WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Вторая глава носит обзорный характер. В ней рассматриваются различные методы измерений тока, пригодные для обеспечения изоляции измерительной цепи от устройства индикации не менее чем на 250 кВ. В результате сделан вывод, о том, что метод измерения тока с помощью резистивного шунта с автономной схемой преобразования падения напряжения в эквивалентный оптический сигнал, передаваемый по оптоволоконной линии связи, наиболее прост в реализации, способен обеспечить требуемую точность измерений и гарантирует надежную электрическую изоляцию пульта оператора от высокого напряжения.

В третьей главе анализируются возможные последствия воздействия рентгеновского излучения (РИ) на различные компоненты измерительного преобразователя. Установлено, что все электронные компоненты изменяют свои характеристики под воздействием РИ, но наиболее сильное влияние испытывают полупроводниковые приборы. В результате изучения воздействия РИ на аналоговые и цифровые полупроводниковые функциональные узлы, определено что, наилучшей стойкостью к воздействию РИ обладают схемы на биполярных транзисторах с малой или средней степенью интеграции. В результате, в качестве первого шага поставлена задача создания высоковольтного импульсного преобразователя тока исключительно на аналоговых компонентах. Если же, невозможно обойтись без использования микроконтроллера и других сложных интегральных схем, то требуется изыскать дополнительные меры защиты схемы преобразователя от РИ, т.к. информация, сохраняемая в электронной памяти, подвергается угрозе удаления при прямом воздействии РИ.

В четвертой главе исследуются основные элементы импульсного миллиамперметра с аналоговым способом передачи на пульт оператора сигналов, пропорциональных измеряемому току. В основу работы преобразователя заложен принцип линейного волстрона (оптрон с оптоволоконной линией связи), рис. 1.

В схеме волстрона благодаря отрицательной обратной связи, охватывающей ОУ1 через оптический канал, образованный светоизлучающим диодом (СИД) и фотодиодом (ФД1), выходной световой поток СИД является пропорциональным входному управляющему напряжению UВх. Данная пропорциональность может быть обеспечена только в том случае, если фотодиод ФД1 имеет линейную светсигнальную характеристику.

Рис. 1. Принцип работы линейного волстрона Известно, что при воздействии оптического излучения в формуле ЭберсаМолла, описывающей вольт-амперную характеристику диода, появляется новый компонент IФД, учитывающий фототок:

q U I IS exp 1 IФД, (1) k T где I – ток диода при падении напряжения U; IS - ток насыщения диода при обратном смещении; q – элементарный электрический заряд; k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура.

Если напряжение U на фотодиоде установлено равным нулю, то из (1) I IФД I S PОПТ следует: или (2) где S – интегральная токовая чувствительность к оптическому излучению; PОПТ – приходящий на фотодиод оптический поток.

В этом случае ток I перестает зависеть от температуры и обратного тока IS.

Данный режим ФД носит название фотогенераторного и реализуется с помощью преобразователя ток-напряжение на ОУ2 и ОУ3, причем он имеет линейную передаточную характеристику в 4-5 декадах.

Для тока светодиода (рис. 1) IСИД справедливо:

(UВх UOC)k UСИД IСИД, (3) R2 rd где k – коэффициент усиления ОУ1; UСИД – падение напряжения на СИД; rd – динамическое сопротивление СИД.

Поскольку входной ток ОУ бесконечно мал, то IФД1 = IRoc1 тогда из (2) IRoc1 S1 PСИД, где S1 - токовая чувствительность фотодиода ФД1 к следует что излучению СИД.

Для входного сигнала UВх и сигнала на выходе усилителя обратной связи справедливо:

UВх IИзм RШ (4) UOC S1 PСИД ROC1 (5) Подставляя (4) и (5) в (3) и решая относительно PСИД, получим:

(IИзм RШ S1 PСИД ROC1)k UСИД IСИД, R2 rd IИзм RШ k IСИД (R2 rd ) UСИД PСИД (6) S1 ROC1 k Если учесть, что RОС1 103 Ом, k 105, S1 0,05 А/Вт, то (6) упростится:

IИзм RШ PСИД, (7) S1 RОСИз (7) вытекает, что мощность излучения светодиода, помещенного в схему с отрицательной обратной связью по оптическому сигналу, практически пропорциональна входному управляющему току лишь при неизменном коэффициенте S1 преобразования лучистого потока PСИД в ток фотоприемника цепи отрицательной обратной связи и при условии, что температурные коэффициенты сопротивлений, входящих в (7) одинаковы.

Аналогично выражению (5), выходное напряжение волстрона равно:

UВых РСИД S ROС, где S2 – токовая чувствительность ФД2 к излучению СИД.

Тогда, коэффициент усиления волстрона по напряжению Кu равен:

РСИД S2 ROCUВых S2ROCKu UВх РСИД S1 RОС1 S1RОС1, (8) После дифференцирования (8) для нестабильности Кu, можно записать:

Kи Kи S2 S2 S1 S1 RОС2 RОС2 RОС1 RОС1, (9) Предположим, что волстрон работает в помещении, где колебания температуры невелики, тогда температурную зависимость коэффициентов S1, S2 и сопротивлений RОС1, RОС2 можно принять линейной:

Si Si0 (1 (T T0 )) Ri Ri0(1 (T T0 )), где, - температурные коэффициенты токовой чувствительности и сопротивлений резисторов, соответственно; Si0, Ri0 - значения Si и Ri при комнатной температуре Т0. Тогда для температурной нестабильности токовой Si R Si0, Ri0, (10) чувствительности и сопротивлений имеем:

T T Из выражений (9) и (10) для оптической (ОП) и резистивной (R) составляющих нестабильности коэффициента Кu получим Ku Ku 2 1 ROC 2 ROC 1 (11) Ku T Ku T ОП R Из (11) следует, что нестабильность Кu линейного волстрона определяется степенью согласования температурных коэффициентов оптопар СИД – ФД1, СИД - ОВ - ФД2 и сопротивлений ROC1, ROC2. Несогласованность температурных характеристик сопротивлений может быть значительно меньше, чем у оптрона, откуда следует вывод, что нестабильность Кu линейного волстрона определяется степенью согласования температурных характеристик оптопар СИД – ФД1 и СИД - ОВ – ФД2. Температурный дрейф коэффициента передачи по напряжению линейного волстрона будет близок к нулю, если =. Отсюда следует, что 1 фотодиоды цепи ООС и приемного узла должны иметь совпадающие параметры, т.е. быть однотипными.

Выбор СИД должен определяться исходя из минимального температурного дрейфа доминирующей длины волны излучения, а выбор ФД из необходимости иметь неизменную чувствительность в пределах дрейфа спектра излучения СИД, рис. 2.

К, % световод SV8EGW ФД BPWФД BPW21C CИД 50C 60C 400 500 600 700 800 нм Рис. 2. Относительная спектральная чувствительность двух исследованных светодиодов, спектральный коэффициент пропускания световода и спектр излучения СИД типа HB10B при различных температурах Исследовались два типа кремниевых ФД: BPW21 и BPW34. Первый из них имел максимум чувствительности вблизи 550 нм, второй около 900 нм.

Выбранный СИД HB10B имел дрейф доминирующей длины волны излучения не выходящий из области максимума чувствительности ФД BPW21, что соответствовало наилучшим условиям согласования.

Для получения наилучшего соотношения сигнал-шум было выбрано оптоволокно из полиметилакрилата типа Supervision SV8EGW длиной 10 м, максимум спектрального коэффициента пропускания которого совпадал с доминирующей длиной волны СИД Напряжение UВых, снимаемое с выхода волстрона, поступало на низковольтный блок обработки и отображения информации, построенный на базе микроконтроллера Atmega16 и на выход для подключения осциллографа.

Алгоритм преобразования сигнала UВых, в измеряемый ток, учитывающий температурный и радиационный дрейф «дежурного» тока СИД, поясняется рис. 3.

.

Рис. 3. Импульс тока, измеряемого с помощью волстрона Блок обработки сигнала постоянно измерял «дежурный» ток СИД и расчитывал плавающий уровень отсчета нулевого сигнала путем прибавления константы к найденному среднему значению «дежурного» тока за миллисекунд. Плавающий уровень отсчета не превышал 1,6% от полной шкалы измерений, поэтому ошибка в определении длительности импульсов была незначительной. Наряду с измерением амплитуды импульсного тока в данном блоке производился расчет среднего значения тока за время импульса и размаха его колебаний.

Полученная экспериментально передаточная характеристика волстрона является линейной и максимальное е отклонение от идеальной прямой линии составило не более ±1% в интервале изменения сигнала от 0,05 UВх.Мах до UВх.Мах, рис. 4. Сравнение характеристик а) и б) на рис. 4 экспериментально подтверждает обоснованность выбора фотодиодов волстрона с положением максимума спектральной чувстствительности в зоне температурного дрейфа спектра излучения СИД.

U вых,В U вых,В 0,0,0,0,0,0,T=T=T=30.T=T=45 T=Uвх, В 0 0,5 1 1,5 0 0,5 1 1,5 Uвх,В a) б) Рис. 4. Передаточная характеристика волстрона на светодиоде HPL-H77LG1Cпри разных температурах для двух фотодиодов: а) ФД BPW34; b) ФД BPWПри увеличении температуры СИД система ООС волстрона увеличивает рабочий ток СИД для сохранения линейности передаточной характеристики.

Отсюда, динамический диапазон измерений тока не совпадает с динамическим диапазоном изменения тока СИД и, как следует из рис. 5, он может быть вычислен как 80% от отношения предельного тока светоизлучающего диода волстрона к его «дежурному» току.

I сд,мА 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 U вх,В 3,Рис. 5. Ток СИД, обеспечивающий пропорциональную входному сигналу UВх мощность излучения при разных температурах Опытная эксплуатация первых двух экспериментальных образцов импульсного амперметра началась в ЗАО «Светлана Рентген» в 2004 г.

Периодическая проверка передаточной характеристики волстрона, выполненного на аналоговых компонентах без специальной радиационной защиты, показала что, она остается линейной во всем его динамическом диапазоне несмотря на работу передатчика волстрона в условиях сильных электромагнитных помех и рентгеновского облучения с энергией квантов до 200 кэВ. Однако накапливается систематическая ошибка результата измерений в среднем на 1% в год в результате медленной деградации элементов схемы, рис.6.

I из,мА a в б I вх,мА 0 100 200 300 400 Рис. 6. Результаты проверки двух приборов после 5 лет эксплуатации а) прибор номер 1; б) прибор номер 2; в) исходная характеристика Между тем, динамический диапазон измерений тока с преобразователем на основе волстрона не мог быть больше 500. Этого было достаточно для контроля импульсных РТ, но для трубок промышленного просвечивания требуется динамический диапазон более 50 тысяч.

В пятой главе приведены результаты исследования и разработки микроамперметра для измерения тока от единиц мкА до десятков мА, протекающего в цепи РТ под потенциалом относительно земли до 160 кВ.

Измерение тока в пяти декадах потребовало размещения под высоким напряжением аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и микроконтроллера (МК), рис. 7. В данном случае информация передавалась по оптическому каналу в цифровой форме со скоростью 115 кбод. Для защиты интегральных микросхем с высокой степенью интеграции от воздействия РИ был расчитан и изготовлен экран из стали и свинца.

Расчеты, описывающие спектр тормозного рентгеновского излучения, проводились по формуле Крамерса с учетом ослабления в прострельной мишени рентгеновской трубки, в е выпускном окне, в двух фильтрах, установленных на Рис. 7. Структурная схема микроамперметра с цифровой передачей данных пути пучка, показали что, корпус, состоящий из нержавеющей стали толщиной 0,мм и свинцового бокса со стенкой 5 мм ослабляет рентгеновское излучение в 4,1 105 раз:

Eo (E) dW W W EO dS 3 Iторм(Е) с1 ZW ia 10 1 e E dS(E) dBe 10 (E) d Be Be Air Air Air e e Eo (E) dW W W EO dS 3 Iторм1(Е) с1 ZW ia 10 1 e E dS4 (E) dBe 10 (E) dFe 10 (E) d Be Be Fe Fe Air Air Air e e e Eo (E) dW W W EO dS 3 Iторм2(Е) с1 ZW ia 10 1 e E dS4 4 (E) dBe 10 (E) dFe 10 (E) dPb 10 (E) d Be Be Fe Fe Pb Pb Air Air Air e e e e EEEItorm (E) Itorm(E) Itorm(E) K1 E0 1.6 105 K2 K 2,E0 4.1 EItorm (E) Itorm (E) Itorm (E) 1 1 Здесь Itorm(E) [фот/(с кэВ ср)] - спектр первичного тормозного излучения рентгеновской трубки до фильтров, Itorm1(E) – после железного фильтра, Itorm2(E) – после железного и свинцового фильтра, К – коэффициент ослабления первого фильтра, К1 коэффициент ослабления второго фильтра, К2 – общий коэффициент ослабления системы фильтров.

Благодаря рассчитанным фильтрам, рентгеновское излучение не влияло на работу 24-х разрядного сигма-дельта АЦП и микроконтроллера с момента начала эксплуатации прибора в ЗАО «Светлана-Рентген», что к настоящему времени составило не менее 1000 ч. непрерывного воздействия РИ.

Полученная зависимость выходного сигнала от тока в диапазоне от 1 мкА до 50 мА имела линейный характер, рис.8.

I o,мкА I i,мкА 1 10 100 1000 10000 Рис. 8. Соответствие показаний микроамперметра эталонным значениям тока Относительная погрешность измерений не превышала ±1 % практически во всем диапазоне измерений за исключением тока менее 10 мкА, рис. 9.

,% I i,мкА 1 10 100 1000 10000 Рис. 9. Относительная погрешность цифрового микроамперметра Дискретность отчетов тока во всем диапазоне равнялась 0,1 мкА, что позволило производителю РТ осуществлять ранее невозможное сравнение тока утечки РТ при его значениях ниже 5 мкА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основным итогом диссертационной работы явилось решение актуальной научно-практической задачи разработки и создания информатизированного оборудования, измеряющего импульсный и постоянный анодный ток в цепях, находящихся под высоким напряжением, в широком динамическом диапазоне, а также ток утечки рентгеновских трубок с подсчетом числа электрических разрядов и выводом информации на пульт оператора в цифровом виде.

В результате, используя решения, предложенные в данной диссертации, в СПбГЭТУ (ЛЭТИ) в рамках хоздоговоров на передачу научно-технической продукции были сконструированы и изготовлены два вида экспериментальных образцов электронных микро- и миллиамперметров для участков тренировки рентгеновских трубок, которые уже несколько лет успешно эксплуатируются в цеховых условиях ЗАО «Светлана – Рентген».

Более детально диссертационная работа имеет следующие результаты:

1. Обоснована и экспериментально доказана возможность построения микро- и миллиамперметров на принципе линейного волстрона, измеряющих импульсный и постоянный ток в цепи высокого напряжения при потенциале измерительной цепи относительно земли до 250 кВ.

2. Экспериментально установлено соотношение для расчета динамического диапазона измерений тока при помощи волстрона со светодиодами на основе AlInGaP исходя из известных значений максимально-допустимого и «дежурного» тока СИД.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»