МОБИЛЬНОЕ РАДИОУСТРОЙСТВО С ДОЗИМЕТРОМ-РАДИОМЕТРОМ

Настоящая полезная модель относится к дозиметрам-радиометрам, то есть к устройствам, служащим для контроля поверхностей и предметов, которые потенциально могут быть загрязнены гамма-, альфа- и бета-излучающими нуклидами. В частности, к мобильным устройствам, которые дополнительно содержат детекторы излучения, то есть блоки, измеряющие число частиц, пересекающих в единицу времени площадь специального узла детектирования.
Широко известны дозиметры-радиометры на основе счетчика Гейгера-Мюллера - очень популярного детектора ионизирующего излучения (http://www.youtube.com/watch?v=UZopH8xpi1w). К таким дозиметрам-радиометрам относятся, в частности, устройства, описанные в патентах US №4672544 G01T 1/18, G01T 1/22 от 12.08.1983, EP №0881507 G01T 1/169, G01T 7/00 от 28.05.1997. Такие устройства содержат в своем составе источник высокого напряжения, счетчик Гейгера-Мюллера и выходной усилитель-формирователь, выходной сигнал которого используется для индикации излучения.
Однако эти устройства не позволяют проводить оперативную передачу информации об обнаружении радиоактивного загрязнения.
Известно устройство, описанное в полезной модели RU №109625 H04M 1/22, от 24.06.2011. Известное устройство представляет собой мобильное радиоустройство с дозиметром-радиометром, содержащее измерительный блок, содержащий детектор излучения и блок сопряжения, и мобильное радиоустройство, в корпусе которого, размещен блок питания, выполненный с возможностью подачи питающих напряжений ко всем электронным узлам и блокам, расположенным в корпусе мобильного радиоустройства, процессор, соответствующие входы и выходы которого соединены с радиоблоком и с блоком памяти, а также блок индикации, вход которого подключен к соответствующему выходу процессора, и клавиатура, подключенная к соответствующему входу процессора. В состав известного устройства входит также усилитель, вход которого подключен к выходу детектора излучения, а выход через блок сопряжения соединен с процессором.
В отличие от других известных устройств, это устройство позволяет проводить оперативную передачу информации об обнаружении радиоактивного загрязнения, используя для этого радиоблок.
Устройство может быть реализовано на основе обычного мобильного телефона, однако такая реализация, несомненно, вызовет значительные технические трудности,, потому что ввод информации от детектора излучения в процессор мобильного телефона потребует доступ к информационной шине процессора, возможность чего существует не во всех моделях мобильных телефонов и характеризуется разнообразием используемых протоколов в разных моделях мобильных телефонов. Кроме того, потребуется источник питания для усилителя и блока сопряжения. Все это сильно затрудняет аппаратурную реализацию прототипа и требует производства многих ее вариантов для разных моделей мобильных телефонов.
Известно устройство, описанное в полезной модели RU №118076, G01T 1/18, G01T 7/08 (2006.01), от 01.02.2012, далее - прототип. Данное устройство является ближайшим аналогом к заявляемой полезной модели.
Прототип содержит измерительный блок, содержащий последовательно включенные повышающий трансформатор, выпрямитель, детектор излучения, формирователь импульсов, и блок сопряжения, а также мобильное радиоустройство, в корпусе которого, размещен блок питания, выполненный с возможностью подачи питающих напряжений ко всем электронным узлам и блокам, расположенным в корпусе мобильного радиоустройства. В состав мобильного радиоустройства входит также процессор, соответствующие входы и выходы которого соединены с радиоблоком и с блоком памяти, блок индикации, вход которого подключен к соответствующему выходу процессора, клавиатура, подключенная к соответствующему входу процессора, а также аудиоблок, соединенный с процессором. Аудиовыход аудиоблока подключен к входу измерительного блока, который является входом повышающего трансформатора, а вход микрофона аудиоблока соединен с выходом измерительного блока, который является выходом блока сопряжения.
Прототип обеспечивает создание более простого и удобного в использовании мобильного устройства на базе мобильного телефона, за счет возможности использования этой полезной модели с более широким ассортиментом сотовых телефонов, т.к. подключение к ним осуществляется через универсальное для большинства телефонов аудиогнездо, а так же за счет ее упрощения по сравнению с полезной моделью по патенту № RU 109625.
Это достигается за счет того, что подключение к мобильному телефону осуществляется через аудиогнездо телефона, которое имеется практически на всех мобильных телефонах, как правило, типа JACK AUDIO, что позволяет подключать заявляемое устройство практически к любому мобильному телефону. Можно одно устройство подключать к телефонам разных производителей.
Недостаток известной полезной модели - низкая надежность работы. Это связано с тем, что разные модели телефонов (смартфоны) в разных странах имеют разную разрешенную мощность аудиовыхода, причем это различие может быть, весьма существенным и достигать нескольких раз. Кроме того, по мере разряда аккумулятора уровень выходного аудиосигнала так же может изменяться. Изменение уровня аудиосигнала приводит к изменению напряжения питания детектора излучения, что может привести к его неработоспособности, и - как следствие этого к снижению надежности работы устройства. Кроме того, изменение рабочей температуры и влажности окружающей среды также приведет к снижению надежности работы устройства, вследствие изменения токов утечки элементов и платы, что также приведет к изменению напряжения питания детектора излучения.
Предметом настоящей полезной модели является мобильное радиоустройство с дозиметром-радиометром, содержащее измерительный блок, содержащий последовательно включенные повышающий трансформатор, выпрямитель, детектор излучения, формирователь импульсов и блок сопряжения, и мобильное радиоустройство, в корпусе которого размещен блок питания, выполненный с возможностью подачи питающих напряжений ко всем электронным узлам и блокам, расположенным в корпусе мобильного радиоустройства, процессор, соответствующие входы и выходы которого соединены с радиоблоком и с блоком памяти, блок индикации, вход которого подключен к соответствующему выходу процессора, и клавиатура, подключенная к соответствующему входу процессора, а также аудиоблок, подключенный к процессору, вход аудиоблока соединен с первым выходом блока сопряжения, или эта связь отсутствует, при этом в состав измерительного блока введены последовательно включенные преобразователь напряжения и генератор, а также последовательно включенные делитель напряжения и аналогоцифровой преобразователь, причем выход аудиоблока соединен с входом преобразователя напряжения, или эта связь отсутствует, а вход преобразователя напряжения соединен с введенным аккумулятором, выход генератора соединен с входом повышающего трансформатора, вход делителя напряжения соединен с выходом выпрямителя, а выход аналогоцифрового преобразователя соединен с вторым входом блока сопряжения, второй выход блока сопряжения соединен со вторым входом импульсного генератора, и при отсутствии связи между входом аудиоблока и первым выходом блока сопряжения, вводится радиоблок, соединенный с третьим выходом блока сопряжения.
Частными существенными признаками предлагаемой полезной модели являются следующие:
- все элементы, входящие в состав измерительного блока размещены в едином корпусе.
Задачей настоящей полезной модели является повышение надежности работы мобильного радиоустройства с дозиметром - радиометром при использовании разных телефонов (смартфонов) и в различных климатических условиях.
Суть предлагаемого технического решения поясняется на фиг. 1, где представлена обобщенная структурная схема заявляемой полезной модели.
На фиг. 1 использованы следующие обозначения: 1 - блок питания, 2 - аудиоблок, 3 - повышающий трансформатор, 4 - блок сопряжения, 5 - клавиатура, 6 - процессор, 7 - блок памяти, 8 - блок индикации, 9 - выпрямитель, 10 - детектор излучения, 11 - формирователь импульсов, 12 - радиоблок, 13 - генератор, 14 - аналогоцифровой преобразователь (АЦП), 15 -делитель напряжения, 16 - аккумулятор, 17 - радиоблок, преобразователь напряжения 18.
Рассматриваемое мобильное радиоустройство с дозиметром-радиометром, содержит измерительный блок и мобильное радиоустройство (телефон). В корпусе измерительного блока размещены последовательно соединенные преобразователь напряжения 18, генератор 13, повышающий трансформатор 3, выпрямитель 9, детектор излучения 10, формирователь импульсов И, блок сопряжения 4, аналогоцифровой преобразователь 14 и делитель напряжения 15, а также аккумулятор 16 соединенный с вторым входом преобразователя напряжения 18, выполненного с возможностью подачи питающих напряжений ко всем электронным узлам и блокам, расположенным в корпусе измерительного блока, радиоблок 17 соединенный с вторым выходом блока сопряжения 4. В корпусе мобильного радиоустройства размещен блок питания 1, выполненный с возможностью подачи питающих напряжений ко всем электронным узлам и блокам, расположенным в корпусе мобильного радиоустройства, процессор 6, соответствующие входы и выходы которого соединены с радиоблоком 12 и с блоком памяти 7, блок индикации 8, вход которого подключен к соответствующему выходу процессора 6, и клавиатура 5, подключенная к соответствующему входу процессора 6, а также аудиоблок 2, подключенный к процессору 6. Выход аудиоблока 2 соединен с первым входом преобразователя напряжения 18, а вход аудиоблока 2 соединен с первым выходом блока сопряжения 4. Выход выпрямителя 9 соединен с входом делителя напряжения 15. Третий выход блока сопряжения 4 соединен со вторым входом генератора 13.
Мобильное радиоустройство с входящими в его состав блоком питания 1, аудиоблоком 2, клавиатурой 5, процессором 6, блоком памяти 7, блоком индикации 8, радиоблоком 12 и аудиоблоком 2 представляет собой обычный мобильный телефон (смартфон), блок 7 памяти которого позволяет производить введение дополнительных программ работы, а клавиатура 5 позволяет переходить на эти программы работы и возвращаться к выполнению стандартных программ.
Повышающий трансформатор 3 - широко распространенный элемент, используемый в серийных фотоаппаратах с лампами - вспышками.
Выпрямитель 9 может состоять из диода и конденсатора, либо может быть выполнен по схеме умножения напряжения, для получения более высокого напряжения.
Детектор 10 излучения может быть выполнен на основе счетчика Гейгера-Мюллера - очень популярного детектора ионизирующего излучения http://www.youtube.com/watch?v=UZopH8xpi1w). Такой же детектор используется в указанных выше аналогах данной полезной модели: патентах US №4672544 G01T 1/18, G01T 1/22 от 12.08.1983, ЕР №0881507 G01T 1/169, G01T7/00 от 28.05.1997.
Формирователь 11 импульсов в простейшем случае может состоять из одного конденсатора, используемого в качестве переходного между детектором излучения и блоком сопряжения, т.к. выходным сигналом газоразрядного счетчика Гейгера - Мюллера являются импульсы напряжения. Либо он может быть выполнен на логических элементах, или транзисторах - для формирования импульсов заданной амплитуды и длительности, например формирователь импульсов на транзисторе Т1, конденсаторе С1 и резисторах R1 и R2 - см. фиг. 2.
Блок сопряжения 4 может быть выполнен на микроконтроллере, например на микросхеме STM8L151G6U6 - см. фиг. 3. Блок сопряжения 4 содержит микроконтроллер 19, вход которого подключен к формирователю импульсов 11, а выходы - к генератору 13, к радиоблоку 17 и через делитель напряжения R3/R4 к микрофонному входу аудиоблока 2. Делитель напряжения на резисторах R3 и R4 необходим для уменьшения амплитуды импульсов до требуемой, для подачи на микрофонный вход телефона.
АЦП 14 может быть выполнено на микросхеме аналогоцифрового преобразователя, либо может быть использовано АЦП входящее в состав микроконтроллера, используемого в блоке сопряжения 4, например на микросхеме STM8L151G6U6.
В качестве делителя напряжения 15 может быть использован обычный делитель напряжения на двух резисторах.
В качестве радиоблока 17 может быть использован Bluetooth-модуль, например BLE112.
Преобразователь напряжения 18 может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг. 4. Преобразователь напряжения 18 содержит последовательно включенные трансформатор 20, выпрямитель 21 и стабилизатор 22, например на микросхеме МСР1700Т-3002Е/ТТ. Напряжение с выхода стабилизатора 22 используется для питания блоков 4, 11, 14, 17 и 13. Входное напряжение для преобразователя напряжения 18 поступает с аудиовыхода аудиоблока 2.
В качестве элемента, обеспечивающего соединение и разъединение мобильного радиоустройства и измерительного блока может быть использован штекер JACK AUDIO. Такие штекеры широко выпускаются и доступны на коммерческом рынке.
Таким образом, все функциональные узлы и элементы рассматриваемого устройства широко известны и доступны на коммерческом рынке или могут быть легко изготовлены. Поэтому возможность практической реализации рассматриваемого мобильного радиоустройства с дозиметром-радиометром не вызывает сомнений.
Предлагаемое мобильное радиоустройство с дозиметром-радиометром (фиг. 1) работает следующим образом.
Перед началом контроля испытуемого образца мобильное радиоустройство выполняет функции обычного мобильного телефона. Блок 1 питания при этом включен, и требуемое питание поступает на все узлы, расположенные внутри корпуса мобильного радиоустройства.
Измерение радиоактивного загрязнения контролируемого образца начинается с того, что пользователь подключает измерительный блок к мобильному радиоустройству (телефону), например через его разъем JACK AUDIO.
При таком подключении осуществляется связь корпусных контактов мобильного радиоустройства и измерительного блока (то есть, создается общая шина земли мобильного радиоустройства и измерительного блока). Кроме того, внутри корпуса измерительного блока:
- вход преобразователя напряжения 18 подключается к контакту аудиовыхода аудиоблока 2,
- выход блока сопряжения 4 подключается к контакту входа микрофона аудиоблока 2.
Затем пользователь с помощью клавиатуры 5 формирует на процессор 6 команду, запускающую программу измерения радиоактивного загрязнения контролируемого образца. Эта команда может подаваться, например, путем нажатия специальных клавиш (если такие имеются на клавиатуре 5). Процессор 6 после получения команды обращается к блоку 7 памяти для введения программы работы в режиме измерения радиоактивного загрязнения контролируемого образца. После ввода программы процессор 6 включает блок 8 индикации, информируя пользователя об изменении режима работы мобильного радиоустройства. Вид этой информации пользователя устанавливается программой работы в режиме измерения радиоактивного загрязнения контролируемого образца и может быть звуковым, видеосигналом на экране монитора блока 8 индикации, специальным вибросигналом или комбинацией этих сигналов.
Затем аудиоблок 2 по команде процессора 6 формирует на своем аудиовыходе сигнал в виде немодулированного сигнала с заданной частотой и амплитудой, установленными в программе режима измерения радиоактивного загрязнения контролируемого образца, например с частотой 15…20 кГц и максимальной амплитудой для данного телефона - 0,5…1 В. Значение этого напряжения определяется моделью телефона и уровнем заряда его аккумулятора.
Это напряжение поступает на вход трансформатора 20 (см. фиг. 4), который трансформирует его до напряжения 3…6 В. Выпрямитель 21 выпрямляет это напряжение и его выходное напряжение поступает на вход стабилизатора 22. В зависимости от выбранной модели телефона и степени разряда аккумулятора напряжение на выходе выпрямителя 20 может изменяться в значительных пределах, но на выходе стабилизатора 21 оно будет постоянным, например +3 В. Стабилизированное напряжение с выхода стабилизатора 22 используется для питания блоков в измерительном блоке. Благодаря стабильному напряжению, используемому для питания блоков измерительного блока, обеспечивается высокая надежность работы предлагаемой полезной модели при работе с разными телефонами и с разной степенью заряда аккумулятора телефона.
Генератор 13 преобразует постоянное напряжение с выхода преобразователя напряжения 18 в переменное напряжение с частотой порядка 100 кГц, которое поступает на повышающий трансформатор 3.
Повышающий трансформатор 3 повышает напряжение до требуемой величины, после чего этот сигнал поступает на выпрямитель 9. Выходным сигналом выпрямителя 9 является высокое напряжение, необходимое для обеспечения работы детектора 10 излучения. Напряжение должно соответствовать так называемому рабочему "плато" напряжений, то есть диапазону питающих напряжений детектора 10 излучения в районе 350…400 В (для конкретной модели детектора излучения). Значение этого напряжения в значительной мере подвержено влиянию климатических условий эксплуатации устройства, например температуры и влажности. Так, при повышении температуры повышаются токи утечки высоковольтных выпрямительных диодов в выпрямителе 9, а при повышении влажности увеличиваются токи утечки по плате устройства. Это приводит к увеличению нагрузки на выпрямитель 9, и как следствие этого - к снижению напряжения на выходе выпрямителя 9, а значит, повышается вероятность выхода напряжения питания детектора излучения 10 за пределы рабочего «плато», т.е. снижается надежность его работы.
Для устранения этого осуществляется стабилизация напряжения на выходе выпрямителя 9. Для этого его выходное напряжение поступает через делитель напряжения 15 на вход АЦП 14. Делитель напряжения 15 делит входное напряжение до приемлемого для работы АЦП 14 значения, например 1 В.
АЦП 14 преобразует это напряжение в цифровой код, который поступает на вход блока сопряжения 4 - вход микроконтроллера 19. Микроконтроллер 19 сравнивает поступающее значение с заложенным в его памяти кодом, соответствующим требуемому напряжению. При отличии кодов, микроконтроллер 19 формирует соответствующее управляющее напряжение, которое поступает на управляющий вход генератора 13 и изменяет режим его работы, например скважность генерируемых импульсов, или их амплитуду, что и приводит к стабилизации напряжения на выходе выпрямителя 9.
Таким образом, благодаря стабилизации напряжения питания детектора излучения 10, повышается надежность работы устройства при климатических воздействиях.
На выходе детектора излучения 10 вследствие ударной ионизации формируются короткие импульсы. Формирователь импульсов 11 формирует из поступающих на него коротких импульсов, импульсы с заданной амплитудой и длительностью, которые поступают на вход блока сопряжения 4, где микроконтроллер 19 производит их обработку для вычислении дозы, или уровня радиации, а полученный результат обработки импульсов в виде цифрового кода через делитель напряжения на резисторах R1 и R2 поступает на микрофонный вход аудиоблока 2.
В мобильном радиоустройстве цифровой код с аудиоблока 2 поступает в процессор 6, где он обрабатывается. Полученные результаты сравниваются в процессоре 6 с предельно допустимыми, взятыми из блока 7 памяти. Далее процессор 6 формирует и отражает на блоке 8 индикации информационные сообщения, например типа "НОРМА 80% ДОПУСКА" или "ПРЕВЫШЕНИЕ 240% ДОПУСК". Сигнал о формировании такого сообщения передается для запоминания в блок памяти 7 в сопровождении служебной информации о дате и времени каждого проведенного измерения. В общем случае информационные сообщения могут выводиться на блоке 8 индикации в графическом, табличном или текстовом виде и сопровождаться подачей необходимых звуковых или вибрационных сигналов.
При этом процессор 6 выполняется с программным обеспечением для сигнализации о допустимой и недопустимой дозе облучения в часовом, дневном, недельном, месячном и годовом интервале.
Через радиоблок 12, используя каналы связи GSM, GPRS, 3G и др. полученный результат передается процессором 6 заинтересованному потребителю. Дополнительно может передаваться служебная информация о дате и времени каждого проведенного измерения.
При этом результат может быть дополнен данными местоположения объекта, для которого производился контроль. Эти данные могут быть получены навигационными приборами с помощью систем GPS или ГЛОНАСС (если в состав радиоблока 12 мобильного радиоустройства входят такие навигационные приборы). В этом случае результатом проверки может быть, например, вывод о превышении допустимого уровня радиоактивного загрязнения на определенном месте.
При необходимости процессор 6 через блок 8 индикации может отобразить местоположение контролируемого объекта на карте местности.
В состав мобильного радиоустройства может быть встроен фотоаппарат (на чертеже фиг. 1 не показан). В этом случае процессор 6 может проводить фотографирование проверяемого объекта и его окружения, после чего сохранять фотографии и видеоролики в блоке памяти 7. В зависимости от установленной в процессоре 6 программы работы, фотографии и видеоролики могут быть также переданы на приемную сторону через радиоблок 12.
По окончании измерения пользователь может передать через аудиоблок 2 в процессор 6 дополнительные текстовые или речевые комментарии к проведенному измерению. Эти комментарии пользователя, в зависимости от установленной программы работы, могут быть зафиксированы в блоке 7 памяти и/или переданы на приемную сторону, заинтересованному пользователю, через радиоблок 12.
По окончании всех измерений пользователь с помощью клавиатуры 5 формирует на процессор 6 команду отключения программы измерения радиоактивного загрязнения контролируемого образца.
В устройстве также опционально предусмотрена возможность связи между мобильным радиоустройством и измерительным блоком по радиоканалу, например с использованием Bluetooth-модуля (радиоблок 17). Соединение через аудиоразъем мобильного радиоустройства (телефон) при этом не используется. Для этого в состав радиоблока 12 мобильного радиоустройства так же должен входить Bluetooth-модуля. Взаимодействие измерительного блока и мобильного блока при этом осуществляется следующим образом. Цифровой код с выхода блока сопряжения 4 поступает на вход радиоблока 17, который в протоколе Bluetooth передает в эфир этот код, принимаемый радиоблоком 12, с выхода которого цифровой код поступает в процессор 6. Далее все происходит, как было описано выше.
Для питания измерительного блока при связи мобильного радиоустройства с измерительным блоком по радиоканалу опционально используется аккумулятор 16, напряжение с которого поступает на вход стабилизатора 21. Если используется связь по радиоканалу, то связь измерительного блока с мобильным радиоустройством через аудиоразъем не используется.
Таким образом, благодаря введенным узлам и связям, решена задача повышения надежности работы устройства с разными телефонами (смартфонами), имеющими различное значение аудиосигнала на выходе и в различных климатических условиях. Этот результат достигается за счет автоматической стабилизации работы детектора 10 излучения при напряжении соответствующему так называемому рабочему "плато" напряжений, то есть диапазону питающих напряжений детектора 10 излучения в заданном диапазоне 350...400 В (для конкретной модели детектора излучения).