных для любого интервала времени, как в форме текущей принимаемой мощности, так и в виде накопленной в упомянутом диапазоне суммарной энергии, а также осуществляющий программные настройки устройства в соответствии с выбранными условиями применения.
В корпусе также может быть размещен световой или звуковой индикатор для мгновенного информирования пользователя об уровне излучения.
Пример реализации устройства.
Основой дозиметра является гиперширокополосный приемник с рабочей полосой частот от 800 до 8000 МГц (отношение верхней рабочей частоты к нижней 10:1), динамическим диапазоном 55 дБ и чувствительностью около 3 нВт. Диапазон частот работы приемника перекрывает практически весь используемый и перспективный (относящийся к 5G до 6 ГГц) частотный диапазон работы современных систем мобильной связи, кроме малоиспользуемого в настоящее время диапазона частот ниже 800 МГц.
Приемник состоит из печатной антенны, в приемную поверхность которой встроен блок детектирования. Получившаяся  электродинамическая приемная структура позволяет измерять напряженность электромагнитного поля во всех направлениях и в гиперширокополосном режиме и имеет минимальное рассогласование антенны и детектора в верхнем частотном диапазоне.
Гиперширокополосный приемник с периодичностью 1 раз в секунду измеряет мощность поступающего на антенну электромагнитного микроволнового сигнала и записывает ее в память. Эти данные могут быть непосредственно выведены на экран подключаемого к дозиметру компьютера (ноутбука, планшета, смартфона), и тогда имеется возможность в режиме реального времени наблюдать динамику изменения мощности принимаемого сигнала. После накопления в течение 1 мин отсчетов суммарная энергия записывается в постоянную энергонезависимую память, и такие данные могут записываться в течение длительного времени. Максимальное время записи составляет более 6 мес. Эти данные или любые их фрагменты также могут выводиться в виде графиков на монитор.
Связь дозиметра персонального с компьютером, планшетом или смартфоном осуществляется через USB-интерфейс. Через него же производится зарядка аккумулятора от внешнего вычислительного устройства или от сети 220 В.
Каждый экземпляр дозиметра персонального имеет уникальный номер. Реализована возможность задания и считывания индивидуального номера каждого дозиметра персонального, что позволяет обрабатывать данные нескольких дозиметров на одном устройстве считывания (ПК, планшет, телефон), а также удаленно хранить персональную статистику по многим устройствам, например в облаке. В устройстве предусмотрена синхронизация календаря и текущего времени со считывающим устройством при подключении по интерфейсу USB для привязки полученной дозы излучения к абсолютному времени.
Устройство работает следующим образом.
При первой подаче питания или очередном пробуждении запускается контроллер настроек, где происходит конфигурация портов ввода-вывода. После этого происходит проверка на наличие внешнего питания, при положительном результате запускается высокоскоростной внутренний источник тактирования для инициализации USB. В случае отсутствия внешнего питания запускается более медленный, но в то же время более экономный внутренний мультискоростной генератор и устройство переходит в автономный режим работы. Если это первое включение, то устройство запускает внешний часовой кварц и часы реального времени. При автономной работе в этот момент времени запускается АЦП, что отображается включением зеленого светодиода на боковой панели устройства. Далее устройство находится в режиме ожидания.
В случае срабатывания прерывания об окончании получения данных на АЦП, что отображается выключением зеленого светодиода на боковой панели устройства, происходит обработка этих данных и суммирование с предыдущими значениями. Далее происходит проверка внутреннего счетчика. В регистры микроконтроллера записывается новая информация об указателе на адрес последних данных во FLASH-памяти, где эти данные находятся в сохранности во время пребывания устройства в режиме сна.
В случае срабатывания прерывания таймера происходит запуск АЦП, что отображается включением зеленого светодиода на боковой панели устройства, и проверка на наличие внешнего питания. При отсутствии внешнего питания устройство переходит в автономный режим работы и переходит в режим ожидания. При наличии внешнего питания устройство сразу переходит в состояние ожидания.
В случае поступления по интерфейсу USB данных от считывающего устройства дозиметр персональный обрабатывает их и, в зависимости от запроса, формирует ответную посылку данных. Во время сессии связи через специальное программное обеспечение на считывающем устройстве возможно задание индивидуального номера дозиметра персонального, синхронизация абсолютного времени, считывание произвольного фрагмента памяти устройства, чтение и запись указателя, удаление страниц во FLASH-памяти. После сессии дозиметр персональный переходит в режим ожидания.