Датчик радиации

Полезная модель относится к технической области измерений физических величин, в частности к измерительным приборам уровня радиации окружающей среды, и может быть использована в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI.
Известен датчик радиации, содержащий детектор излучения в виде счетчика Гейгера, модуль питания, микроконтроллер, датчик снабжен согласующим трансформатором, первичная обмотка которого последовательно соединена со счетчиком Гейгера, и подключен к высоковольтному преобразователю, выводы вторичной обмотки посредством двухпроводной линии связи соединены с входами компаратора, выход которого соединен с входом Т-триггера, выход которого соединен с одним из входов микроконтроллера, при этом коэффициент трансформации выбран таким, чтобы обеспечить согласование высокого внутреннего сопротивления счетчика Гейгера с низким волновым сопротивлением линии связи (патент РФ №2674119 С1, опубл. 04.12.2018).
Упомянутый аналог в достаточной степени функционален и надежен. К его недостаткам следует отнести недостаточную компактность, а также невозможность его интегрирования в распределенные цифровые системы экологического мониторинга на базе объектов освещения (дорожного, городского, сельского и т.п.) с использованием профильного для них протокола DALI ввиду отсутствия у него соответствующего интерфейса.
Наиболее близким к заявленному - прототипом - является датчик радиации, содержащий последовательно соединенные газоразрядный счетчик Гейгера (блок из четырех счетчиков Гейгера типа СИ-37Г), снабженный высоковольтным источником питания, и преобразователь электрических сигналов счетчика Гейгера в цифровую форму (преобразователь электрических сигналов счетчика Гейгера в цифровую форму реализован на базе компаратора напряжения) и процессор (в качестве процессора использован ноутбук модели Тошиба-1805 с встроенным интерфейсом RS-232), снабженные низковольтным источником питания (патент РФ №2209446 С1, опубл. 27.07.2003).
Упомянутый прототип вполне функционален и прост в изготовлении и обслуживании, однако обладает существенным недостатком - он не может быть интегрирован в распределенные цифровые системы экологического мониторинга на базе объектов наружного освещения (дорожного, городского, сельского и т.п.) с использованием профильного для них протокола DALI ввиду отсутствия у него соответствующего интерфейса. Информационно: такая распределенная цифровая система мониторинга реализована в рамках программы КУЛОН ООО «Сандракс» (www.kulon.su [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.kulon.su/catalog/products-QULON/, свободный - (10.03.2022). К преимуществам использования системы управления освещением в целях экологического мониторинга следует отнести собственно ее наличие практически повсеместно (нет необходимости создавать сеть заново), весьма широкую и плотную разветвленность, удобство размещения соответствующих датчиков на опорах, кронштейнах, панелях и т.п. освещения, ее надежность и помехозащищенность.
Технической проблемой является устранение отмеченных недостатков известных технических решений.
Технический результат заключается в обеспечении возможности использования датчика радиации в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI.
Проблема решается, а технический результат достигается тем, что датчик радиации, содержащий последовательно соединенные газоразрядный счетчик Гейгера, снабженный высоковольтным источником питания, преобразователь электрических сигналов счетчика Гейгера в цифровую форму и блок вычисления, снабженные низковольтным источником питания, снабжен интерфейсной шиной, включающей положительный провод DALI+ и отрицательный провод DALI-, объединенный с схемной землей, а блок вычисления выполнен в виде микроконтроллера с интерфейсными входом с включенным встроенным подтягивающим резистором и выходом, снабжен входным и выходным транзисторными ключами, из которых входной ключ выполнен на биполярном n-р-n транзисторе, коллектор которого соединен с интерфейсным входом микроконтроллера с включенным встроенным подтягивающим резистором, эмиттер соединен с проводом DALI- интерфейсной шины, при этом эмиттерный переход транзистора шунтирован резистором, включенным между эмиттером и базой, а база соединена через последовательно включенные токоограничивающий резистор и стабилитрон с проводом DALI+ интерфейсной шины, а выходной ключ выполнен на полевом транзисторе n-типа, сток которого соединен с проводом DALI+ интерфейсной шины, исток соединен с проводом DALI- интерфейсной шины, а затвор соединен с интерфейсным выходом микроконтроллера.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема заявленного датчика радиации.
Цифровые позиции на чертеже означают следующее:
1 - интерфейсный провод DALI+;
2 - интерфейсный провод DALI-, объединенный со схемной землей GND;
3 - схемная земля (GND);
4 - шина интерфейса;
5 - газоразрядный счетчик Гейгера;
6 - преобразователь электрических сигналов счетчика Гейгера в цифровую форму (компаратор напряжения);
7 - микроконтроллер;
8 - вход микроконтроллера;
9 - низковольтный источник питания;
10 - высоковольтный источником питания;
11 - вход преобразователя электрических сигналов счетчика Гейгера в цифровую форму;
12 - выход преобразователя электрических сигналов счетчика Гейгера в цифровую форму;
13 - входной транзисторный ключ;
14 - биполярный n-p-n транзистор;
15 - резистор, шунтирующий эмиттерный переход биполярного транзистора;
16 - токоограничивающий резистор;
17 - стабилитрон;
18 - выходной транзисторный ключ;
19 - полевой транзистор n-типа;
20 - резистор фиксации нулевого уровня;
21 - встроенный подтягивающий резистор (PULL-UP) входа микроконтроллера;
22 - разделительный конденсатор;
23 - нагрузочное сопротивление.
В соответствии с заявленной полезной моделью, датчик радиации содержит последовательно соединенные газоразрядный счетчик Гейгера (далее - счетчик) 5 и преобразователь электрических сигналов счетчика Гейгера в цифровую форму - компаратор напряжения (далее - компаратор) 6 и блок вычисления (далее - микроконтроллер) 7. Компаратор 6 и микроконтроллер 7 запитаны от низковольтного источника 9 (5 В, постоянный ток), а счетчик 5 запитан от высоковольтного источника 10 (300 В - 400 В постоянного тока). На чертеже высоковольтный источник 10 в качестве возможного примера реализации представлен как DC-DC повышающий преобразователь напряжения от источника 9. Для измерения уровня радиационного фона используются как газоразрядные, так и полупроводниковые счетчики Гейгера. При этом полупроводниковые счетчики, работают по фотодиодному принципу и не требуют для своей работы наличия высоких напряжений, но имеют малый объем активного вещества (полупроводника) и, соответственно, малый охват радиационного поля. Газоразрядные счетчики обладают существенно большим объемом, хотя и требуют для своей работы высоких рабочих напряжений. Наиболее распространенные газоразрядные счетчики типа СБМ-20 имеют очень большой активный объем и соответственно обеспечивают быстрое накопление результата, но при этом они имеют большие размеры, затрудняющие их использование в малогабаритной аппаратуре. Для заявленного датчика радиации в качестве компромиссного варианта рекомендован более компактный счетчик СБМ-21. Микроконтроллер 7 рекомендуется использовать типа STM32, поскольку имея интерфейсный вход с включаемым встроенным подтягивающим резистором, он может быть адаптирован для взаимодействия с вышестоящим контроллером по протоколу DALI описанным ниже образом. Соответственно, в качестве интерфейса использован интерфейс DALI, реализованный в шине 4, включающей первый 1 интерфейсный провод DALI+ и второй 2 интерфейсный провод DALI-, объединенный с схемной землей GND 3. Микроконтроллер 7 типа STM32, имеющий интерфейсные вход с встроенным подтягивающим резистором PULL-UP 21 и выход, снабжен взаимодействующими с ними входным 13 и выходным 18 транзисторными ключами. Входной ключ 13 выполнен на биполярном n-р-n транзисторе 14, эмиттер (здесь и далее называемые элементы транзисторов соответствуют их стандартным символам на обозначениях, использованных на представленном чертеже) которого соединен с вторым 2 проводом шины 4, коллектор соединен с интерфейсным входом микроконтроллера 7 с включенным встроенным подтягивающим резистором PULL-UP 21, а эмиттер соединен с вторым проводом 2 упомянутой шины 4, при этом эмиттерный переход транзистора 14 шунтирован резистором 15, включенным между эмиттером и базой, а база соединена через последовательно включенные токоограничивающий резистор 16 и стабилитрон 17 (информационно: последовательность установки резистора 16 и стабилитрона 17 друг за другом не существенна) с первым проводом 1 упомянутой шины 4. Выходной ключ 18 выполнен на полевом транзисторе n-типа 19, сток которого соединен с первым 1 проводом шины 4, исток соединен с вторым 2 проводом шины 4, а затвор соединен с интерфейсным выходом микроконтроллера 7.
Заявленный датчик радиации работает следующим образом.
Газоразрядный счетчик Гейгера 5 через нагрузочный резистор 23 запитывается высоким напряжением от высоковольтного источника питания 10, излучение, поступающее на счетчик 5 из окружающей среды, формирует в нем разряды, поступающие в виде импульсных сигналов через разделительный конденсатор 22 на вход 11 и фиксируемые компаратором 6, сигналы с выхода 12 которого подаются на вход 8 микроконтроллера 7. Микроконтроллер 7 подсчитывает число разрядов за определенное время, а сам при этом работает под управлением вышестоящего контроллера (не показан), общаясь с ним по шине DALI описанным ниже образом и передавая ему измеренные значения радиационного фона. Низковольтный источник питания 9 обеспечивает питанием все узлы устройства. Поскольку в датчике радиации используется высокое напряжение (порядка 300-400 В), поступающее на счетчик 5 от высоковольтного источника питания 10, применяемая схема подключения счетчика 5 с заземлением его корпуса повышает безопасность эксплуатации, снижая вероятность поражения высоким напряжением. Датчик радиации (множество датчиков радиации) устанавливается на элементах осветительной инфраструктуры, преимущественно на опорах дорожного освещения. Опрос и сбор данных датчика радиации (множества датчиков радиации) осуществляется через интерфейс DALI с вышестоящего контроллера (не показан), осуществляющего одновременно и функцию управления освещением. Напомним, что интерфейс DALI представляет собой двунаправленный двухпроводный цифровой интерфейс, ориентированный для преимущественного использования в осветительной технике. DALI провода (DALI+ и DALI-) запитываются извне специальным источником питания 12-22 В с функцией ограничения тока, нормированного по величине в пределах, оговоренных в стандарте (0,25 А). По DALI проводам 1 и 2 между вышестоящим контроллером и микроконтроллером 7 датчика радиации двунаправленно передаются битовые потоки данных. В свою очередь, счетчик 5 соответственно измеряет уровень радиации окружающей среды. Как отмечалось выше, микроконтроллер 7 через компаратор 6 считывает показания счетчика 5, а сам при этом работает под управлением вышестоящего контроллера (не показан), общаясь с ним по шине 4 DALI посредством входного транзисторного ключа 13 и передавая ему измеренные значения уровня радиации окружающей среды посредством выходного транзисторного ключа 18. Как указывалось выше, в выходной транзисторный ключ 18 входит полевой транзистор 19 n-типа. При поступлении на затвор транзистора 19 ключа 18 от микроконтроллера 7 высокого уровня, ключ 18 открывается и замыкает провод DALI+ на GND, формируя низкий уровень на шине 4. Поскольку источник питания шины 4, как указывалось выше, имеет нормированное ограничение по току, то ток, протекающий через ключ 18, также нормирован по величине. При поступлении на затвор ключа 18 от микроконтроллера 7 низкого уровня, ключ 18 закрывается и размыкает провода DALI+ и GND, на шине 4 формируется высокий уровень. Соответственно, последовательность высоких и низких уровней (битов) образует последовательный двоичный код. Сам битовый поток формируется микроконтроллером 7. В входной ключ 13 входит биполярный n-p-n транзистор 14. При низком уровне на проводе DALI+ напряжение на базе транзистора 14 ключа 13 также низкое, ключ 13 закрыт, и на интерфейсном входе микроконтроллера 7, имеющем включенную подтяжку к высокому уровню (включенный встроенный подтягивающий резистор PULL UP 21), наличествует высокий уровень. При высоком уровне на проводе DALI+, превышающем сумму напряжения стабилизации стабилитрона 17 и падения напряжения на эмиттерном переходе ключа 13, через входную цепь ключа 13 течет базовый ток, ключ 13 открыт, и на интерфейсном входе микроконтроллера 7 формируется низкий уровень. Обработка принимаемого битового потока так же осуществляется микроконтроллером 7.
Проведенные натурные эксперименты и результаты компьютерного моделирования показали, что сформированный заявленным образом в датчике радиации двунаправленный цифровой интерфейс позволяет использовать заявленный датчик (множество датчиков) в распределенных цифровых системах мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI, обеспечивая требуемое качество измерений.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что выявленная проблема решена, а заявленный технический результат - обеспечение возможности использования датчика радиации в распределенных цифровых системах экологического мониторинга на базе объектов освещения с использованием профильного для них протокола DALI - достигнут.