Радіометр енергетичної освітленості ультрафіолетового діапазону

Реферат: Радіометр енергетичної освітленості ультрафіолетового діапазону містить радіометричну головку з двома фотосенсорами і подвійними світлофільтрами та мікропроцесорний вимірювальний блок з відповідним програмним забезпеченням. Вимірювальний блок додатково містить двоканальний 16-розрядний аналогово-цифровий перетворювач з дельта-сигма модуляцією, енергонезалежний запам'ятовуючий пристрій з об'ємом пам'яті не менше 512 К, USB порт для комутації з персональним комп'ютером та спеціалізоване програмне забезпечення для керування й синхронізованої обробки результатів вимірів параметрів ультрафіолетового випромінювання. UA 82801 U (12) UA 82801 U UA 82801 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до приладів, призначених для вимірювання енергетичної освітленості, створеної оптичним випромінюванням ультрафіолетового діапазону спектра і може бути використана у радіометрії ультрафіолетового випромінювання. Відомий радіометр енергетичної освітленості ультрафіолетового діапазону "Аргус", який передбачає застосування окремого приладу для кожного спектрального піддіапазону: для вимірювання у діапазоні довжин хвиль А (315-400 нм) застосовується модифікація "Аргус-4", у діапазоні В (280-315 нм) модифікація "Аргус-5" і у діапазоні С (200-280 нм) застосовується модифікація "Аргус-6". До кожної модифікації радіометра входить фотодатчик у вигляді виносної головки з світлофільтром та вимірювальний блок. Основна відносна похибка вимірювань радіометра " Аргус " згідно з [1] складає 10 %. Недоліком згаданого радіометра є недостатній динамічний діапазон вимірювання енергетичної освітленості, який складає від 10" до 20 Вт/см, нездатність забезпечувати вимірювання дози ультрафіолетового випромінювання та відсутність цифрової частини, яка забезпечує зв'язок приладу з комп'ютером. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі є радіометр EW-97503-00 фірми Cole-Parmet (США) [2], який складається зі змінних датчиків, відповідних оптичних фільтрів, вимірювального блока, спорядженого мікроконтролером, рідкокристалічним індикатором та клавіатурою. Згаданий прилад виконує функції як радіометра ультрафіолетового випромінювання, так і дозиметра, а також має цифрову частину, яка забезпечує цифрову обробку результатів вимірювання та передачу цих результатів до персонального комп'ютера. Недоліки згаданого радіометра наступні: Недостатньо широкий динамічний діапазон, зокрема діапазон вимірювання енергетичної 2 дози цього приладу складає 0-100 Дж/см , а діапазон вимірювання енергетичної освітленості 2 2 10- -350 Вт/см . 2 Вимірювання енергетичної дози від нульової позначки (0-100 Дж/см ) є сумнівним, оскільки виміряти нульову дозу ультрафіолетового випромінювання, як і інших видів випромінювання, вельми складно. Програмне забезпечення радіометра не дозволяє здійснювати попередню обробку даних вимірювання та збереження їх у вимірювальному блоці. Задачею запропонованої корисної моделі є розширення динамічного діапазону вимірювань енергетичної дози й енергетичної освітленості та розширення можливостей програмного забезпечення радіометра-дозиметра. Технічне рішення поставленої задачі досягається тим, що як приймач ультрафіолетового випромінювання використана радіометрична головка (РМГ) з двома сенсорами - фотодіодами ФД1 і ФД2, чутливими у діапазоні довжин хвиль 200-450 нм, які мають чутливість не менше 0,15 А/Вт у максимумі спектральної характеристики чутливості та площу фоточутливого елемента не 2 менше 50 мм , комплект світлофільтрів оптимізованих на пропускання довжин хвиль окремо А (320-400 нм), В (280-320 нм), С (200-280 нм), бактерицидної та еритемної ділянок спектра, а вимірювальний блок додатково містить масштабний перетворювач інформаційного сигналу (МП), що складається з прецизійного перетворювача "струм-напруга" і масштабуючого підсилювача, двоканальний 16-розрядний аналогово-цифровий перетворювач з дельта-сигма 2 модуляцією, мікроконтролерний блок (МК) з вбудованими інтерфейсами USB та І С і процесорним ядром, яке має можливість обробки 8 та 16 бітних даних, зовнішній енергонезалежний запам'ятовуючий пристрій з об'ємом пам'яті не менше 512 кБіт та спеціалізоване програмне забезпечення для керування й обробки результатів вимірів, яке реалізує функції вибору заданих умов: вимірювання А, В, С, еритемної чи бактерицидної складових спектра і типу контрольованого джерела ультрафіолетового випромінювання (ртутне, дугове, дейтерієве, джерело задане користувачем), та встановлення режиму вимірювання енергетичної освітленості або граничного значення чи часу набору дози контрольованого випромінювання. Промислове використання корисної моделі не вимагає великих витрат, спеціальних матеріалів та технологій, його реалізація можлива на виробництвах України і за її межами. На кресленні зображена схема радіометра енергетичної освітленості ультрафіолетового діапазону де: 1 - схема комутації джерела живлення; 2 - стабілізований інтегральний інвертор напруги; 3 прецизійне джерело опорної напруги; 4 - прецизійний перетворювач "струм-напруга"; 5 коректуючий підсилювач постійної напруги зі схемою масштабування сигналу; 6 -аналогово2 цифровий перетворювач; 7 - конектор шини USB; 8 - конектор шини І С; 9 - ядро центрального процесора; 10 - енергонезалежна пам'ять; 11 - рідкокристалічний дисплей; 12 - блок клавіатури. 1 UA 82801 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 РМГ - радіометрична вимірювальна головка; ФД1 - вимірювальний фотодіод для реєстрації основного потоку випромінювання; ФД2 - опорний фотодіод; МП - масштабний перетворювач інформаційного сигналу; МК - мікроконтролер. Особливістю структурно-алгоритмічного рішення запропонованого приладу є спосіб розподіленої синхронізованої двоканальної обробки інформаційних сигналів, починаючи від детектування реєстрованого вхідного потоку ультрафіолетового випромінювання радіометричною головкою, масштабного перетворення сформованих опорного та інформаційного сигналів і закінчуючи їх аналогово-цифровим перетворенням. Спеціалізоване програмне забезпечення дозволяє проводити синхронну обробку інформаційного та опорного сигналів у аналоговому каналі вимірювального тракту і математичні розрахунки вимірюваних величин з підвищеною точністю з допомогою процесорного ядра МК, що в сукупності й забезпечує розширення динамічного діапазону вимірів енергетичної освітленості й дози ультрафіолетового випромінювання та зменшення основної відносної похибки приладу. Розширення функціональних можливостей приладу щодо вибору режимів керування вимірюваннями, форматування початкових даних і їх збереження в енергонезалежній пам'яті (10), оперативний візуальний контроль результатів на рідкокристалічному дисплеї (11), формування пакетів даних, створення каналу зв'язку і передача даних до персонального комп'ютера забезпечено на алгоритмічно-програмному рівні і контролюється центральним процесором CPU (9). Системна програма керування й обробки інформації та певний масив результати вимірів зберігаються в енергонезалежній пам'яті (10). Зв'язок з персональним комп'ютером для 2 початкового програмування CPU реалізовано за допомогою шини І С (8), а транзакції даних виконуються за протоколами послідовної передачі через з'єднання USB (7). Для початкового настроювання і калібрування вимірювального тракту приладу і забезпечення функцій режиму ручного керування в схемі додатково передбачено клавіші блока клавіатури (12). Енергозабезпечення модуля, завдяки схемі комутації (1), може здійснюватись в автономному режимі від хімічного джерела напругою від 6 В до 9 В, портативного мережевого блока живлення або через USB порт від мобільного чи персонального комп'ютера. Для живлення вузлів, що потребують двополярної напруги використовується стабілізований інтегральний інвертор (2), а необхідна точність аналогово-цифрового перетворення забезпечується високо прецизійним джерелом напруги (3). Робота приладу ґрунтується на застосуванні автоматичної синхронізації підсилення фотосигналів, генерованих фотодіодами РМГ, яка приймає ультрафіолетове випромінювання, перетворенні їх з аналогової у цифрову форму та аналізі за допомогою мікропроцесора. Аналіз різницевого сигналу фотоструму здійснюється за допомогою алгоритму, який враховує як попередньо задані (встановлені з блока керування приладом) умови й параметри прийнятого фото сигналу, так і особливості, зокрема можливе відхилення від лінійності на краях динамічного діапазону струмової чутливості фото сенсорів. До попередньо заданих умов належать: вибір режиму роботи (радіометр або дозиметр); вибір вимірюваного спектрального діапазону (А, В, С, бактерицидний, еритемний); вибір вимірюваного джерела ультрафіолетового випромінювання (ртутне, дейтерієве, дугове, джерело споживача); результати самокалібрування приладу (корекція нулів і відносного зміщення) опорного та інформаційного вимірювальних каналів. Аналіз прийнятого фотосигналу та його обробка здійснюються за допомогою модуля спеціалізованого прикладного математичного програмного забезпечення, яке дозволяє: розраховувати інформативну величину прийнятого фотосигналу з урахуванням умов вимірів; корегувати розраховані дані шляхом множення їх значень на поправочні коефіцієнти, які враховують ступінь відмінності спектральної характеристики чутливості радіометричного головки від спектральної характеристики джерела УФ випромінювання; перераховувати відкореговані значення фотосигналу в одиниці вимірювання енергетичної освітленості або дози. Експериментальні зразки запропонованого радіометра ультрафіолетового випромінювання виконано на основі мікроконтролера AT90USB1286. Результати їх досліджень підтверджують, що розширення динамічного діапазону приладу та зменшення основної відносної похибки забезпечується наступними факторами: 1) Застосуванням спеціалізованих фотосенсорів (ФД1 та ФД2), які мають чутливість не менше 0,15 А/Вт у максимумі спектральної характеристики чутливості та площу фоточутливого 2 8 елемента не менше 50 мм з динамічним діапазоном порядку 10 . 2) Застосуванням прецизійного масштабного перетворювача оригінальної конструкції, який побудований на основі схем перетворення "струм-напруга" (на мікросхемі типу МАХ 420 СРА, 12 10 що здійснює попереднє підсилення фотосигналу від 10- до 410- А), та корегуючого 2 UA 82801 U 5 10 15 20 25 30 35 масштабного підсилювача постійної напруги на КР140УД1408А, а також 16-розрядного АЦП з дельта-сигма модуляцією AD7705. 3) Застосуванням програми керування і обробки сигналів фотосенсорів, що реалізує алгоритм синхронного детектування сигналів та корекції результуючого сигналу з урахуванням поправочних коефіцієнтів, які визначають ступінь відмінності спектральної характеристики чутливості радіометричної головки від спектральної характеристики джерела УФ випромінювання. Вимірювання енергетичної дози ультрафіолетового випромінювання забезпечується за рахунок застосування таймера з кварцовою стабілізацією частоти (НС-49 S4000). Алгоритм 7 2 програмного забезпечення приладу дозволяє здійснювати вимірювання від 10 до 110 Дж/м . Застосування як зовнішньої енергонезалежної пам'яті мікросхеми типу АТ24С512 дозволяє зберігати крім основної програми керування та допоміжних коефіцієнтів для математичних розрахунків також і більше двох тисяч результатів вимірів у спеціальному розширеному форматі, що містить крім значень вимірюваних величин додаткову службову інформацію про задані умови і режими вимірів та ідентифікаційний код самого приладу. За необхідності, згідно з специфікацією АТ24С512 та відповідних схемотехнічних і програмних рішень для мікроконтролера AT90USB1286, об'єм пам'яті приладу можна збільшити у вісім разів, тобто розширити до 1 МБайта. Таким чином, за рахунок комплексного застосування апаратно-програмних рішень (прецизійного масштабного перетворювача оригінальної конструкції, 16-розрядного АЦП, спеціалізованих фотодіодів та програмного забезпечення, що дозволяє реалізувати синхронну обробку сигналів і математичну корекцію даних) динамічний діапазон вимірювання енергетичної 5 освітленості радіометра - дозиметра ультрафіолетового випромінювання складає від ~ 310- до 3 2 310 Вт/м , що відповідає восьми порядкам і перевищує найближчий аналог більше ніж на два порядки. Динамічний діапазон вимірювання енергетичної дози ультрафіолетового 7 2 випромінювання складає від 10 до 110 Дж/м , що також суттєво перевищує динамічний діапазон найближчого аналога. Похибка вимірювань не більше 6 %. Застосування зовнішнього енергонезалежного запам'ятовуючого пристрою з об'ємом пам'яті не менше 512 кБіт (наприклад АТ24С512), мікроконтролера AT90USB1286 як центрального процесора та спеціалізованого програмного забезпечення, а також USB порта для комутації з персональним комп'ютером, дозволяють забезпечувати попередню обробку даних вимірювання, збереження їх у вимірювальному блоці та передачу до персонального комп'ютера для подальшого їх накопичення та аналізу. Джерела інформації: 1. Каталог "Компании "Октава+». Приборы санитарно-экологического контроля. [Електронний ресурс] - режим доступу: http://www.octava.ru/catalog/alias 109; 10. 2. Cole-Parmer microprocessor-controlled radiometer EW-97503-00. [Електронний ресурс] режим доступу: http://www.coleparmer.com/Product/Cole_Parmer_small_sup_reg.sup_s mall microprocessor controlled_radiometer/EW-97503-00. 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 Радіометр енергетичної освітленості ультрафіолетового діапазону, що містить радіометричну головку з двома фотосенсорами і подвійними світлофільтрами та мікропроцесорний вимірювальний блок з відповідним програмним забезпеченням, який відрізняється тим, що вимірювальний блок додатково містить двоканальний 16-розрядний аналогово-цифровий перетворювач з дельта-сигма модуляцією, енергонезалежний запам'ятовуючий пристрій з об'ємом пам'яті не менше 512 К, USB порт для комутації з персональним комп'ютером та спеціалізоване програмне забезпечення для керування й синхронізованої обробки результатів вимірів параметрів ультрафіолетового випромінювання. 3 UA 82801 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4