Построение «интеллектуальных» устройств детектирования и сигнализации для автоматизированных измерений пространственно-временных распределений ионизирующих излучений

Совершенствование электронно-вычислительной техники, разработка и производство универсальных и специализированных ЭВМ способствовали созданию на их основе более совершенной измерительной аппаратуры — локальных приборов, измерительных комплексов и информационно-измерительных и управляющих систем различного назначения с развитыми вычислительно-управляющими возможностями для различных областей науки и техники. Такие приборы, комплексы и системы позволили проводить измерения и осуществлять контроль значений физических величин одновременно во многих точках предприятия или объекта и их изменения во времени, ускорить реакцию аппаратуры на изменение этих значений, повысить достоверность выполняемых измерений, производить различную обработку получаемых данных, подчас достаточно сложную, представлять полученную информацию в виде, наиболее удобном для оператора, архивировать накопленную информацию, передавать ее в системы более высокого уровня и т. п.

Многие виды такой аппаратуры были выполнены и для измерения и контроля характеристик ионизирующих излучений.

Аппаратура для измерения характеристик радиационных потоков имеет определенную специфику по сравнению с измерительной аппаратурой, используемой в других областях науки и техники. Это определяется особенностями взаимодействия ионизирующего излучения с веществом, статистическим распределением появляющихся сигналов во времени и необходимостью накопления этих сигналов за определенное время (нередко, довольно значительное), разнообразием физических величин и протяженностью диапазонов значений величин, подлежащих измерению, необходимостью измерять определенные виды излучений или излучения в определенных интервалах энергии на фоне других («мешающих») излучений.

На базе бортовых ЭВМ были созданы и успешно использовались приборы и аппаратурные комплексы для измерения характеристик радиационных потоков в околоземном космическом пространстве, размещавшиеся на искусственных спутниках Земли, орбитальных научных лабораториях, межпланетных научных станциях (далее в работе именуемые бортовыми). Для такой аппаратуры существенно, что диапазон измеряемых величин весьма значителен и не всегда может быть априори правильно задан. Кроме того, из-за использования канала связи с ограниченной пропускной способностью приходится сокращать объем передаваемых данных, полученных в результате эксперимента.

Повышение эффективности работы таких систем весьма важно, поскольку стоимость космических экспериментов, в которых измерительная аппаратура играет ключевую роль, довольно высока, а многие эксперименты имеют уникальный характер (например, встреча с кометой Галлея, наблюдение за образованием новых внегалактических объектов и т. п.). Выход из строя аппаратуры для космических исследований или неэффективная ее работа сводят на нет большие финансовые, трудовые и интеллектуальные затраты.

На основе промышленных ЭВМ был выполнен ряд информационно-измерительных систем контроля радиационной безопасности предприятий, на которых осуществляется переработка делящихся материалов, используются техногенные источники ионизирующих излучений и т. п. (далее в работе такая аппаратура именуется стационарной). Исключительно важна потенциальная опасность ионизирующих излучений для персонала, населения, окружающей среды и технических средств, что принуждает сокращать запаздывание реакции измерительных устройств (устройств контроля) на изменение уровня радиации. Авария на Чернобыльской АЭС подчеркнула важность создания надежных и эффективных систем контроля радиационной обстановки и необходимость работ, направленных на их совершенствование.

Как правило, информационно-измерительные системы и комплексы выполнялись по двухили трехуровневой структуре, по которой на нижнем уровне находились устройства детектирования, осуществляющие преобразование измеряемой величины в электрические сигналы, накопление результатов измерений за определенное время (экспозицию), их сравнение с уставками и т. п., а также некоторые дополнительные устройства, в том числе устройства световой и звуковой сигнализации, а на верхнем уровне — устройства, управляющие работой детекторов, их опросом, преобразованием данных, полученных от устройств детектирования в значение физической величины, осуществляющих представление оператору или исследователю результатов измерений или передачу в системы более высокого уровня и т. д. или в аппаратуре для космических исследований передававших накопленные данные на Землю по телеметрическому каналу связи.

Следовательно, при создании аппаратуры для измерения ионизирующих излучений, и в частности, информационно-измерительных комплексов и систем, возникает необходимость решения значительного круга задач, которые можно объединить как проблему улучшения измерительных характеристик этой аппаратуры. Для информационно-измерительных систем и измерительных комплексов эффективным путем решения указанной проблемы, приводящим к качественному улучшению характеристик измерительной аппаратуры, является выполнение устройств детектирования устройств нижнего уровня — первичных измерительных преобразователей и связанных с ними дополнительных устройств программно-управляемыми, т. е. построение их со встроенным «интеллектом», а самих информационно-измерительных систем и измерительных комплексов — с «распределенным интеллектом» между устройствами нижнего и верхнего уровня. Объективной предпосылкой успешного решения указанной проблемы является промышленный выпуск в настоящее время, как за рубежом, так и в Российской Федерации, микроконтроллеров с все более высокими параметрами.

Среди задач, которые необходимо решить в связи с построением «интеллектуальных» устройств детектирования ионизирующих излучений и устройств сигнализации для систем и комплексов радиационного контроля с распределенным интеллектом" можно выделить выбор оптимальной элементной базы (микроконтроллеров и интерфейсных элементов), выбор режимов работы первичных измерительных преобразователей — устройств детектирования, определение системы управляющих команд, выбор и отработку методов улучшения измерительных характеристик (снижение погрешности измерения, расширение диапазона измерения, снижение влияния фона и т. п.), создание методов отбора значащей информации и сокращения загрузки каналов обмена данными, выбор оптимальной организации управляющих программ устройств детектирования и дополнительных устройств, выбор протокола обмена данными между устройствами верхнего и нижнего уровня, проработку методов помехозащищенности и защиты от сбоев и т. д.

Решению указанной проблемы и посвящена настоящая диссертация. Она основана на работах, которые были выполнены под руководством автора и при его непосредственном участии в Научно-инженерном центре «СНИИП» в 1978 — 2000 годах.

Выводы.

Реализация методов и технических решений, рассмотренных в предыдущих главах настоящей работы, в устройствах детектирования информационно-измерительной системы контроля радиационной безопасности (ИИС КРО) показали, что с их помощью достигается существенное улучшение измерительных и эксплуатационных характеристик компонентов системы. В частности, для устройств детектирования ионизирующих излучений весьма эффективными оказались расширение динамического диапазона за счет использования структурной, параметрической адаптации и алгоритмической адаптации устройств детектирования, снижение погрешности устройств за счет автоматического вычитания фона, корректировки разброса чувствительности конкретного детектора, корректировки температурной зависимости чувствительности и зависимости чувствительности от частоты срабатывания детектора, защита от сбоев, наводок и т. д. Были улучшены эксплуатационные свойства устройств предупредительной и аварийной сигнализации. Наконец, использование рассмотренных методов позволило организовать обмен данными между рабочим местом оператора (РМО) и распределенными по большой территории и на значительном удалении от РМО устройствами детектирования с передачей информации по двухпроводной линии, обеспечением непрерывного сбора данных о значениях, характеризующих радиационную обстановку, проведения обработки и представления этих данных оператору, идентификацией устройств детектирования, самодиагностированием всех компонентов системы, выполнением системы открытой, расширяемой, модифицируемой и т. д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1 Целью настоящей работы явилось решение проблемы качественного улучшения характеристик аппаратуры для измерения пространственно-временных распределений ионизирующих излучений — информационно-измерительных систем и измерительных комплексов для космических исследований и для контроля радиационной обстановки в стационарных условиях путем выполнения измерительных преобразователей (устройств детектирования) и дополнительных устройств программно-управляемыми, и построения систем и комплексов для измерения ионизирующих излучений с «распределенным интеллектом» между устройствами нижнего и верхнего уровней.

2 Для достижения указанной цели в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

— рассмотрена описанная в литературе аппаратура для измерения пространственно — временных распределений ионизирующих излучений — в космических исследованиях и для контроля радиационной обстановки на промышленных объектах;

— проанализированы возможные пути построения «интеллектуальных» устройств детектирования и дополнительных устройств;

— сформулированы и решены основные задачи, возникающие при выполнении «интеллектуальных» устройств детектирования и устройств сигнализации, в том числе организация программного управления работой этих устройств, организация обмена данными, самодиагностирование, защита от помех и сбоев и т. п.;

— выполнены образцы аппаратуры, в которых реализованы проработанные методы, проведены их лабораторные испытания, производственные испытания и испытания в реальных условиях эксплуатации ряда устройств.

3 На основании проведенной работы можно сформулировать следующие основные выводы и положения диссертации:

3.1 Устройства детектирования и сигнализации, представляющие собой устройства нижнего уровня в информационно-измерительных системах, целесообразно выполнять со встроенными средствами программного управления — микроконтроллерами.

При этом в устройствах детектирования контроллеры должны быть наделены следующими основными функциями: специфицирование устройства детектирования (хранение в закодированном виде основных технических параметров устройства), что позволяет устройству верхнего уровня проводить автоматизированное конфигурирование измерительных системведение измерительного процесса — адаптивное управление структурой и параметрами устройства, прием сигналов от детектора в достаточно произвольной форме (последовательности импульсов, импульсы переменой длительности, аналоговые сигналы), их накопление, преобразование к стандартному формату и хранение до запроса устройством верхнего уровняпроведение самодиагностирования устройства детектирования с подготовкой и хранением блока диагностических данных для вывода на устройства верхнего уровняподдержание связи с устройством верхнего уровня и обслуживание его запросов (исполнение команд и выдача ответов определенного формата).

Использование микроконтроллера в составе устройств световой и звуковой сигнализации позволяет применять расширенные методы отображения сигналов — разной длительности и паузы звука, миганием световых сигнализаторов и др.

3.2 Для снижения погрешности измерений, удобного конфигурирования разных устройств в измерительных системах и приборах, сопряжения их с устройствами сигнализации и т. п. целесообразно для каждого типа устройств детектирования устанавливать номинальный коэффициент преобразования и используя вычислительные возможности контроллера и результаты измерения фона, градуировки и измерения температурной зависимости чувствительности, проводить коррекцию результатов показаний в цифровой форме индивидуально каждого устройства детектирования.

Значения поправок (кроме результатов измерения фона) должны быть определены в процессе настройки и занесены в постоянную память контроллера. Для уменьшения времени внесения поправок до ~30 мкс целесообразно формировать комплексные значения множителей (в виде произведения парциальных коэффициентов) и размещать их в ПЗУ контроллера.

3.3 В устройствах с ограничением пропускной способности канала связи, в том числе в аппаратуре для космических исследований, целесообразно для существенной разгрузки канала обмена данными с помощью микроконтроллера осуществлять сжатие информации, фильтрацию или свертку данных — выделять из общего потока результатов измерений данные с новым содержанием, производить отбор данных по определенным критериям и вычислять и передавать обобщенные параметры полученных данных.

3.4 Для повышения помехозащищенности систем и комплексов целесообразно использовать программно-аппаратные методы защиты от сбоев, в том числе и в выбранном протоколе обмена данными и передачу сигналов в пределах устройств нижнего уровня по линиям с опторазвязками.

3.5 Для организации информационно-измерительных систем с.

I! II «распределенным интеллектом управление устройствами детектирования целесообразно осуществлять по определенному протоколу обмена, включающему группы команд чтения и записи данных, управления и смены режимов измерения, идентификации устройства детектирования и самодиагностирования.

Устройство детектирования должно иметь в своем составе как минимум один магистральный канал обмена данными для работы в составе информационно-измерительной системы и один радиальный канал обмена для организации некоторых информационно-измерительной систем, локальных измерительных устройств, настройки устройств детектирования, их градуировки и контроля работоспособности.

3.6 В «интеллектуальных» устройствах детектирования целесообразно реализовать многовариантность выполнения составляющих их компонентов (конструктивно разделять устройства детектирования на автономные блоки — детектирования и контроллера, модификаций контроллера выполнять как в корпусе, так и бескорпусными, рассчитанными на размещение в промышленном шкафу, использовать совместно с группой контролеров устройство накопления и обработки информации и т. п.), что позволит проектировать информационно-измерительные системы объекто-ориентированными (в соответствии с индивидуальным проектом), более открытой и модернизируемой, позволяет устройство, выполняющее функции предварительной обработки информации, компоновать из блоков контроллера, являющихся частью соответствующих устройств детектирования (что упрощает проектирование и подготовку конструкторской документации) и проводить автономно отладку и градуировку блока детектирования и принадлежащего ему контроллера, объединенных в устройство детектирования.

4 Научная новизна полученных данных состоит, в частности, в предложенной организации формирования результатов измерений в устройствах детектирования и введения цифровой коррекции, реализации в устройствах детектирования методов адаптивной техники, организации обмена данными по сети с интерфейсом RS-485 по достаточно простому, гибкому и помехоустойчивому протоколу, реализации методов, позволяющих регистрировать выходные сигналы детекторов разных типов, выполнению группового блока предварительной обработки информации.

5 Практическая ценность полученных данных состоит в том, что на их основе было создано новое поколение программно — управляемой аппаратуры для измерения ионизирующих излучений. Приведенные в диссертации рекомендации и положения позволили выполнить ряд приборов для измерения ионизирующих излучений, информационно-измерительных систем и аппаратурных комплексов, обладающих существенно лучшими по сравнению с существовавшими измерительными и эксплуатационными характеристиками. Так значение слагающей основной погрешности, обусловленное разбросом характеристик детекторов, удается снизить с 20—30% до 2—3%, вызванное отклонением измерительной характеристики от линейной при больших импульсных загрузках — с 10—20% до 1—1,5%, дополнительной температурной погрешности — понизить в 4—5 раз. Сжатие данных позволяет з уменьшить объем передаваемой информации до 10 раз с сохранением ее ценности для экспериментатора.

6 Практическая реализация положений, приведенных в диссертации — создание приборных программно-управляемых комплексов для измерения характеристик радиационных потоков СКА-1 («Бекас»), СКА-2 («Сойка») и СКА-3 («Перепел»), осуществлявших в автоматическом режиме в течение нескольких лет измерения на околоземных орбитах по проекту «Интербол», прибора ССРГ («Бокал») для измерения фотонного излучения солнечных вспышек на борту космического аппарата, приборов СЭМН («Бисер») и СЭМВ («Буклет») и выполнение пилотного образца информационно-измерительной системы на программно-управляемых устройствах детектирования и дополнительных устройствах из комплекса технических средств контроля радиационной обстановки КТС КРО («Орешник-Т») полностью подтвердила правильность этих положений и эффективность предложенных методов и технических решений.

7 Проработанные и принятые общие технические решения по выполнению «интеллектуальных» устройств детектирования, организации управляющих программ, обмена данными с устройствами более высокого уровня и т. п. были оформлены как стандарт предприятия СТП. 1701.02.010−00 «Комплекс технических средств контроля радиационной обстановки (КТС КРО). Устройства детектирования. Общие технические требования» (введен в действие 29.04.2000) и вошли в проект методических указаний Департамента безопасности и чрезвычайных ситуаций Минатома России «Радиационный контроль. Стационарные автоматизированные системы. Программное обеспечение» .

8 Основные материалы, положенные в основу настоящей работы, и положения диссертации изложены автором в 26 статьях, опубликованных в открытой печати, и были доложены на двух отраслевых конференциях и одном международном семинаре.