TW201416698A - 再生高壓游離腔數位環境監測儀 - Google Patents

Abstract

一種再生高壓游離腔數位環境監測儀，其包含有一高壓游離腔；一與高壓游離腔連接之電流及溫度轉換頻率單元；一與電流及溫度轉換頻率單元連接之嵌入式控制器；一與嵌入式控制器連接之通訊單元；一與嵌入式控制器連接之電源供應單元；以及一與嵌入式控制器連接之警報輸出單元。藉此，可利用電流及溫度轉換頻率單元，將電壓游離腔微弱電流與溫度感測電壓轉換為計數脈衝做為數位化處理，且利用嵌入式控制器移動平均與溫度補償加入輻射評估，並以通訊單元提昇監控反應速度，而達到有效簡化硬件與擴大應用空間、自動修正高壓游離腔之非線性溫濕度特性以及核子事故應自動急監測之功效。

Description

再生高壓游離腔數位環境監測儀

本發明是有關於一種再生高壓游離腔數位環境監測儀，尤指一種可利用電流及溫度轉換頻率單元，將電壓游離腔微弱電流與溫度感測電壓轉換為計數脈衝做為數位化處理，且利用嵌入式控制器移動平均與溫度補償加入輻射評估，並以通訊單元提昇監控反應速度，而達到有效簡化硬件與擴大應用空間、自動修正高壓游離腔之非線性溫濕度特性以及核子事故應自動急監測之功效者。

由於高壓游離腔具有高靈敏度、高可靠性、卓越的能量響應和劑量響應以及能忍受惡劣氣候條件的諸多優點，一出現後便受到國際青睞，被廣泛地安裝在各類核設施周圍、核應急預警系統以及政府的民防部門。在適當之電子設計搭配下，測量量程可跨九個數量級0.1μR/h～100R/h即1nGy/h～1Gy/h），使少量的放射物無所遁形，又可在災難性事件中給出正確的劑量值，供各級主管部門作出正確的決策，保護人民生命財產的安全。
而一般習用之高壓游離腔環境輻射監測儀，主要構成包含有高壓游離腔(HPIC)、靜電計(Electrometer)、A/D轉換電路、微電腦劑量率演算資料傳輸/儲存/警報、電源供應、外殼機箱等架構組合六部份；藉此，可利用該高壓游離腔環境輻射監測儀做為標準之環境加馬劑量率連續偵測裝備。
而以習用之高壓游離腔環境輻射監測儀而言，其至少包含有下列缺點：
1.微弱電流計：以高值電阻將高壓游離腔微弱電流轉換為電壓，再實施類比數位轉換(ADC)之既有設計，因配合ADC元件特性，必須在前端使用2-3只電磁開關之機械動作，執行測量範圍之切換，在臺灣悶熱氣候下應用之實務經驗，接點氧化或漏電引致之故障率極高；此外，送至ADC高阻抗之電壓信號，極易受到干擾，常有異常突波電壓滲透，造成量測數據解析之困擾。
2.通訊功能：原廠設計，僅提供舊式RS485串列通信接口。而市場上3C產品進步快速，慢速單工之RS485串列通信早已淘汰消失，由TCP/IP乙太網路、USB、無線藍牙等新一代高速寬頻接口取代。
3.自動調整功能：習用之設計係將所有工作特性趨於固定式；一旦面臨異常環境事故，如氣候異常、外電喪失、劑量率陡升、或機動運用，調整作業，完全仰賴手動，十分困難。
有鑑於此，本案之發明人特針對前述習用發明問題深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，積極尋求解決之道，經過長期努力之研究與發展，終於成功的開發出本發明「再生高壓游離腔數位環境監測儀」，藉以改善習用之種種問題。

本發明之主要目的係在於，可利用電流及溫度轉換頻率單元，將電壓游離腔微弱電流與溫度感測電壓轉換為計數脈衝做為數位化處理，且利用嵌入式控制器移動平均與溫度補償加入輻射評估，並以通訊單元提昇監控反應速度，而達到有效簡化硬件與擴大應用空間、自動修正高壓游離腔之非線性溫濕度特性以及核子事故應自動急監測之功效。
為達上述之目的，本發明係一種再生高壓游離腔數位環境監測儀，其包含有：一高壓游離腔；一與高壓游離腔連接之電流及溫度轉換頻率單元；一與電流及溫度轉換頻率單元連接之嵌入式控制器；一與嵌入式控制器連接之通訊單元；一與嵌入式控制器連接之電源供應單元；以及一與嵌入式控制器連接之警報輸出單元。
於本發明之一實施例中，該高壓游離腔係為一不鏽鋼球體。
於本發明之一實施例中，該電流及溫度轉換頻率單元係為複雜可程式邏輯裝置（Complex Programmable Logic Device, CPLD）。
於本發明之一實施例中，該嵌入式控制器係可為單晶片，其進一步包含有記憶單元及計時單元。
於本發明之一實施例中，該通訊單元係包含有 RJ45 通訊介面、 RS232通訊介面、TTL-RS232通訊介面、無線藍牙裝置及乙太網路介面。
於本發明之一實施例中，該警報輸出單元係為高電壓及高電流之達靈頓驅動器。

請參閱『第１及第２圖』所示，係分別為本發之基本架構示意圖及本發明之流程示意圖。如圖所示：本發明係一種再生高壓游離腔數位環境監測儀，其至少包含有一高壓游離腔１、一電流及溫度轉換頻率單元２、一嵌入式控制器３、一通訊單元４、一電源供應單元５以及一警報輸出單元６所構成。
上述所之高壓游離腔１係為一直徑10英吋（25.4cm）的不鏽鋼球形外殼組成，球殼壁厚1/8英吋(約3.18mm)，球心有一個直徑2英吋（5.08cm）的球體，它通過一根支杆，與外殼間採用陶瓷密封並絕緣，且該高壓游離腔１充有25個大氣壓4.2公升的氬氣，而於工作時則連接有-400V高壓供應器１１，該高壓游離腔１工作原理為帶電粒子通過游離腔(ionization chamber)內壁時，會使氣體游離產生-離子對，如果游離腔內有適當之電場，則游離產生的電子-離子對即可被外面電路收集而產生脈衝信號，一般而言電子-離子對的數目n為n= E/W，W為使氣體分子游離的平均能，而各種氣體的W值其值均為25~35eV高壓游離腔１之間。
該電流及溫度轉換頻率單元２係與高壓游離腔１連接，而電流及溫度轉換頻率單２元係為複雜可程式邏輯裝置（Complex Programmable Logic Device, CPLD），且其信號反應速度100ns以下情形需要高速累加計數器做即時處理能力，最高脈波輸入可到100MHz頻率，硬體設計採用+3.3V電源有2通道(Channel)高速累加計數器輸入，非同步式Ripple Counter 設計，2通道控制信號共同使用，2組32bits資料採用串列同步方式讀出，二通道高速累加器計數器使用上係依照開始測量、停止測量以及讀取計數值方式之順序進行操作。
該嵌入式控制器３係與電流及溫度轉換頻率單元２連接，而該嵌入式控制器３係可為單晶片，其進一步包含有記憶單元３１及計時單元３２，其電壓操作範圍3.15V to 3.45V在3.3V低消耗功率電源操作耗電流DC 250Ma@44.2MHz及包含5V輸出入工作界面，可具有備份、記憶及時鐘功能，提供看門狗(Watch Dog)管理監督者功能，4通道PWM提供10bit自由計數器和優先中斷功能，2通道輸入計時捕捉暫存器功能，2通道Quadrature Decode，有10組8bit計時器(6組可做串接3組保留內部周邊使用1組10bit計時做2 match 暫存器) ，其充足儲存空間安全韌體和資料傳送完整強大微處理器及充沛支援開發環境可節省開發時間。
該通訊單元４係與嵌入式控制器３連接，而該通訊單元係包含有 RJ45 通訊介面、 RS232通訊介面、TTL-RS232通訊介面、無線藍牙裝置及乙太網路介面，其中該串列通信(RS232)輸出入電路(2ch)、乙太網路(Ethernet-TCP/IP) 採用ZYWYN公司低號電+5V操作速度250kbsps之RS232串列通信傳送接收元件，符EIA/TIA-232F和CCITT V.28/V.24規格低耗工作電流普通3mA，專屬開闢電容穩壓轉換器只須外加4顆0.1μF電容器，本發明採用兩組RS232串列通信界面，一組主要做為高壓游離腔１對外串列通信規格相容現有GE RUTER STOCK HPIC RSS-121及RS-131資料傳送接收，並有TTL信號位準直接與外界近距串列通信使用；一組完全是RS232通信界面做保留擴充，而乙太網路是一種電腦區域網路組網技術，它規定了包括物理層的連線、電訊號和介質存取層協定的內容，標準拓撲結構為匯流排型拓撲，目前乙太網路使用（10BASE-T、100BASE-T標準）硬體連線採用RJ45標準雙絞線，通信協定採用TCP/IP格式。
該電源供應單元５，係與嵌入式控制器３連接，其主要之電源供應係採用AC 90 to 250V產生DC +10V to 40V範圍提供再生高壓游離腔監測儀及備份鋰電池XPAL-DC+19V/3.5A/max70W/H，內部採用LM2575T-5 DC+5V輸出提供1A電流負載，有寬範圍輸入電壓+DC 4V至40V、低耗電流模式低於200μA耗電電流只須外加4顆零件、超過80%轉換效率在50kHz內部固定頻率、內部有熱溫超限關閉及過電流限制保護電路。LM2575T提供+5V給另外一組電源穩壓器LT1117-3.3 輸出DC+3.3V為SOT-223 SMT包裝800mA電流負載，主要提供嵌入式控制器RCM3365、CMOS可程式邏輯元件(CPLD)EPM3128A所需要電源；其他供應給ULN2003、ZT232 x2、外加微電流放大轉換頻率輸出電路(I/F電路)、數位精確溫度感測器、及供應給高壓游離腔之高壓產生器電路。
該警報輸出單元６係與嵌入式控制器３連接，其係採用高電壓及高電流達靈頓驅動組合，共包含有7組NPN達靈頓電晶體對，每一對輸出500mA電流，可維持50V高電壓，輸出內含箝位二極體，輸入相容TTL、CMOS電壓位準；主要做為高壓游離腔劑量率超級上下限值警報、腔體內部溫度異常超越上下警報、對外通信異常警報、內部參數與工作異常警報；而數位邏輯輸入(3ch)TTL信號準位警報輸出外界清除動作及保留擴充使用。如是，藉由上述之設計構成一全新之再生高壓游離腔數位環境監測儀。
當本發明於使用時，係由高壓游離腔１、電流及溫度轉換頻率單元２、嵌入式控制器３、通訊單元４、電源供應單元５以及警報輸出單元６之相互配合進行作動，而以高壓游離腔１之微弱電流放大後經電流及溫度轉換頻率單元２輸出脈衝率信號再以嵌入式控制器３利用軟體程式之數學演算軟體控制並計算輸出輻射計測值；而算時係採用浮動平均演算法，使嵌入式控制器３每秒讀取計數器32Bits計數值，對每一計數陣列使用五點暫態控制移動平均演算步驟，加上呆時(dead time)補償，換算為計數率(cpm)，存入對應之最近512筆浮點時序計數率陣列，再乘上對應之劑量率換算因子，換算為等效劑量率物理量，存入對應之最近512筆浮點時序物理量陣列；而其流程如下：
步驟100：開始。
步驟101：初始化嵌入式控制器３。
步驟102：進行重置。
步驟103：步驟102若為是，則參數回復至預設值。
步驟104：步驟102若為否，則初始化檔案系統讀取工作參數初始化UART初始化資料紀錄記憶體開始測量。
步驟105：UART 收到完整Command。
步驟106：步驟105若為是，則執行 Command由UART 送出回應。
步驟107：步驟105若為否，則Socket 收到完整Command。
步驟108：步驟107若為是，則執行 Command由Socket 送出回應。
步驟109：步驟107若為否，則測量 1 秒鐘。
步驟110：並於測量 1 秒鐘之後停止測量讀取 CH1/CH2 Counter計算數值開始測量
步驟111：CH1 取樣時間到達。
步驟112：步驟111若為是，則將CH1 計算結果存入記憶單元３１。
步驟113：步驟111若為否，則以CH2 取樣時間到達。
步驟114：步驟113若為是，則將CH2 計算結果存入記憶單元３１。
步驟115：步驟113若為否，則接收到J Command。
步驟116：步驟115若為是，則回應CH1/CH2即時資料。
如此，可使本發明至少達到下列優點：
1.微弱電流計：使用電流/頻率轉換電路，取代傳統類比電壓數位轉換器，將游離腔微弱電流與  溫度感測電壓轉換為計數脈衝做為數位化處理接口，搭配高速寬資料元計數器，有效簡化硬件與擴大應用空間。
2.通訊功能：除保留舊有之RS485串列通信接口外，增加TCP/IP乙太網路、無線藍牙等新一代高速寬頻接口，大幅提昇監控網路反應速度。
3.自動調整功能：運用嵌入式控制器移動平均與溫度補償加入輻射評估演算程式，自動修正高壓游離腔之非線性溫濕度特性。加入核子事故應變緊急監測自動功能，如：延伸測量範圍、進入節電狀態、最新變化趨勢存儲、看門狗自救、多樣化寬頻通訊接口等等。
綜上所述，本發明再生高壓游離腔數位環境監測儀可有效改善習用之種種缺點，可利用電流及溫度轉換頻率單元，將電壓游離腔微弱電流與溫度感測電壓轉換為計數脈衝做為數位化處理，且利用嵌入式控制器移動平均與溫度補償加入輻射評估，並以通訊單元提昇監控反應速度，而達到有效簡化硬件與擴大應用空間、自動修正高壓游離腔之非線性溫濕度特性以及核子事故應自動急監測之功效；進而使本發明之産生能更進步、更實用、更符合消費者使用之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．高壓游離腔

11．．．-400V高壓供應器

2．．．電流及溫度轉換頻率單元

3．．．嵌入式控制器

31．．．記憶單元

32．．．計時單元

4．．．通訊單元

5．．．電源供應單元

6．．．警報輸出單元

步驟100~步驟116

第１圖，係本發之基本架構示意圖。
第２圖，係本發明之流程示意圖。

1．．．高壓游離腔

11．．．-400V高壓供應器

2．．．電流及溫度轉換頻率單元

3．．．嵌入式控制器

31．．．記憶單元

32．．．計時單元

4．．．通訊單元

5．．．電源供應單元

6．．．警報輸出單元

Claims (6)

1. 一種再生高壓游離腔數位環境監測儀，包括有：
       一高壓游離腔；
       一電流及溫度轉換頻率單元，係與高壓游離腔連接；
       一嵌入式控制器，係與電流及溫度轉換頻率單元連接；
       一通訊單元，係與嵌入式控制器連接；
       一電源供應單元，係與嵌入式控制器連接；以及
       一警報輸出單元，係與嵌入式控制器連接。
2. 依申請專利範圍第１項所述之再生高壓游離腔數位環境監測儀，其中，該高壓游離腔係為一不鏽鋼球體。
3. 依申請專利範圍第１項所述之再生高壓游離腔數位環境監測儀，其中，該電流及溫度轉換頻率單元係為複雜可程式邏輯裝置（Complex Programmable Logic Device, CPLD）。
4. 依申請專利範圍第１項所述之再生高壓游離腔數位環境監測儀，其中，該嵌入式控制器係可為單晶片，其進一步包含有記憶單元及計時單元。
5. 依申請專利範圍第１項所述之再生高壓游離腔數位環境監測儀，其中，該通訊單元係包含有 RJ45 通訊介面、 RS232通訊介面、TTL-RS232通訊介面、無線藍牙裝置及乙太網路介面。
6. 依申請專利範圍第１項所述之再生高壓游離腔數位環境監測儀，其中，該警報輸出單元係為高電壓及高電流之達靈頓驅動器。