I STYTUT CHEMII I TECH IKI JĄDROWEJ

Transkrypt

1 I STYTUT CHEMII I TECH IKI JĄDROWEJ OPRACOWANIE WEWNĘTRZNE IChTJ nr... TYTUŁ PRACY: Zestaw do Radiometrii Przemysłowej Założenia AUTORZY: Adrian Jakowiuk, Bronisław Machaj STRESZCZENIE PRACY: Niniejsze założenia dotyczą zadania nr. 1 Zestaw do Radiometrii Przemysłowej opracowywanego w ramach projektu POIG Nr UDA-POIG /08-00, owa generacja inteligentnych urządzeń radiometrycznych z bezprzewodową teletransmisją informacji. Przy dokonywaniu pomiarów radiometrycznych w warunkach przemysłowych i terenowych często potrzebne są sondy pomiarowe rozmieszczone w znacznej odległości (nawet do kilkuset metrów) od siebie czy też od jednostki centralnej. Wymaga to transportu i rozmieszczenia w terenie dużej ilości kabli. Kable te można zastąpić falami radiowymi, lecz aby tego dokonać należy opracować nową sondę (autonomiczną). Sonda taka będzie wyposażona we własne źródło zasilania oraz układ komunikacyjny do połączenia z komputerem centralnym. W wyniku takich zmian wyeliminowana zostanie potrzeba opracowania specjalizowanego bloku elektroniki. Funkcję takiego bloku spełniać będzie komputer typu laptop wyposażony w układy bezprzewodowej komunikacji z sondami pomiarowymi, oraz z odpowiednim oprogramowaniem Zatwierdzam:... (Kierownik Projektu)... (Kierownik Laboratorium) Możliwość zastosowania: W zastosowaniach przemysłowych wykorzystywane są przez specjalizowane grupy usługowe do badania procesu mieszania różnych składników w mieszalnikach, oraz przepływu w instalacjach chemicznych. Na podstawie takich pomiarów można dokonać optymalizacji procesów przemysłowych. W przypadku badań polowych określany jest rozpływ ścieków pozwalający na ocenę samooczyszczania się wód.... (Dyrektor IChTJ) Laboratorium Technik Jądrowych Zakończono dnia Umowa nr: UDA-POIG /08-00 Symbol UKD: Symbol I IS: Ochrona inf. o pracy: 721.C D.22 C Słowa kluczowe: Radiometria przemysłowa, pomiar promieniowania, sondy

2 Zadanie 1 - Zestaw do Radiometrii Przemysłowej Założenia Opracowano w ramach projektu PO IG UDA-POIG /08-00 owa generacja inteligentnych urządzeń radiometrycznych z bezprzewodową teletransmisją informacji

3 1. Wprowadzenie Niniejsze założenia dotyczą zadania nr. 1. Zestaw do radiometrii przemysłowej opracowywanego w ramach projektu POIG Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka, Badania i Rozwój nowoczesnych Technologii Przy dokonywaniu pomiarów radiometrycznych w warunkach przemysłowych i terenowych często potrzebne są sondy pomiarowe rozmieszczone w znacznej odległości (nawet do kilkuset metrów) od siebie czy też od jednostki centralnej. Wymaga to transportu i rozmieszczenia w terenie dużej ilości kabli. Kable te można zastąpić falami radiowymi, lecz aby tego dokonać należy opracować nową sondę (autonomiczną). Sonda taka będzie wyposażona we własne źródło zasilania oraz układ komunikacyjny do połączenia z komputerem centralnym. W wyniku takich zmian wyeliminowana zostanie potrzeba opracowania specjalizowanego bloku elektroniki. Funkcję takiego bloku spełniać będzie komputer typu laptop wyposażony w układy bezprzewodowej komunikacji z sondami pomiarowymi, oraz z odpowiednim oprogramowaniem 2. Wymagania Projektowana sonda powinna spełniać następujące wymogi: maksymalna częstość zliczeń imp/s, zdalnie ustawiany czas zliczeń (od 0,125s do 120s), sonda wyposażona powinna być we własne źródło zasilania pozwalające na ciągłą pracę co najmniej przez 48h, synchronizacja pracy sond (równoczesny start pomiaru), przesyłanie wyników pośrednich (w trakcie trwania pomiaru, co zadany okres czasu), możliwość zdalnego zarządzania sondami za pomocą komputera przenośnego (laptopa) sonda scyntylacyjna wykonana zostanie w dwu wersjach: 1) komunikacja z jednostką sterującą za pomocą technologii WiFI 2) komunikacja z jednostka sterująca za pomocą technologii GSM odległość, z jakiej można się łączyć z sondą powinna wynosić około 300m w przypadku wersji WiFI, oraz bez ograniczeń w wersji GSM, Sondy pomiarowe powinny być wyposażone w mikrokontrolery których zadaniem będzie rejestrowanie impulsów z sondy scyntylacyjnej i przekazywanie ich do jednostki sterującej (w założonym okresie czasu lub na żądanie). Oprócz tego układ ten będzie miał za zadanie przesyłanie informacji dotyczących stanów alarmowych: rozładowanie akumulatora, przepełniony bufor zliczeń, brak połączenia z sondą scyntylacyjną, Na rys. 1. przedstawiony został przykładowy sposób połączenia sond pomiarowych z jednostką centralną. Zaprezentowany układ zbudowany jest z dwóch sond typu GSM (połączenie z jednostką centralną poprzez internet za pomocą sieci telefonii komórkowej) oraz z dwóch sond typu WiFI (połączone z jednostką centralną za pomocą fal radiowych). W takim rozwiązaniu jednostka centralna powinna być wyposażona w moduł pozwalający na dostęp do Internetu (wykorzystujący sieć GSM) oraz moduł WiFI. Zadanie 1: Zestaw do radiometrii przemysłowej - Założenia 1

4 Sondy GSM Sieć GSM Sondy WiFI Jednostka sterująca Rys. 1. Schemat funkcjonalny łączności bezprzewodowej sond pomiarowych z jednostką sterująca (komputerem centralnym). Projektowane sondy pomiarowe powinny być wyposażone we własne źródło zasilania, a co za tym idzie elementy z których taka sonda będzie zbudowana, powinny pracować z jak najmniejszym poborem prądu. 3. Schemat blokowy sondy scyntylacyjnej Na rys. 2 przedstawiono schemat funkcjonalny sondy scyntylacyjnej i jej komunikacji z komputerem centralnym. GSM SC FP BES AC PC LAD Rys. 2. Schemat blokowy sondy scyntylacyjnej SC - scyntylator ai(tl) φ50 x 50 mm, w formie scyntybloku razem z fotopowielaczem, FP - fotopowielacz scyntybloku, BES - blok elektroniki sondy (układ mikrokontrolera, zasilacz wysokiego napięcia, układ bezprzewodowej transmisji danych (WiFI, GSM), układ automatycznej regulacji wzmocnienia, sygnał rozładowania akumulatora), AC - akumulator zapewniający 48 godz. pracy ciągłej, LAD - zewnętrzna ładowarka akumulatora, GSM - sieć GSM, PC - jednostka centralna (laptop przemysłowy) Szybkość liczenia impulsów mierzona jest za pomocą programowalnych liczników impulsów w bloku elektroniki sondy BES pod kontrolą układu mikroprocesorowego, Zadanie 1: Zestaw do radiometrii przemysłowej - Założenia 2

5 zapisywana jest w pamięci sondy, oraz wysyłana bezprzewodowym połączeniem do komputera personalnego PC. Przesłane z sondy wyniki pomiaru szybkości liczenia impulsów do bloku elektroniki są prezentowane na bieżąco na monitorze komputera w postaci wykresów lub tablicy wyników pomiaru. Dla celów archiwizacji wyniki pomiarów zapisywane są w pamięci komputera. Możliwe jest także przesłanie ich do innego komputera. Na rys. 3 przedstawiono bardziej szczegółowy schemat blokowy układów elektronicznych sondy. E1 E2 Widmo Cs-137 A E1 L1 WiFi E2 L2 up GSM SB ZW DAC GL W 6V AC LK C Rys. 3. Schemat blokowy układów elektronicznych sondy, oraz widmo promieniowania gamma Cs-137, SB - scyntyblok, scyntylator ai(tl) φ50x50 mm + fotopowielacz, A - wzmacniacz impulsów, E1 - roboczy próg dyskryminacji 150 kev, L1 - licznik impulsów toru pomiarowego, E2 - próg dyskryminacji do regulacji wzmocnienie fotopowielacza, L2 - licznik impulsów do regulacji wzmocnienia fotopowielacza, DAC - przetwornik cyfrowo analogowy regulacji napięcia fotopowielacza, ZW - zasilacz wysokiego napięcia fotopowielacza fotopowielacz bez dzielnika oporowego, zasilacz z wielokrotnie powielaniem napięcia, AC - akumulator 6V/5 Ah, GL - gniazdo ładowarki akumulatora, W - wyłącznik napięcia, C - czujnik napięcia akumulatora, LK - lampka sygnalizacyjna, up - kontroler mikroprocesorowy, WiFi - układ komunikacji bezprzewodowej WiFI, GSM - układ komunikacji bezprzewodowej GSM z internetem Impulsy z wyjścia fotopowielacza są wzmacniane we wzmacniaczu A, następnie są one podawane na dwa dyskryminatory impulsów E1 i E2.oraz są zliczane w licznikach impulsów L1 i L2 pod kontrolą układu mikroprocesorowego up. Dyskryminator E1 oraz licznik L1 stanowią główny tor pomiarowy szybkości liczenia impulsów od promieniowania rejestrowanego przez scyntyblok. Dyskryminator impulsów E2 oraz licznik L2 stanowią Zadanie 1: Zestaw do radiometrii przemysłowej - Założenia 3

6 pomocniczy układ do regulacji wzmocnienia fotopowielacza. Wysokie napięcie fotopowielacza ZWN kontrolowane jest poprzez przetwornik cyfrowo analogowy DAC przez układ mikroprocesorowy up. Sonda zasilana jest z akumulatora AC. Akumulator jest ładowany z zewnętrznej ładowarki podłączanej do gniazda GL. Wyłącznik W służy do podłączania zasilania do układów elektronicznych, oraz do zasilacza wysokiego ZWN. Czujnik napięcia akumulatora CN sygnalizuje światłem ciągłym (lampka LK) pełne naładowanie akumulatora. Światłem pulsującym sygnalizowane jest niepełne naładowanie akumulatora o częstotliwości pulsacji rosnącej gdy napięcia akumulatora maleje. Ten sam czujnik generuje sygnał rozładowania akumulatora wysyłany poprzez układ mikroprocesorowy do komputera centralnego. Automatyczna regulacja wzmocnienia fotopowielacza przeprowadzana jest gdy scyntylator scyntybloku SB jest napromieniowany zewnętrznym źródłem gamma Cs-137 o niskiej aktywności. Na rys 3. pokazano widmo promieniowania Cs-137 oraz usytuowanie progów dyskryminacji E1 i E2 w stosunku do widma promieniowania. Dla wzmocnienia nominalnego fotopowielacza Uo mierzona jest liczba zliczeń impulsów n1 i n2 powyżej progów dyskryminacji E1 i E2, oraz wyliczany jest stosunek k0=n1/n2. Wartość napięcia Uo oraz k0 zapisana jest w pamięci mikroprocesora. Napięcie fotopowielacza Uo odtwarzane jest z pamięci po każdym załączeniu zasilania z akumulatora. Po wywołaniu funkcji automatycznej regulacji wzmocnienia fotopowielacza mierzona jest liczba zliczeń n1, n2 oraz wyliczania nowa wartość współczynnika kx=n1/n2. Stosunek kx/k0= 1 dla wzmocnienia nominalnego fotopowielacza, kx/k0 > 1 dla wzmocnienia niższego niż nominalne, kx/ko < 1 dla wzmocnienia wyższego niż nominalne. Na podstawie stosunku kx/k0 wyznacza się wielkość napięcia U o jakie należy skorygować napięcie fotopowielacza Uo=Uo+ U dla przywrócenia nominalnego wzmocnienia. Nowe napięcie fotopowielacza zapisane zostaje w pamięci mikroprocesora. Szacowany pobór prądu sondy wynosi: 10 ma - zasilacz wysokiego napięcia 10 ma - układy elektroniki 400 ma - w czasie transmisji.gsm Przesłanie wyniku pomiaru wymaga ok. 600 bajtów.= 4800 bitów. Przy szybkości transmisji 250 kb GSM czas transmisji = 4.8/250-= s. Średni pobór prądu przy czasie zliczania s wyniesie /0.125*400=62 ma (skrajny przypadek). Dla zapewnienia 48 godz. pracy ciągłej pojemność akumulatora winna wynosić 48*0.062 =2.98 Ah. Akumulator o pojemności 5 Ah powinien z zapasem spełnić warunek 48 godzin ciągłej pracy. Dla czasu zliczania 1 s (60 transmisji na minutę) średni prąd transmisji wyniesie ok. 7 ma, całkowity pobór prądu ok.27 ma, a akumulator 1.3 Ah winien zapewnić 48 godz. pracy ciągłej. Przyjęto że w warunkach rzeczywistych pomiarów gdzie skrajnie krótki czas zliczania impulsów będzie wykorzystywany sporadycznie, akumulator o pojemności 10 Ah zapewni 48 godzin pracy ciągłej sondy Oprogramowanie sondy Oprogramowanie sondy winno zapewnić wykonywanie poniższych funkcji: automatyczną regulację wzmocnienia toru pomiarowego oraz ustawienie nominalnego napięcia fotopowielacza zapisanego w pamięci sondy. Zadanie 1: Zestaw do radiometrii przemysłowej - Założenia 4

7 pomiar tła sondy po załączeniu napięcia korektę tła sondy ustawienie czasu zliczania impulsów, od s do 120 s ustawienia rodzaju pomiaru: ciągły, pojedynczy wysyłanie informacji alarmowych (rozładowanie akumulatora, przepełniony licznik, itp.) Konstrukcja sondy Koncepcję rozwiązania konstrukcyjnego sondy przedstawiono na rys. 4. Obudowa sondy składa się z dwu cylindrów, każdy zamknięty z jednej strony a z drugiej zaopatrzony w gwint, do skręcania (góra i dół sondy), oraz cylindrycznego pierścienia z otworami pozwalającymi na dostęp do gniazda ładowania akumulatora, do wyłącznika napięcia zasilania i do gniazda anteny bezprzewodowego portu. Po naładowaniu akumulatora, oraz po załączeniu napięcia zasilania otwory zamykane będą za pomocą nakrętek śrubowych. Gniazdo anteny winno być uszczelnione za pomocą odpowiedniej żywicy. (kleju). Na czas transportu antena bezprzewodowego portu powinna być wyjmowana (wykręcana) z obudowy sondy. Uchwyt sondy Akumulator Blok elektroniki sondy Skręcanie na gwint Pierścień z otworami dostępu do wyłącznika napięcia zasilania W, gniazda ładowania akumulatora GL, gniazdo impulsu analogowego GA, oraz gniazdo podłączenia anteny bezprzewodowego łącza. Otwory wyłącznika i gniazda ładowania.zakręcane na śrubę. Gniazdo anteny wodoszczelne. Na pierścieniu znajduje się też numer roboczy sondy Skręcanie na gwint Scyntyblok Okienko mm wklejane do obudowy Osłona okienka Rys. 4. Koncepcja rozwiązania konstrukcji sondy Zadanie 1: Zestaw do radiometrii przemysłowej - Założenia 5

8 Wyłącznik zasilania sondy jest podświetlany lampką sygnalizacyjną (lampka LK na rys. 3). Załączenie napięcia sygnalizowane jest zapaleniem się lampki sygnalizacyjnej. Potrzebę ładowania akumulatora sygnalizowane jest pulsującym światłem lampki LK. 4. Centralny komputer Komputer centralny w postaci laptopa w wykonaniu przemysłowym wyposażony jest w układy komunikacji bezprzewodowej WiFi i GSM oraz odpowiednie oprogramowanie. zapewniające poprawną pracę sieci pomiarowej: Równoczesna praca sond w sieci pomiarowej pod nadzorem komputera centralnego Po załączeniu napięcia sond pomiarowych i komputera centralnego na ekranie monitora wyświetlana jest informacja jakie sondy znajdują się w sicie pomiarowej, oraz jaki jest stan akumulatorów sond, ewentualnie wynik testu sond. Wykonywane funkcje Programowanie parametrów pomiaru Czas zliczania impulsów / 1 / 5/ 10 / 30 / 60 / 120 s Tryb pomiaru: ciągły, pojedynczy Wykonywanie pomiarów Równoczesny start pomiaru przez wszystkie sondy Odczytywanie wyników pomiaru sond i ich bieżąca prezentacja w postaci wykresu Zapis wyników pomiaru w pliku komputera Przeglądanie wyników pomiaru Wyświetlenie dostępnych plików z wynikami pomiarów Wykres wyników pomiaru wybranych sond pomiarowych z możliwością wyznaczenia czasu od początku pomiaru wybranego fragmentu wykresu Wydruk wybranych wyników pomiaru w postaci wykresu Wydruk wybranych wyników pomiaru w postaci tabelarycznej Funkcje kontrolne i serwisowe Automatyczna regulacja wzmocnienia Zapis napięcia fotopowielacza w pamięci sondy Zapis k0 w pamięci sondy Kontrola poprawności pracy wybranych sond licznik impulsów Przesyłanie wyników pomiarów do innego komputera. Zadanie 1: Zestaw do radiometrii przemysłowej - Założenia 6