Метрологическое обеспечение измерительных систем (стр. 36 )

Цель исследования

Целью исследования являются разработка нового метода и технического решения микропроцессорного измерителя доз УФО и ОСС с автоматической коррекцией систематических погрешностей измерений.

Основной материал и результаты исследования

В результате проведенного анализа литературных источников и патентов установлено, что существующие измерители доз УФО и ОСС (УФ-дозиметры и приборы типа „Агрус”, спектрорадиометры ПИОН-УЭФ и др.) реализуют, в основном, прямые методы измерений. Эти методы не учитывают изменения значений параметров функции преобразования (ФП) фотоприемника (ФПр) под действием внешних дестабилизирующих факторов (температуры, влажности, давления и т. п.) и во времени (в результате деградации материалов чувствительных и конструктивных элементов ФПр и других элементов схемы дозиметра), не учитывают значения коэффициента качества или коэффициента биологической активности выделенного спектрального потока излучения, не учитываются биологические особенности кожи людей европейской, монголоидной, негроидной и смешанных рас. Всё это ограничивает возможности прямых методов измерений и приводит к увеличению погрешности измерений.

В большинстве случаев не ясно, какая дозиметрическая величина принимается за дозу облучения. Отсутствуют узаконенные термины и определения единиц физических величин (ФВ), используемых в медицине и биологии. В настоящее время за единицу эритемной радиации принимают 1 мкВт×см–2 лучистой энергии с длиной волны l=296,7 нм, что соответствует 1 мкЭр×см–2. Аналогичный подход используется для характеристик других дозиметрических величин.

Указанные недостатки обусловили необходимость разработать та-кой метод измерений доз УФО и ОСС, который обеспечил бы высокую точность измерений во всех спектральных диапазонах излучений, и учитывал бы биологические особенности кожи людей европейской, монголоидной, негроидной и смешанных рас.

Анализ показал, что решение данной задачи возможно с использованием методов избыточных измерений (МИИ) ФВ [5, 6]. В общем виде математическая модель предложенного МИИ, при линейной функции преобразования (ФП) сенсора или измерительного канала (ИК) (), представляет собой систему линейных уравнений величин

(1)

и ее решение (т. е. уравнение избыточных измерений)

, (2)

относительно искомой ФВ .

В (1) и (2) – реальная крутизна преобразования измерительного канала (ИК), причем; – номинальная по размеру крутизна преобразования ИК; – относительное изменение крутизны преобразования ИК в результате воздействия дестабилизирующих факторов и деградации элементов ИК; – реальное смещение ФП; – выходные величины (или результаты измерений); – нормированная по значению ФВ.

В основу работы цифрового измерителя доз УФО и ОСС положен метод преобразования неизвестных и известных по размеру мощности спектральных потоков ультрафиолетового или синего излучений в действующие значения напряжений на протяжении нормированного интервала времени. Полученные напряжения измеряются, а результаты измерений запоминаются. Одновременно измеряются и запоминаются интервал времени , текущее время ti и значение плоскостей () поверхностей чувствительных элементов ФПр и биообъекта (SП).

Данные о площадях поверхности биообъекта записываются в ОЗУ. Об измеряемых биодозах судят по данным обработки результатов промежуточных измерений согласно априори выведенных уравнений избыточных измерений.

На рис. 1 приведена структурная схема технического решения цифрового измерителя доз (ЦИД) УФО И ОСС, где 1 – съемная полусферическая матовая кварцевая насадка, используемая при измерениях облученности на поверхности объекта; 2 – корпус сенсора; 3 – оптико-элек-тронная часть сенсора; 4 – полупрозрачная пластинка; 5 – диафрагма; 6 – тепловой фильтр; 7, 8, 9 и 10 – первый, второй, третий и четвертый полосовые фильтры; 11, 12, 13 и 14 – первый, второй, третий и четвертый узкополосные фильтры; 15 – составной четырехполосный фильтр; 16 – источник ультрафиолетового и синего излучений; 17 – отражающее зеркало; 18 – заслонка; 19, 20, 21 и 22 – первая, вторая, третья и четвертая линзы; 23, 24, 25 и 26 – первый, второй, третий и четвертый ФПр с предусили-телями; 27, 28, 29 и 30 – управляемые линейные интегрирующие устройства (УЛИУ); 31, 32, 33 и 34 – согласующие усилители (СУ); 35 – автоматический переключатель (АП); 36 – преобразователь код-напряжение (ПКН); 37 и 38 – первый и второй преобразователи код-перемещение (ПКП); 39 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 40 – МК (МК); 41 – оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); 42 – перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ); 43 – счетчик текущего времени (СТВ) с цифровым отсчетом; 44 – счетчик времени облучения (СВО); 45 – цифровое отсчетное устройство (ЦОУ); 46 – общая шина (ОШ).

Рассмотрим работу предложенного ЦИД УФО И ОСС. Она состоит из трех тактов измерений, одного такта обработки результатов промежуточных измерений и заключается в следующем.

Предположим, что на биообъект (например, поверхность кожи животных, человека и т. п.) и на сенсор ЦИД УФО и ОСС действует поток лучевой энергии ультрафиолетового и синего излучений.

После включения питания все функциональные элементы ЦИД по команде с МК 40 устанавливаются в начальное состояние. ПКП 37 устанавливается в положение, при котором диафрагма 5 закрыта. Собирающая линза 1 направляет внешние потоки оптического излучения на поверхность теплового фильтра 6. Внешний поток ультрафиолетового и синего излучений на полупрозрачную пластину 4 не поступает, поскольку диафрагма 5 закрыта. По команде с МК 40 ПКП 37 устанавливает заслонку 18 в положение, показанное на рис. 1, при котором на фокусирующие линзы 19-22 ФПр 23-26 поступает поток ультрафиолетового и синего от источника 16 излучений через узкополосные фильтры 11-14.

Рис. 1. Структурная схема технического решения ЦИД УФО И ОСС

По команде с МК 40 на цифровые входы ПКН 36 из ПЗУ 42 поступает код числа, который формирует на выходе ПКН 36 напряжение питания источника 16. Источник 16 ультрафиолетового и синего излучений включается и прогревается на протяжении заданного интервала времени выхода на режим. Отраженный от зеркала 17 поток оптического излучения поступает на составной четырехполосный фильтр 15. На выходе этого фильтра формируются потоки ультрафиолетового и синего излучений на длинах волн λ01 = 253,7 нм, λ02 = 296,7 нм, λ03 = 339,7 нм и λ04 = 420 нм с заданными нормированными значениями мощности при нормированном значении полосы пропускания, т. е. при . Причем.

Готовый к работе СТВ 43 показывает текущее время СВО 44, как и ЦОУ 45, показывает ноль.

Для выполнения измерений нажимается кнопка „пуск" (на рис. 1 не показана), которая расположена на пульте управления работой МК 40. В результате включается СВО 44, и начинается процесс измерения доз УФО и ОСС.

В первом такте измерений диафрагма 5 закрыта. Потоки ультрафиолетового излучения с выхода составного четырехполосного фильтра 15 с длинами волн λ01 = 253,7 нм, λ02 = 296,7 нм, λ03 = 339,7 нм и λ04 = 420 нм и с заданными нормированными значениями мощностей поступают на полупрозрачную пластинку 4, отражаются от неё и, через узкополосные фильтры 11-14, поступает на фокусирующие линзы 19-22 ФПр 23-26 соответственно.

С помощью управляемых ЛИУ 27-30 выходные сигналы ФПр усредняются в течение заданного (нормированного) интервала времени и, через СУ 31-34, в виде соответствующих напряжений поочередно поступают на АЦП 39.

Необходимо отметить, что в каждом ИК (см. рис. 1) мощность искусственных монохроматических потоков , ультрафиолетового и синего излучений преобразуется, соответственно, в действующие значения напряжений .

По команде с МК 40 выходы СУ 31-34 каждого из ИК поочередно подключаются ко входу АЦП 39 с помощью АП 35. В результате выходные напряжения (3)-(6) СУ 31-34 преобразуются, соответственно, в коды чисел N01, N02, N03, N04. Полученные результаты в виде соответствующих кодов чисел запоминаются в ОЗУ 32.

Во втором такте, по команде с МК 40, на цифровой вход кодоуп-равляемого ПКП 37, который кинематически соединен с диафрагмой 5, поступает управляющий код, при котором диафрагма 5 открывается (см. рис. 1). Одновременно на цифровой вход ПКП 38 через ОШ 46 с выхода МК 40 поступает сигнал, который перемещает заслонку 18. Во втором такте вместо узкополосных фильтров 11-14 над фокусирующими линзами 19-22 ФПр устанавливаются четыре полосовых фильтра 7-10. Ширина полос пропускания данных фильтров выбирается на уровне 0,5 равной: соответственно.