39568

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ УРТ-1

Дипломная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ УРТ1 ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА Пояснительная записка 210100. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМОЙ. Объект исследования: автоматизация контроля и управления вакуумной системы наносекундного ускорителя электронов. Цель работы: разработка блока управления вакуумной системой ускорителя электронов создание программного обеспечения для персонального компьютера предназначенного для управления и отладки блока управления.

Русский

2013-10-07

12.63 MB

44 чел.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Кафедра электрофизики

ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ

Зав. кафедрой_______ С.П.Никулин

«_____» _________________ 2013 г.

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ УРТ-1

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА

Пояснительная записка

210100.62 438900 007 ПЗ

Руководитель

доктор техн. наук С.Ю. Соковнин

Нормоконтроль

канд.физ.-мат.наук А.И. Кухаренко

Студент

Фт-4900501 И.А. Першин

Екатеринбург 2013

РЕФЕРАТ

Дипломный проект 42 с., 17 рис., 8 табл., 8 источников, 1 прил.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА, БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМОЙ.

Объект исследования: автоматизация контроля и управления вакуумной системы наносекундного ускорителя электронов.

Цель работы: разработка блока управления вакуумной системой ускорителя электронов, создание программного обеспечения для персонального компьютера, предназначенного для управления и отладки блока управления.

Методы исследования: анализ характеристик применяемых электронных приборов, создание программ для персонального компьютера, помогающих в отладке блока управления.

Аппаратура: персональный компьютер, вакуумметр, осциллограф, мультиметр.

Полученные результаты: разработан блок управления вакуумной системой.

Новизна: создана управляющая схема вакуумных систем четырех ускорителей, способная работать в условиях сильных наводок от источников питания.

Степень внедрения: установка в процессе разработки.

Область применения: радиационные технологии.


СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ 2

ВВЕДЕНИЕ 4

1 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА 5

1.1 Общее описание установки 5

1.2 Ускоритель электронов УРТ-1. 8

1.2.1 Общие сведения. 8

1.2.2 Принцип работы УРТ-1. 9

1.2.3 Вакуумная система ускорителя УРТ-1. 16

1.2.4 Блок питания ускорителя УРТ-1. 20

2 БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМОЙ 23

2.1 Общее описание блока управления. 23

2.2 Обеспечение помехозащищенности блока управления. 27

2.3 Программное обеспечение для отладочных работ и контроля блока управления. 30

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 32

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 33

ПРИЛОЖЕНИЕ А 34

ВВЕДЕНИЕ

Целью данной дипломной работы является разработка блока управления вакуумной системой для использования в установке, состоящей из 4 ускорителей электронов. Установка – это опытно-конструкторская разработка, предназначенная для физического обеззараживания одежды, обуви, документов и личных вещей от патогенных микроорганизмов. Необходимость в разработке блока управления возникла вследствие трудностей ручного управления и контроля параметров одновременно четырех вакуумных систем всех ускорителей установки.

В данной установке используются ускорители УРТ-1, представляющие собой импульсные ускорители электронов. Применение импульсных ускорителей обусловлено следующими моментами: работа вакуумного диода при довольно низком уровне вакуума (порядка 10-4 торр), который достигается более простой вакуумной системой, чем в случае ускорителей с электронными пучками постоянного тока, т.к. им требуется более высокий уровень вакуума; импульсный пучок электронов оказывает большее биологическое воздействие, чем постоянный, что объясняется значительным превышением мощности в течение импульса над средним значением; наносекундные электронные пучки могут быть сформированы именно того размера, который требуется исходя из размеров облучаемого объекта, что позволяет избежать проблем с необходимостью создания системы сканирования и исключает затраты энергии на развертывание пучка.

1 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

1.1 Общее описание установки

Установка содержит в себе 4 наносекундных ускорителя электронов УРТ-1.

Рисунок 1 – Общий вид установки

Рисунок 2 – Общий вид установки

Для каждого из них установлен источник высокого напряжения и управляющий микроконтроллер. Управление всеми системами установки осуществляется с пульта управления, соединенного с ними при помощи оптоволоконных линий связи. Пульт управления соединен отдельной линией оптоволоконной связи с центральным пультом управления, расположенным на расстоянии 100 м от установки. Центральный пульт же соединен с персональным компьютером, который ведет учет событий в журнал и с которого возможно управление установкой. Таким образом, управление и контроль параметров может осуществляться с пульта, непосредственно находящегося на установке, внешнего центрального пульта и персонального компьютера. Пульт управления осуществляет также контроль конвейером установки.

Схема, иллюстрирующая работу системы контроля установки, приведена на рисунке 3.

Команды с пульта управления поступают на микроконтроллер, конструктивно расположенный в источнике высокого напряжения. В задачи микроконтроллера входят включение и выключение источника высокого напряжения, установка и измерение тока и напряжения. Высокое напряжение подается к ускорителю по высоковольтному кабелю.

Для запуска ускорителя по команде, полученной с пульта управления, микроконтроллер генерирует импульсы уровня ТТЛ длительностью 1 мкс. Затем, формирователь импульсов повышает амплитуду напряжения до уровня, необходимого для запуска тиратрона ускорителя – 4 кВ и посылает их на тиратрон. Одновременно с этим на микроконтроллер поступают сигналы с датчиков ускорителя по каналу “контроль”.

Вакуумная система установки, состоящая из блока управления, форвакуумного насоса, диффузионного насоса, клапана и вакуумметра, связана с микроконтроллером по оптоволоконной линии для контроля за её работой.

УРТ-1

ФИ

МК

                                            контр.

ВМ

БУВС

                                                  вкл.       изм. U, I

Кл

ФВН

ИВН

 

            выс. напряжение

ДН

                 опто.               ВС

ПУ

ПК

ЦПУ

Конвейер

Рисунок 3 – Схема установки: ФИ – формирователь импульсов, ИВН – источник высокого напряжения, ПУ – пульт управления, ЦПУ – центральный пульт управления, МК – микроконтроллер, ПК – персональный компьютер, ВС – вакуумная система, ФВН – форвакуумный насос, Кл – клапан, ДН – диффузионный насос, ВМ – вакуумметр, БУВС – блок управления вакуумной системой

1.2 Ускоритель электронов УРТ-1

1.2.1 Общие сведения

УРТ-1 представляет собой импульсный ускоритель напряжения наносекундного диапазона. Создание подобных ускорителей стало возможным благодаря прогрессу в создании частотных генераторов высоковольтных импульсов, связанному с открытием эффекта наносекундного обрыва тока высокой плотности в полупроводниковых диодах (так называемый SOS-эффект). Созданные полупроводниковые прерыватели тока, использующие данный эффект, сделали возможным разработку экспериментальных частотных наносекундных ускорителей электронов и рассматривать вопрос о создании ускорителей для коммерческого использования и поиске областей применения, в которых будут раскрываться достоинства наносекундных ускорителей электронов. Рассмотрим достоинства и недостатки наносекундных электронных пучков. Один из важнейших плюсов, заметное увеличение биологического воздействия (не менее, чем вдвое при равной поглощенной дозе) по сравнению с постоянными пучками. Объясняется данный факт многократным (в 106 раз и более) превышением мощности во время импульса над средним значением. Малая длительность импульса также приводит к появлению факторов с самостоятельных биологическим воздействием, в совокупности усиливающих свое воздействие на облучаемый объект: поглощенная доза, электромагнитный импульс, ударная волна и химические радикалы. Еще одним достоинством наносекундных пучков является то, что они могут быть сформированы именно того размера, который требуется исходя из размеров объекта облучения, что исключает затраты энергии на развертывание пучка по площади, как в случае пучков постоянного тока или микросекундных, и позволяет избежать многих проблем, связанных со сканированием. Прежде всего, это неравномерность облучения, связанная с распределением пучка круглого сечения по площади и неоднородность облучения по глубине, вызываемая изменения угла падения электронов на образец при развертке пучка. Создание самой системы сканирования само по себе представляет серьезную техническую задачу. Важно, что катоды, используемые для формирования наносекундных электронных пучков, не требуют дополнительных источников энергии, как для пучков постоянного тока (для нагрева или создания плазмы). Также, они не требуют для работы высокого вакуума, что существенно упрощает вакуумную систему и удешевляет использование таких пучков, и выдерживают даже ударные разгерметизации.  Из недостатков можно назвать немоноэнергетичность пучка вследствие того, что наносекундные ускорители с полупроводниковыми прерывателями тока являются ускорителями прямого действия, и энергия ускоренных электронов зависит от импульса напряжения, приложенного к промежутку анод-катод. Таким образом, в спектре пучка будут электроны, сформированные на фронте и спаде импульса. Наличие низкоэнергетичных электронов приводит к увеличению термической нагрузки на выходную фольгу ускорителя и изменение распределения поглощенной дозы в облучаемой мишени по глубине, т.к. такие электроны сильнее поглощаются фольгой и мишенью.

1.2.2 Принцип работы УРТ-1

Внешний вид ускорителя приведен на рисунке 4. УРТ-1 собран по схеме тиратронимпульсный трансформаторполупроводниковый прерыватель тока. Он разрабатывался с целью развития данной схемы в область больших напряжений для расширения возможных областей применения,  создания ускорителя, пригодного для использования в радиационных технологиях в слоях толщиной до 0,4 г/см2, таких как радиационная обработка жидких и сыпучих веществ в потоке (прежде всего пищевых), радиационная стерилизация

 

Рисунок 4 – Ускоритель электронов УРТ-1

объектов повышенной толщины (медицинских бинтов, одноразового белья), либо в специальной упаковке (стеклянной или из алюминиевой фольги).

Данные по расчету схем питания ускорителей с полупроводниковым прерывателем тока не позволяют выполнить точный расчет на заданные параметры, что вызывает потребность в экспериментальной оптимизации параметров элементов схемы.

Принцип его работы следующий (схема ускорителя показана на рисунке 5). Источник высокого напряжения, преобразующий сетевое напряжение 220 В в постоянное регулируемое до 50 кВ, заряжает конденсатор C0 в первом контуре. С блока управления поступает импульс запуска тиратрона, замыкающего при включении первый контур.

Рисунок 5 – Схема УРТ-1

Частота работы и мощность ускорителя определяется частотой подачи управляющих импульсов. Конденсатор С0 после включения тиратрона разряжается на первичную обмотку трансформатора, происходит зарядка конденсатора С1 с одновременной накачкой током полупроводникового прерывателя тока. После зарядки сердечник трансформатора насыщается и C1 разряжается в контуре с полупроводниковым прерывателем тока, который конструктивно состоит из четырех параллельных ветвей по семь диодов СДЛК 0,4/125, включенных последовательно. Когда ток достигает значения, близкого к максимальному, он прерывается и формируется импульс напряжения, прикладываемый к вакуумному диоду. На катоде происходит поверхностный разряд, образуется плазма и из нее происходит эмиссия электронов, которые ускоряются приложенным напряжением и выходят из камеры вакуумного диода через выпускное окно диаметром 170 мм, закрытое алюминиевой фольгой. Оно имеет алюминиевую решетку с прозрачностью 85 %, состоящую из прорезей и ребер шириной соответственно 10 и 2 мм. На решетку укладывается фольга в два слоя по 15 мкм. Индуктивность дополнительного соленоида Lдоп=6,4 мкГн подобрана экспериментальным путем. Импульсный трансформатор намотан на сердечнике из трех колец К650  470  25 мм3 из пермаллоя 50НП толщиной 20 мкм. Между кольцами выполнен зазор 3 мм для охлаждения. Коэффициент трансформации равен 10, индуктивность рассеяния составляет Ls=0,8 мкГ. Обмотки выполнены из медной ленты толщиной 0,5 мм: вторичная из ленты шириной 30 мм, а первичная – 50 мм. Первичная обмотка перекрывает примерно 1/3 вторичной, которая намотана на каркас из оргстекла. Изоляционные промежутки сердечник–обмотка и между обмотками составляют 25 мм. Для эффективного перемагничивания сердечника импульсного трансформатора используется схема рекуперации, состоящая из диода VD1 (СДЛК 0,4/125) и катушки индуктивности Lр=20 мкГн. Емкость конденсатора первого контура составляет С0 =84,1 нФ, конструктивно она выполнена в виде 15 параллельных секций по два включенных последовательно конденсатора К15-10-40кВ–0,01мкФ. Ёмкость конденсатора второго контура составляет С1 =650 пФ, конструктивно она состоит из четырех параллельных секций по 28 включенных последовательно конденсаторов КВИ-3-12кВ-6800пФ. Использование в первом контуре конденсаторов типа К15-10 позволило существенно сократить габариты, однако ввело ограничение по допустимой частоте работы ускорителя. Это оправдано тем, что уже при частоте 50 Гц развиваемая ускорителем мощность достигает примерно 3 кВт, что вполне достаточно для многих задач. Для коммутации используется тиратрон Л1 с холодным катодом ТП2-10к/50, работающий в режиме с заземленным катодом. Схема формирования высоковольтного импульса и вакуумный диод погружены в трансформаторное масло и размещаются в металлическом корпусе квадратного сечения (сторона 900 мм) высотой 1300 мм с водяной рубашкой в верхней части для охлаждения. Управление ускорителем осуществляется дистанционно от блока управления. Вакуумный диод ускорителя работает при давлении около 10-4 торр, которое создается диффузионным вакуумным насосом Н-100. Вакуумный изолятор выполнен с экранировкой поверхности диэлектрика. В вакуумном диоде ускорителя могут применяться МДМ–катоды (металл-диэлектрик-металл), представляющий собой пластину диэлектрика с большой диэлектрической проницаемостью ε (титанат бария), к которой плотно прижималась металлическая сетка, и МК-катоды (металлокерамические), в которых применяются композиционные материалы, изготавливаемые из смеси нанопорошка диэлектрической матрицы и металлического порошка микронных размеров. Образцы катодов показаны на рисунках 6 и 7.

Рисунок 6 МДМ-катод

Рисунок 7 МК-катод

Для контроля параметров напряжение на формирующей емкости С1 и напряжение на вакуумном диоде измерялись с использованием омического и емкостного делителей напряжения соответственно. Ток в последнем контуре и ток пучка электронов на выходе из вакуумного диода измерялись с помощью низкоиндуктивного шунта из нержавеющей фольги и трансформатора тока в анодном фланце.

Параметры ускорителя: ускоряющее напряжение – 900 кВ, длительность импульса тока на полувысоте – 50 нс, частота работы – 50 Гц. Ускоритель УРТ-1 может быть использован в радиационных технологиях в слоях толщиной до 0,4 г/см2, таких как радиационная стерилизация и радиационная обработка жидких и сыпучих веществ в потоке.

Для проверки электрических измерений использовалась дозиметрическая методика. В таблице 1 приведены результаты расчетов значения энергии электронов в пучке. Расчеты по дозиметрической методике показывают несколько большее значение энергии электронов (0,9-1 МэВ), чем электрические измерения, в пределах 10%-ной погрешности. Измерения поглощенной дозы электронного пучка на выходе ускорителя проводились с помощью дозиметрических пленок типа ЦДП -2-Ф2. Детекторы устанавливались вплотную к выходной фольге. Размер детектора позволял получить полный отпечаток пучка. Измерение проводилось по 20 импульсам (использовался МДМ–катод), подаваемым с частотой f=1 Гц.

Таблица 1 – Результаты расчетов по дозиметрической методике: D0 - поглощенная доза электронного пучка без поглотителя, D1 - поглощенная доза электронного пучка после поглотителя

п.п.

Полная толщина алюминиевого

поглотителя, мкм

Толщина алюминиевого поглотителя между

детекторами, мкм

D0/D1

Расчетное значение энергии электронов, МэВ

1

55

55

1,304

0,89

2

110

55

1,228

1,0

3

165

55

1,22

1,02

Результаты обработки показаний детекторов на микрофотометре позволили получить распределение плотности тока на аноде ускорителя УРТ-1 (по оси симметрии анода и параллельно ей, в 10 мм от оси), которое имеет, как видно из рисунка 8, существенную неоднородность, возрастая от периферии к центру пучка электронов. 

Рисунок 8 Распределение плотности тока j на аноде ускорителя УРТ-1

(по оси симметрии анода и параллельно ей, в 10 мм от оси)

1.2.3 Вакуумная система ускорителя УРТ-1

Вакуумная система состоит из форвакуумного и диффузионного насосов, ручных и электромагнитных клапанов, затвора и вакуумметров. Схема вакуумной системы приведена на рисунке 9. 

Рисунок 9 – Схема вакуумной системы

Управление и контроль выполняет блок управления вакуумной системой. Внешний вид форвакуумного и диффузионного насосов показаны на рисунках 10 и 11.

Рисунок 10 – Диффузионный насос

Рисунок 11 – Форвакуумный насос

Алгоритм работы вакуумной системы показан в виде блок-схемы на рисунке 12. Все клапаны в системе до начала работы закрыты. Включается форвакуумный насос NF и открывается клапан V1. Происходит откачка воздуха из камеры вакуумного диода. По достижении вакуума порядка 10-3 торр клапан V1 запирается, включается диффузионный насос ND, открывается клапан V2, откачивается камера диффузионного насоса с помощью форвакуумного. Это необходимо, так как включение диффузионного насоса к камере с низким уровнем вакуума может привести к его выходу из строя. Через час работы насоса переключается затвор V6, диффузионный насос производит откачку воздуха из камеры вакуумного диода. Уровень вакуума, достигаемый для запуска ускорителя, составляет порядка 10-4 торр.

Включение форвакуумного насоса, открытие клапана 1

Начало

Откачка воздуха из камеры вакуумного диода

Давление меньше 10-3 торр?

Закрытие клапана 1, включение диффузионного насоса, открытие клапана 2

Откачка из камеры диффузионного насоса

Время откачки больше 1 часа?

Переключение затвора

                                                                                                                                               

 

Откачка воздуха из камеры вакуумного диода

Давление меньше 10-4 торр?

Ускоритель готов к работе

Рисунок 12 – Алгоритм работы вакуумной системы

Клапаны V1 и V2 - электромагнитные, открывающиеся при подаче сигнала от управляющей программы, клапаны V1, V3, V4 и V5 - ручные. P1 и P2 - вакуумметры, позволяющие контролировать уровень вакуума. СV - камера вакуумного диода. Клапаны V3, V4, V5 предназначены для технического обслуживания системы и открываются только во время проведения регламентных работ и ремонта.

1.2.4 Блок питания ускорителя УРТ-1

В ускорителе УРТ-1 применяется высоковольтный источник питания для генерации импульсов высокого напряжения. Технические параметры источника указаны в таблице 2.

Таблица 2 – Характеристики блока питания ускорителя УРТ-1

Высокое напряжение, кВ

30..70

Испытательное напряжение, кВ

80

Уровень ограничения тока нагрузки, А

1,5

Полярность

Положительная

Средняя мощность в нагрузке, кВт

(зарядка емкости 70нФ с частотой до 300 Гц)

55  

Номинальное напряжение питающей сети трехфазного переменного тока 50Гц, В

380

Допустимые отклонения напряжения питающей сети от номинального, %+\-

10

Охлаждение

Водяное

Продолжительность непрерывной работы, час

8

В состав источника высокого напряжения входит плата управления, связанная оптоволоконным кабелем с центральным пультом управления. В источнике предусмотрено выполнение функций включения, выключения высокого напряжения, регулировки выходного напряжения и тока при подаче команд с платы управления. Плата управления получает информацию о состоянии источника, выходном напряжении, токе, срабатывании датчиков температуры, потока охлаждающей жидкости и блокировок. Полученные данные плата управления передает на центральный пульт управления. Связь с платой управления осуществляется по каналу RS-232  с индивидуальной адресацией. В схеме источника должна быть установлена блокировка при включении без охлаждения, при перегреве и случайного положения регулировки выходного напряжения (только при нулевом).

Для уменьшения количества корпусов плата микроконтроллера встраивается в корпус источника высокого напряжения. Выходное напряжение U и ток I источника контролируются с помощью платы микроконтроллера. На плате предусмотрен контроль состояния блокировок, датчиков температуры, датчика потока охлаждающей жидкости. При подаче сигнала  с центрального пульта управления плата генерирует импульсы запуска, которые затем поступают на формирователь импульсов запуска и далее на тиратрон. Принципиальная схема платы приведена на рисунке 13. Плата имеет размеры 150x100 мм и располагается в корпусе источника высокого напряжения вертикально таким образом, чтобы разъемы, расположенные на одной из сторон платы, имели доступ через отверстие на задней стенке корпуса источника.

Рисунок 13 – Плата управления источником высокого напряжения

2 БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМОЙ

2.1 Общее описание блока управления

Блок управления вакуумной системой осуществляет включение и контроль работоспособности форвакуумного и диффузионного насосов, а также вакуумных клапанов. Блок управления выполнен на микроконтроллере Atmega162, в котором запрограммированы различные варианты включения и выключения насосов, клапанов и вакуумного затвора. Проведение того или иного алгоритма работы осуществляется по выбору микроконтроллера, с которого поступают управляющие команды. Во время работы вакуумной системы происходит постоянный контроль показаний датчиков насосов, температуры, потока охлаждающей жидкости и предусмотренных блокировок установки. Уровень вакуума измеряется вакуумметром CVM-211, сигнал с которого поступает на аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера Atmega162. Текущее состояние насосов отображается на LCD индикаторе WH1602L, подключенном к разъему блока управления. Информация о состоянии насосов также передается на микроконтроллер и на ПК через оптоволоконную связь. Принципиальная схема блока показана на рисунке 14.

Рисунок 14 – Принципиальная схема блока управления

Характеристики вакуумметра CVM-211 приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Характеристики вакуумметра CVN-211.

Диапазон измерения

10-4 - 1000 торр

Внутренний объем

26 см3

Площадь внутренней поверхности

29,7 см2

Вес

136 грамм

Материал корпуса

Литой пластик

Рабочая температура

0 - 40 оС

Влажность

0 - 95% RH без конденсации

Монтажное положение

Рекомендуется горизонтально

Аналоговый выходной сигнал

Нелинейная кривая 0,375 - 5,659 В постоянного тока

Входная мощность

11 - 30 В постоянного тока, защита от обратной мощности, кратковременного отключения и повышенного напряжения.

Реле переключения/блокировки

Два, однополюсные, двухпозиционные (SPDT)

Мощность включения

1 А при 30 В постоянного тока резистивная или переменного тока неиндукивная

Разъемы

D типа 9 контактов

Снятие кривой зависимости аналогового выходного сигнала производилось экспериментально ( рисунок 15). Вакуумметр измеряет уровень вакуума в камере с клапанами, воздух из которой откачивается форвакуумным насосом. Аналоговый сигнал вакуумметра измеряется мультиметром.

Рисунок 15 – Снятие экспериментальной кривой зависимости выходного сигнала вакуумметра от уровня вакуума

Полученная кривая показана на рисунке 16 (уровень вакуума имеет логарифмическую шкалу).

 

Рисунок 16 – Экспериментальная кривая аналогового выходного сигнала вакуумметра

Аналоговый сигнал с вакуумметра для обработки микроконтроллером оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя AD7810. Характеристики указаны в таблице 4.

Таблица 4 – Характеристики АЦП AD7810

Разрядность

10 бит

Время преобразования

2,3 мкс

Температурный диапазон

минус 40 оС - 105 оС

Напряжение питания

2,7 - 5,5 В

Уровень входного сигнала

0 - Vref (Vref - опорное напряжение)

2.2 Обеспечение помехозащищенности блока управления

Блок управления вакуумной системой работает вблизи от мощных источников питания ускорителей, поэтому во избежание наводок и помех, которые будут препятствовать нормальному функционированию блока, необходимо использовать некоторые специальные меры.

Для обеспечения развязки по напряжению схемы блока управления от остальных частей установки (цепей питания, пульта управления и т.д.) в целях защиты от перенапряжения, которое может привести к выходу из строя блока управления, используются оптопары. С помощью оптопар осуществляется соединение пульта управления и схемы блока. Используется оптопара PC 817, параметры приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Характеристики оптопары PC 817

Прямой ток

50 мА

Пиковый прямой ток

1 А

Обратное напряжение

6 В

Общая рассеиваемая мощность

200 мВт

Напряжение изоляции

5000  Vrms (Vrms - действующее напряжение)

Рабочая температура

минус 30 оС - 100 оС

Для соединения между собой ПУ и блока через оптопары используются оптические линии связи серии HFBR-0500Z, в которых применяются передатчик HFBR-1522 и приемник HFBR-2522, некоторые параметры их указаны в таблицах 6 и 7.

Таблица 6 – Характеристики HFBR-1522

Пиковый прямой ток

1 А

Прямой ток (постоянное напряжение)

80 мА

Рабочие температуры

минус 40 оС - 85 оС

Обратное входное напряжение

5 В

Прямое напряжение (ток 60 мА)

1,67 В (средн.)

Выходная оптическая мощность (ток 60мА)

-13,6 ...  -4,5 дБ

Таблица 7 – Характеристики HFBR-252

Выходной ток коллектора

25 мА

Рассеваемая мощность на коллекторе

40 мВт

Выходное напряжение

-0,5 - 18 В

Уровень мощности логического нуля (0 В)

-20 дБ

Уровень мощности логической единицы (5, 25 В)

-43 дБ

Выходной ток (выс. уровень)

сред. 5 мА, макс. 250 мА

Выходное напряжение (низк. уровень)

сред. 0,4 В, макс. 0,5 В

Для защиты от помех сигнал от вакуумметра проходит преобразование напряжение-частота и частота-напряжение с помощью преобразователей XR4151.  Это точный преобразователь напряжение-частота с линейной характеристикой (0,05%) и защитой от шума. Параметры приведены в таблице 8.

Таблица 8 – Параметры XR4151.

Напряжение питания

22 В

Выходной ток

22 мА

Внутренняя рассеиваемая мощность

500 мВт

Входное напряжение сигнала

-0,2 В - до напряжения питания

Ток питания

6 мА (15 В, 15 оС)

2.3 Программное обеспечение для отладочных работ и контроля блока управления

В целях облегчения отладки разработанного блока управления создана программа для персонального компьютера, отображающая состояние вакуумной системы ускорителя УРТ-1 и позволяющая контролировать и управлять ей. Текст программы приведен в приложении А. Рабочее окно показано на рисунке 17. Программа позволяет осуществлять включение и выключение клапанов, насосов и затвора, а также наблюдать за уровнем вакуума в камере вакуумного диода ускорителя.

Рисунок 17 – Рабочее окно программы для ПК

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан блок управления вакуумной системы для автоматизации процесса управления установкой, состоящей из четырех наносекундных импульсных ускорителей электронов УРТ-1.  Создана схема блока, осуществляющая контроль параметров системы, таких как уровень вакуума, температура, охлаждение, состояние клапанов, вакуумного затвора, форвакуумного и диффузионного насосов, а также управляющая работой системы.

В следствие того, что схема должна функционировать в условиях мощных наводок от высоковольтных установок, проведена работа по увеличению помехозащищенности блока и обеспечению гальванической развязки схемы от источников питания и прочих элементов установки.   

Написано программное обеспечение для персонального компьютера, позволяющее выполнять отладочные работы блока управления и управлять вакуумной системой ускорителя.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Соковнин С.Ю. Наносекундные ускорители электронов и радиационные технологии на их основе / С.Ю. Соковнин. Екатеринбург: УрО РАН, 2007. 260 с.

2. AD7810 Data Sheet - Analog Devices [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7810.pdf  (дата обращения 3.06.2013)

3. Atmel AVR ATmega162 Datasheet [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.atmel.com/Images/Atmel-2513-8-bit-AVR-Microntroller-ATmega162_Datasheet.pdf (дата обращения 3.06.2013)

4. Finder-30.22.7.012.0010-datasheet [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://octopart.com/datasheet/30.22.7.012.0010-finder-7376905-13690232 (дата обращения 3.06.2013)

5. HFBR-1524Z 1 МБод волоконно-оптический передатчик с соединением Versatile Link, для горизонтального монтажа [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://catalog.gaw.ru/index.php?page=component_detail&id=3681 (дата обращения 3.06.2013)

6. PC817 серии [Электронный ресурс] - Режим доступа: ftp://ftp.elektroda.net/pub/Karty%20katalogowe/pc817xx.pdf (дата обращения 3.06.2013)

7. Data Sheet - STMicroelectronics [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/datasheet/CD00000180.pdf (дата обращения 3.06.2013)

8. XR-4151[Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.bucek.name/pdf/xr4151.pdf (дата обращения 3.06.2013)


ПРИЛОЖЕНИЕ А

(справочное)

Текст программы

#include <vcl.h>

#pragma hdrstop

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <math.h>

#define chkbit(var, bit)    (var & (0x01 << (bit)))

#define setbit(var, bit)    (var |= (0x01 << (bit)))

#define clrbit(var, bit)    (var &= (~(0x01 << (bit))))

#define invbit(var, bit)    (var ^= (0x01 << (bit)))

#include "Unit1.h"

//---------------------------------------------------------------------------

#pragma package(smart_init)

#pragma link "CommPort"

#pragma link "CGAUGES"

#pragma resource "*.dfm"

TForm1 *Form1;

FILE* F2; //см. ReadFiles\Fscanf\Project1.bpr

unsigned char tword1=0; //Transmitted word 1

double vm1; // Показания вакууметра VM1 на тройнике, ФВН

AnsiString svm1;

double atm = 760; //torr;  1 атмосфера

double alpha1; //vm1 = atm*exp(-alpha1*t1);

double t1; //vm1 = atm*exp(-alpha1*t1);

int t1int;

double lg_vm1; //lg_vm1 = log10(vm1);

double track1; //track1 = (3-log_vm1)*2;

double t2; //vm1 = atm*exp(-alpha2*t2);

int t2int;

double vm2; // Показания вакууметра VM2 на вакуумном диоде

AnsiString svm2;

double alpha2; //vm2 = atm*exp(-alpha2*t2);

double lg_vm2; //lg_vm2 = log10(vm2);

double track2; //track2 = (3-lg_vm2)*2;

int t3=0; //Gauge3->Progress = t3;

int t4=0; //Gauge4->Progress = t4;

int received[20];

//---------------------------------------------------------------------------

__fastcall TForm1::TForm1(TComponent* Owner)

       : TForm(Owner)

{

}

//---------------------------------------------------------------------------

//---------------------------------------------------------------------------

void __fastcall TForm1::FormCreate(TObject *Sender)

{

 CommPort1->ComNumber = 2;

 CommPort1->DTR = false;

 CommPort1->RTS = true;

 Timer1->Interval = 1000;

 ShapeK1closed->Visible = true;

 ShapeK1open->Visible = false;

 ShapeK2closed->Visible = true;

 ShapeK2open->Visible = false;

 ShapeZclosed->Visible = true;

 ShapeZopen->Visible = false;

 ShapeK3closed->Visible = true;

 ShapeK3open->Visible = false;

 ShapeK4closed->Visible = true;

 ShapeK4open->Visible = false;

 ShapeK5closed->Visible = true;

 ShapeK5open->Visible = false;

//  atm = 760; //torr

 t1 = 0;       //vm1 = atm*exp(-alpha1*t1);

 alpha1 = 0.5; //vm1 = atm*exp(-alpha1*t1);

 t2 = 0;        //vm2 = atm*exp(-alpha2*t2);

 alpha2 = 0.45; //vm2 = atm*exp(-alpha2*t2);

}

//---------------------------------------------------------------------------

//---------------------------------------------------------------------------

void __fastcall TForm1::btnOpenClick(TObject *Sender)

{

//COM-Port Open ----------------------------------------

 if(rbCOM1->Checked){ CommPort1->ComNumber = 1; }

 if(rbCOM2->Checked){ CommPort1->ComNumber = 2; }

 if(rbCOM3->Checked){ CommPort1->ComNumber = 3; }

 if(rbCOM4->Checked){ CommPort1->ComNumber = 4; }

 if(rbCOM5->Checked){ CommPort1->ComNumber = 5; }

 rbCOM1->Enabled = false; rbCOM2->Enabled = false;

 rbCOM3->Enabled = false; rbCOM4->Enabled = false;

 rbCOM5->Enabled = false;

 CommPort1->Open = true;

//File Open ----------------------------------------

 if((F2 = fopen("Test2.txt", "a+t")) == NULL){ //a+ - create, write & read the file

   ShowMessage("Файл не удается открыть");

   return;

 }

}

//---------------------------------------------------------------------------

//---------------------------------------------------------------------------

void __fastcall TForm1::btnCloseClick(TObject *Sender)

{

 CommPort1->Open = false;

 rbCOM1->Enabled = true; rbCOM2->Enabled = true;

 rbCOM3->Enabled = true; rbCOM4->Enabled = true;

 rbCOM5->Enabled = true;

}

//---------------------------------------------------------------------------

//---------------------------------------------------------------------------

void __fastcall TForm1::btnPutClick(TObject *Sender)

{

//  CommPort1->PutBlock;

 CommPort1->PutChar(0xFF);

 CommPort1->PutChar(0x00);

 CommPort1->PutChar(0x00);

}

//---------------------------------------------------------------------------

//---------------------------------------------------------------------------

void __fastcall TForm1::btnGetClick(TObject *Sender)

{

 if( CommPort1->InBuffUsed == 0 )  return;

 int in_b = 0;

 AnsiString s;

 while( CommPort1->InBuffUsed ){

   ++in_b;

   int n = (unsigned char)CommPort1->GetChar();

   received[in_b] = n;

   s = s + IntToStr( n );

   if( CommPort1->InBuffUsed )  s = s + AnsiString(", ");

 }

 Memo2->Lines->Add( s );

 char str[128];

 sprintf( str, "Received %d bytes", in_b );

 StatusBar1->SimpleText = AnsiString(str);

}

//---------------------------------------------------------------------------

//---------------------------------------------------------------------------

void __fastcall TForm1::Timer1Timer(TObject *Sender)

{

 double r[20];

//  GetButton->Enabled = (CommPort1->InBuffUsed > 0);

 t1int = floor(t1);

 Edit_t1->Text = IntToStr(t1int);

 t2int = floor(t2);

 Edit_t2->Text = IntToStr(t2int);

 Gauge3->Progress = t3;

 Gauge4->Progress = t4;

 vm1 = atm*exp(-alpha1*t1); // alpha1 = 0.5

//  if(vm1<0.001) vm1 = 0.001;

 if (vm1 >= 1)  svm1 = FloatToStrF(vm1, ffGeneral, 3, 0);

 else  svm1 = FloatToStrF(vm1, ffExponent, 3, 0);

 EditVM1->Text = svm1;

//  EditVM1->Text = ceil(vm1);

 if(cbDataVM1->Checked){ Chart1->Series[0]->AddY(vm1); } //else {Chart1->Series[0]->AddY(0); }

 lg_vm1 = log10(vm1);

 Edit_lg_vm1->Text = FloatToStr(lg_vm1);

 track1 = (3-lg_vm1)*2;

 TrackBar1->SelEnd = floor(track1);

 if(floor(track1) > TrackBar1->Position)

 {

   ShapeVM1ready->Brush->Color = clLime;

   if ((cbDN->Checked) && (cbK2->Checked)){

     if(t3<100){

       t3  = t3 + 10; //Gauge3->Progress = t3;

     }

   }

 }

 else ShapeVM1ready->Brush->Color = clWhite;

 vm2 = atm*exp(-alpha2*t2); // alpha2 = 0.45

//  if(vm2<0.002) vm2 = 0.002;

 if (vm2 >= 1)  svm2 = FloatToStrF(vm2, ffGeneral, 3, 0);

 else  svm2 = FloatToStrF(vm2, ffExponent, 3, 0);

 EditVM2->Text = svm2;

//  EditVM2->Text = ceil(vm2);

 if(cbDataVM2->Checked){ Chart1->Series[1]->AddY(vm2); } //else {Chart1->Series[1]->AddY(0); }

 lg_vm2 = log10(vm2);

 track2 = (3-lg_vm2)*2;

 TrackBar2->SelEnd = floor(track2);

 if(floor(track2) > TrackBar2->Position) //если VM2 готов

 {

   ShapeVM2ready->Brush->Color = clLime;

   if ((cbDN->Checked) && (cbK2->Checked)){

     if(t4<100){

       t4  = t4 + 10; //Gauge4->Progress = t4;

     }

     if(t4==100)  ShapeDiodeReady->Brush->Color = clLime; //Вакуумный Диод готов

     else  ShapeDiodeReady->Brush->Color = clWhite;

   }

 }

 else //if(floor(track2) > TrackBar2->Position)

 {

   ShapeVM2ready->Brush->Color = clWhite;

   ShapeDiodeReady->Brush->Color = clWhite;

   t4 = 0;

 }

 if (cbFVN->Checked) // FVN

 {

   setbit(tword1, 0);

   ShapeFVNon->Brush->Color = clLime;

   if(vm1 > 0.001){

     t1 = t1 + 1;

   }

   if (cbK1->Checked){

     if(vm2 > 0.002){

       t2 = t2 + 1;

     }

   }

   if (cbZatvor->Checked){ //если Затвор открыт

     if (!(cbK1->Checked)){  //если K1 закрыт

       if(t3 >= 90){ //если ДН уже откачал себя

         if(vm2 > 2e-5){ //новый предел для VM2

           t2 = t2 + 1;

         }

       }

     }

   }

 }//if (cbFVN->Checked) // FVN

 else

 {

   clrbit(tword1, 0);

   ShapeFVNon->Brush->Color = clWhite;

   if(t1 > 0){

     t1 = t1 - 4;

     if (t1<0) t1=0;

   }

   if ( (cbK1->Checked) || ( (cbZatvor->Checked) && (cbK2->Checked) ) ){

     if(t2 > 0){

       t2 = t2 - 4;

       if (t2<0) t2=0;

     }

   }

 }

 if (cbDN->Checked) // DN

 {

   setbit(tword1, 1);

   ShapeDNon->Brush->Color = clLime;

 }

 else

 {

   clrbit(tword1, 1);

   ShapeDNon->Brush->Color = clWhite;

   t3 = 0; //Gauge3->Progress = t3;

 }

 if (cbK1->Checked) // K1

 {

   setbit(tword1, 2);

   ShapeK1closed->Visible = false;

   ShapeK1open->Visible = true;

   Shape7->Brush->Color = clLime;

//    Shape7->Brush->Style = bsClear; //прозрачный

 }

 else

 {

   clrbit(tword1, 2);

   ShapeK1closed->Visible = true;

   ShapeK1open->Visible = false;

   Shape7->Brush->Color = clBtnFace;

   Shape7->Brush->Style = bsClear; //прозрачный

 }

 if (cbK2->Checked) // K2

 {

   setbit(tword1, 3);

   ShapeK2closed->Visible = false;

   ShapeK2open->Visible = true;

   Shape6->Brush->Color = clLime;

 }

 else

 {

   clrbit(tword1, 3);

   ShapeK2closed->Visible = true;

   ShapeK2open->Visible = false;

   Shape6->Brush->Color = clBtnFace;

   Shape6->Brush->Style = bsClear; //прозрачный

 }

 if (cbZatvor->Checked) // Zatvor

 {

   setbit(tword1, 4);

   ShapeZclosed->Visible = false;

   ShapeZopen->Visible = true;

   Shape36->Brush->Color = clLime;

 }

 else

 {

   clrbit(tword1, 4);

   ShapeZclosed->Visible = true;

   ShapeZopen->Visible = false;

   Shape36->Brush->Color = clBtnFace;

   Shape36->Brush->Style = bsClear; //прозрачный

 }

 if (cbK3->Checked) // K3, соед. ФВН с атмосферой

 {

   ShapeK3closed->Visible = false;

   ShapeK3open->Visible = true;

   Shape55->Brush->Color = clRed; //Red

   t1=0;

   if ( (cbK1->Checked) || ( (cbZatvor->Checked) && (cbK2->Checked) ) ){

     t2=0;

   }

 }

 else

 {

   ShapeK3closed->Visible = true;

   ShapeK3open->Visible = false;

   Shape55->Brush->Color = clBtnFace;

   Shape55->Brush->Style = bsClear; //прозрачный

 }

 if (cbK4->Checked) // K4, соед. ДН с атмосферой

 {

   ShapeK4closed->Visible = false;

   ShapeK4open->Visible = true;

   Shape59->Brush->Color = clRed;

   if(cbK2->Checked){

     t1=0;

     if(cbK1->Checked) t2=0;

   }

   if(cbZatvor->Checked){

     t2=0;

     if(cbK1->Checked) t1=0;

   }

 }

 else

 {

   ShapeK4closed->Visible = true;

   ShapeK4open->Visible = false;

   Shape59->Brush->Color = clBtnFace;

   Shape59->Brush->Style = bsClear; //прозрачный

 }

 if (cbK5->Checked) // K5, соед. Вакуумный Диод с атмосферой

 {

   ShapeK5closed->Visible = false;

   ShapeK5open->Visible = true;

   Shape51->Brush->Color = clRed;

   t2=0;

   if ( (cbK1->Checked) || ( (cbZatvor->Checked) && (cbK2->Checked) ) ){

     t1=0;

   }

 }

 else

 {

   ShapeK5closed->Visible = true;

   ShapeK5open->Visible = false;

   Shape51->Brush->Color = clBtnFace;

   Shape51->Brush->Style = bsClear; //прозрачный

 }

 CommPort1->PutChar(0xFF);

//  if (cbFVN->Checked)

//  {

//    CommPort1->PutChar(0x01);

//  }

//  else

//  {

//    CommPort1->PutChar(0x00);

//  }

 CommPort1->PutChar(tword1);

 CommPort1->PutChar(0x00);

 Memo1->Lines->Add( tword1 );

 if( CommPort1->Open ){

//    if(CommPort1->InBuffUsed == 5){

     btnGetClick(Sender);

     Edit1->Text = IntToStr(received[2]); //Data0

     if(received[1]==85){  //0x55

       r[2] = received[2]; //Data0

       r[3] = received[3]; //Data1

       r[4] = received[4]; //Data2

       r[5] = received[5]; //Data3

//        if(cbData0->Checked){ Chart1->Series[0]->AddY(r[2]); }else {Chart1->Series[0]->AddY(0); }

//        if(cbData1->Checked){ Chart1->Series[1]->AddY(r[3]); }else {Chart1->Series[1]->AddY(0); }

       if(cbData2->Checked){ Chart1->Series[2]->AddY(r[4]); }else {Chart1->Series[2]->AddY(0); }

       if(cbData3->Checked){ Chart1->Series[3]->AddY(r[5]); }else {Chart1->Series[3]->AddY(0); }

       if(F2){

//          fprintf(F2, "%-8i%-8i%-8i%-8i\n", received[2], received[3], received[4], received[5]);

//          fprintf(F2, "%-10.1f%-10.1f%-10.1f%-10.1f\n", r[2], r[3], r[4], r[5]);

         fprintf(F2, "%-8.1f\t%-10.1f\t%-10.1f\t%-10.1f\n", r[2], r[3], r[4], r[5]); // \t - табуляция

       }

     }

//    }

 }

//  AnsiString s = AnsiString("Input: ") + IntToStr(CommPort1->InBuffUsed);

//  if( CommPort1->InBuffUsed == CommPort1->InSize )

//    s = s + AnsiString(" (full)");

//  MainIn->Caption = s;

/*

 s = AnsiString("Output: ") + IntToStr(CommPort1->OutBuffUsed);

 if( CommPort1->OutBuffUsed == CommPort1->OutSize )

   s = s + AnsiString(" (full)");

 MainOut->Caption = s;

*/

/*

 int i = 0, o = 0;

 if( CommPort1->Open ){

   COMSTAT lpStat;

   DWORD lpErrors;

   ClearCommError( CommPort1->ComHandle, &lpErrors, &lpStat );

   i = lpStat.cbInQue;

   o = lpStat.cbOutQue;

 }

 PortIn->Caption = AnsiString("Input: ") + IntToStr(i);

 PortOut->Caption = AnsiString("Output: ") + IntToStr(o);

*/

}

//---------------------------------------------------------------------------

//---------------------------------------------------------------------------

void __fastcall TForm1::FormClose(TObject *Sender, TCloseAction &Action)

{

 if( CommPort1->Open ){

   CommPort1->Open = false; //закрыть порт

 }

 fclose(F2); //закрыть файл

}

//---------------------------------------------------------------------------


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

51662. Shopping for clothes 65.5 KB
  Общеобразовательные: активизировать лексические навыки по теме «Одежда» и «Покупки»; совершенствовать навыки диалогической речи; совершенствовать навыки аудирования и чтения.
51665. Математика. Я і Україна. Природознавство 566.5 KB
  Що таке РУХ Якими величинами характеризується рух Відстань це простір що розділяє два пункти; проміжок між чим небудь. Одиниці вимірювання хв сек год доба ШВИДКІСТЬ це відстань яку подолано за одиницю часу за якийсь час годину хвилину секунду. Реактивний літак пролетів відстань 6000км за 3 години. Вертоліт за 3 години подолав відстань 400 км.
51666. Внеклассное чтение «Полюбуйся, весна наступает» 70.5 KB
  4 класс Тема: Внеклассное чтение Полюбуйся весна наступает. Оборудование: иллюстрации к теме Весна Весёлый ручеёк хрестоматия 14 классов хрестоматия для внеклассного чтения 4 класс Исаенко О. Прочитайте тему урока Полюбуйся весна наступает и к нему эпиграф: Поэзии и музыки союз Для наших душ...