ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОТОКОВ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области измерения интенсивности ультрафиолетового излучения и может быть иснользована в медицине, промьнпленности, науке и в различных службах охраны труда для измерения мощности или дозы ультрафиолетового излучения от естественных и искусственных источников в биологически активных дианазонах спектра.
Известен ультрафиолетовый (УФ) радиометр ТКА-АВС 1, используемый для раздельного измерения облученности в спектральных зонах в соответствии с их физиологическим воздействием на организм человека, разработанный с использованием оптических и электронных элементов. Ультрафиолетовый радиометр ТКА-АВС предназначен для измерения энергетической освещенности, создаваемой:
-в спектральном диапазоне УФ-А (315 - 400) нм - источниками УФ излучения, за
исключением газоразрядных ртутных ламп без люминофоров.
-в спектральном диапазоне УФ-В (280 - 315) нм - источниками УФ излучения, за
исключением газоразрядных ртутных ламп с люминофорами типа А, а также естественных источников излучения.
-в спектральном диапазоне УФ-С (200 - 280) нм - газоразрядньми ртутными лампами
высокого и низкого давления без люминофоров.
Такой УФ радиометр не может быть использован для определения облученности одновременно в трех спектральных диапазонах излучения искусственных источников, характерным для которых является постоянное изменение яркости в их рабочем режиме, вследствие его раздельного (не оперативного) метода определения потоков излучения.
Ультрафиолетовый радиометр ТКА-АВС обладает достаточно высокой погрешностью измерения энергетической освещенности в результате спектрального рассогласования между теоретическими и практическими кривыми вьщеления биологически активных областей спектра.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для измерения излучения в заданном спектральном интервале 2, содержащее в оптическом блоке входное окно, механический модулятор оптического излучения, выполненный в виде диска, имеющего отверстия для вьщеления ультрафиолетовых областей спектра, отверстия для синхронизации работы измерителя и отверстие для идентификации положения модулятора, приемник оптического излучения, находящийся на одной оптической оси с входным окном и первый и второй синхродатчики, находящиеся на одной оптической оси соответственно с первым и вторым опорными источниками излучения, двигатель модулятора, блок обработки, выход которого соединен с входом блока индикации. Устройство нредназначено для измерения интенсивности УФ излучения Солнца в спектральном интервале 200 - 380 нм. При работе устройства световой поток через входное окно прибора направляется на модулятор, в котором по окружности с равными угловыми интервалами сделаны четыре отверстия, в три из которых вмонтированы три фильтра, пропускающих излучение в спектральных интервалах 200 280; 280 - 320; 320 - 380 нм. В четвертом отверстии фильтр отсутствует и через него проходит все излучение, прошедшее через входное кварцевое окно устройства. В процессе вращения диска интенсивность света измеряется кремниевым приемником оптического излучения, сигнал с которого электрически обрабатьгеается и регистрируется с помощью устройства индикации. Анализ данных происходит в результате сравнения, по крайней мере, двух мгновенных измерений, соответствующих разному положению модулятора и соответственно вьщелению с помощью различных селективньк фильтров области ультрафиолета. Причем, эти измерения проводятся одновременно или почти одновременно, а для анализа данных нзмерений регистрируется разность двух измерений.
Таким образом, с номощью фильтров вьщеляется излучение типичное для ультрафиолетовой области спектра.
В этом устройстве для измерения излучения в заданном спектральном интервале, вследствие использования одного канала измерения и использования в качестве
приемника - фотодиода на карбиде кремния, обладающего чувствительностью, помимо
ультрафиолетовой области, около 10% в видимой области, возникают дополнительные погрешности при проведении измерений, обусловленные влиянием излучения видимой области спектра. Данный измеритель потоков излучения, вследствие интегрального выделения ультрафиолетовых областей с помощью соответствующих светофильтров и приемника оптического излучения по условным границам, а не по известным кривым относительной ультрафиолетовой эффективности в бактерицидной, эритемной и загарной области и их максимумам спектрального распределения, обладает не достаточной достоверностью определения потоков излучения в этих диапазонах спектра.
Задачей заявляемой полезной модели является создание измерителя потоков ультрафиолетового излучения, позволяющего достичь технический результат, заключающийся в повышении точности измерений, достоверности определения потоков излучения и оперативности проведения измерений потоков или дозы ультрафиолетового излучения в биологически активных диапазонах спектра с учетом спектрального распределения известных кривых для относительной ультрафиолетовой эффективности в бактерицидной, эритемной и загарной областях спектра.
Для достижения этого технического результата измеритель потоков ультрафиолетового излучения, содержащий в оптическом блоке первое входное окно, механический модулятор оптического излучения, вьшолненный в виде диска, имеющего отверстия для выделения ультрафиолетовых областей спектра, отверстия для синхронизации работы измерителя и отверстие для идентификации положения
1(//3// 1
3 модулятора, первый приемник оптического излучения, находящийся на одной оптической
оси с первьм входным окном, и первый и второй синхродатчики, находящиеся на одной оптической оси соответственно с первым и вторым опорными источниками излучения, двигатель модулятора, блок обработки, выход которого соединен с входом блока индикации, дополнительно снабжается в оптическом блоке вторым входным окном, вторым приемником излучения, имеющим одну оптическую ось с ним, двигатель модулятора снабжен блоком синхронизации работы двигателя, блок обработки содержит дифференциальный усилитель, входы которого соединены с выходами первого и второго предварительных усилителей, входы которых соединены с выходами первого и второго приемников оптического излучения, выход дифференциального усилителя соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с первым входом пикового детектора, его выход соединен с входом основного усилителя сигналов, выход последнего соединен с входом микроконтроллера, первый выход которого соединен со вторым входом пикового детектора, а второй выход с входом блока индикации, причем третий и четвертый входы микроконтроллера соединены соответственно с выходами первого и второго формирователей прямоугольных импульсов, входы которых связаны с выходами первого и второго синхродатчиков, причем выход первого формирователя прямоугольных импульсов связан с входом блока синхронизации работы двигателя; в модуляторе выполнено щесть отверстий для выделения ультрафиолетовых областей спектра, расположенных по окружности через угловой интервал л/6, причем три из них снабжены светофильтрами и расположены через интервал тс/З, три отверстия для синхронизации работы измерителя расположены на другой окружности с интервалом тс/З и напротив отверстий для выделения ультрафиолетовых областей спектра, а отверстие для идентификации положения модулятора расположено на другой окружности напротив любого из отверстий для вьщеления ультрафиолетовых областей спектра.
4 В предлагаемом измерителе реализован двухканальный дифференциальный метод
измерения ультрафиолетового излучения с применением (с целью оперативного регистрирования УФ излучения) оригинальной конструкции модулятора и набором встраиваемых в него оптических светофильтров для интегрального выделения областей: УФ (220 - 380 нм); УФ-А (315 - 380 нм); УФ-В (280 - 315 нм), а также используется микроконтроллер в блоке обработки, который позволяет увеличить оперативность проведения измерений потоков или дозы ультрафиолетового излучения, повысить достоверность определения потоков, благодаря программному учету коэффициентов рассогласования между теоретическими и практическими кривыми вьщеления биологически активных областей, а также коэффициентов поглощения излучения оптическим блоком прибора при различных положениях модулятора. При помощи микроконтроллера программно вычисляется поток в области УФ-С (220 - 280 нм), спектрально соответствующий эффективной бактерицидной кривой, и регистрируется в блоке индикации наряду с другими величинами потоков областей спектра. Применение в измерителе дифференциального метода измерения потоков излучения исключает влияние видимого и инфракрасного излучения на результаты проводимых измерений в области ультрафиолета, что позволяет существенно минимизировать погрещность измерений.
Заявляемая полезная модель поясняется следующими фигурами: Фигура 1 - функциональная схема заявляемой полезной модели измерителя потоков
ультрафиолетового излучения;
Фигура 2 - конструкция модулятора заявляемой полезной модели; Фигура 3 - схема, иллюстрирующая положения модулятора, при которых соблюдается
дифференциальное вьщеление ультрафиолетовых областей; Фигура 4 - пример прохождения сигналов по блокам функциональной схемы.
S.
5
Измеритель потоков ультрафиолетового излучения (фиг. 1) содержит оптический блок 1, двигатель модулятора 2, блок синхронизации работы двигателя модулятора 3, блок обработки 4 и блок индикации 5.
Оптический блок 1 содержит первое и второе входные кварцевые окна 10 и 13 (КО1 и КО2), первый и второй опорные излучатели 6 и 8 (ОИ1 и ОИ2), модулятор 16, первый и второй синхродатчики 7 и 9 (СД1 и СД2), первый и второй оптические светофильтры 11 и 14 (СФ1 и СФ2), первый и второй приемники оптического излучения 12и15(ФД1иФД2).
Блок обработки 4 содержит первый и второй формирователи прямоугольных импульсов 17 и 18 (ФПИ1 и ФПИ2), первый и второй предварительные усилители 19 и 21 (ПУ1 и ПУ2), дифференциальный усилитель 20 (ДУ), фильтр нижних частот 22 (ФНЧ), пиковый детектор 23 (ПД), основной усилитель 24 (УС), микроконтроллер 25 (МК).
Блок индикации 5, может быть выполнен в виде двухстрочного шестнадцатиразрядного жидкокристаллического индикатора.
В модуляторе заявляемой полезной модели (фиг. 2) вьшолнены три отверстия 26, 28, 30 со светофильтрами, три отверстия 27, 29, 31 без светофильтров, три отверстия 32, 33, 34 для синхронизации работы измерителя и отверстие 35 для идентификации положения модулятора.
С целью оперативного регистрирования УФ излучения в областях спектра бьша разработана конструкция модулятора, в котором по окружности с равньми угловыми интервалами (л/б или л/З) и с разными расстояниями от центра модулятора:
- на радиусе R1 расположены отверстия 26,27, 28, 29, 30, 31, в три из которых 26, 28, 30 вмонтированы соответственно светофильтры СФЗ, СФ4, СФ5 из оптического стекла, позволяющие выделять биологически активные диапазоны ультрафиолетового спектра. Отверстия 27, 29, 31, расположенные напротив отверстий со светофильтрами, необходимы для выделения ультрафиолетовых областей дифференциальным методом.
Светофильтр 14 (СФ2) (см. фиг. 3) не монтируется в эти отверстия, а устанавливается неносредственно перед приемником оптического излучения 15 - фотодиодом ФД2;
- на радиусе R2 напротив отверстий в модуляторе для выделения ультрафиолетовых областей спектра расположены отверстия 32, 33, 34, которые используются непосредственно для синхронизации работы измерителя потоков ультрафиолетового излучения;
на радиусе R3 выполнено отверстие 35 необходимое для идентификации положения модулятора в процессе его вращения.
Следует отметить, что геометрия положений окон модулятора (см. фиг. 2) выполнена так, что при вращении модулятора поток, црощедший через соответствующие окна попадает только лищь на приемники оптического излучения, находящиеся на одной оптической оси с ними (см. фиг. 1 и фиг. 3).
Фигура 3 иллюстрирует три положения модулятора 16 относительно приемников оптического излучения, при которых соблюдается дифференциальный способ вьщеления ультрафиолетовых областей спектра. При первом положении модулятора поток, прощедший через оптические светофильтры 26 (СФЗ) и 11 (СФ1) (стекла типа УФС), пропускающие излучение в УФ и ИК областях и через отверстие 27 в модуляторе и светофильтр 14 (СФ2) (комбинация стекол УФС и БС), работающий в ИК области, одновременно попадает на первый и второй приемники оптического излучения 12 и 15 соответственно ФД1 и ФД2 с близкой спектральной чувствительностью. Сигналы, пропорциональные потокам излучения, с приемников излучения вычитаются, и таким образом происходит вьщеление потока излучения в УФ области спектра. Аналогично определяется поток от ультрафиолетового источника излучения для УФ-А и УФ-В областей спектра (2-ое и 3-е положения модулятора), в этом случае излучение проходит через набор светофильтров: СФ4, СФ1 и СФ2 - при втором положении модулятора; СФ5, СФ1 и СФ2 - при третьем положении модулятора. Таким образом, устраняются дополнительные погрешности при проведении
измерений, обусловленные влиянием излучения видимой и инфракрасной области спектра.
В заявляемой полезной модели, например, могут быть использованы в качестве приемников оптического излучения фотодиоды типа ФДУК-11УП с пониженной чувствительностью в инфракрасной области, которые позволяют эффективно проводить измерения в УФ области спектра и осуществлять высокочастотную модуляцию, что соответственно исключает влияние помех и наводок на результаты измерений. Исследование спектральных характеристик ФД показало, что диапазон спектральной чувствительности составляет 190 - 1100 нм. Диаметр приемной площадки равен 5 мм, энергетический диапазон работы 0,01 - 500 Вт/м. Фотодиод обладает высокой токовой чувствительностью, которая составляет 0,28 А/Вт в максимуме спектрального распределения  680 нм. Линейный характер зависимости тока короткого замыкания от потока, падающего на приемник, позволяет проводить измерения УФ излучения с достаточно высокой точностью.
Измеритель потоков ультрафиолетового излучения работает следующим образом.
Например, при первом положении модулятора (фиг. 3), поток излучения, пройдя через первое и второе входные окна 10 (КО1) и 13 (КО2) (см. фиг. 1) и соответствующие светофильтры 26 (СФЗ), 11 (СФ1) и светофильтр 14 (СФ2), попадает на первый и второй приемники оптического излучения 12 (ФД1) и 15 (ФД2). Сигналы с приемников усиливаются первым и вторым предварительными усилителями 19 и 21 (ПУ1 и ПУ2) и вычитаются в дифференциальном усилителе 20 (ДУ). Дифференциальный сигнал фильтруется фильтром нижних частот 22 (ФНЧ) и поступает на пиковый детектор 23 (ПД), который выделяет максимум импульса в виде аналогового уровня, и через основной усилитель сигналов 24 (УС) подается на вход аналогово-цифрового преобразователя, встроенного в программируемый микроконтроллер 25 (МК). Одновременно с этим
00/13116 3.
8
импульсы от первого и второго синхродатчиков 7 и 9 (СД1 и СД2) через первый и второй формирователи прямоугольных импульсов 17 и 18 (ФПИ1 и ФПИ2) приходят иа микроконтроллер 25 (МК), который в свою очередь вьщает импульс сброса на пиковый детектор 23 (ПД), так чтобы он бьш готов снова вьщелить максимум следующего импульса. Этот импульс будет сформирован в соответствии со вторым положением модулятора (см. фиг. 3).
Микроконтроллер 25 управляется кнопками: СБРОС ; ЗАПИСЬ ; СЧИТЫВАНИЕ. Следует отметить, что МК может запоминать до 50 комбинаций трех цифровых значений, соответствующих величинам потоков в областях: УФ, УФ-А, УФ-В. При нажатии кнопки СБРОС вся информация, хранящаяся в МК, сбрасьшается. Далее при нажатии кнопки ЗАПИСЬ в процессе модуляции потока излучения происходит запись данных. Полученная информация опращивается с помощью функции МК СЧИТЫВАНИЕ и при нажатии этой кнопки на табло двухстрочного щестнадцатиразрядпого жидкокристаллического индикатора загораются цифровые значения, соответствующие, к примеру, первой комбинации интегральньк потоков ультрафиолета и горят до следующего нажатия кнопки СЧИТЫВАНИЕ. После определения интересующих потоков от естественных и искусственных источников излучения в трех УФ областях, последующее нажатие кнопки СЧИТЫВАНИЕ возобновит операцию определения потоков УФ излучения, но величины будут соответствовать уже другому моменту времени измерения.
Следует отметить, что синхронизация работы устройства осуществляется синхроимпульсами с 18 (ФПИ2), которые наряду с этим управляют еще и электронным блоком синхронизации работы двигателя модулятора 3 (СРДМ). Этот блок поддерживает и позволяет регулировать частоту оборотов двигателя модулятора 2 (ДМ). пример прохождения сигналов по блокам функциональной схеме при постоянной
модуляции оптического потока представлен на фиг. 4. Графики 1-4 показьшают зависимость сигналов напряжения U от времени t в основных блоках схемы.
На графике 1 представлен ход дифференциальных сигналов для потоков УФ, УФА, УФ-В областей, поступающих с дифференциального усилителя 20 через фильтр нижних частот 22 на пиковый детектор 23. Как видно из графика, с дифференциального усилителя 20 следуют как полезные сигналы, обусловленные положениями модулятора на фиг. 3, так и вредные сигналы, происходящие от трех оставшихся положений модулятора в процессе его вращения.
Одновременно с этим синхроимпульсы, которые идентифицируют полезные сигналы с дифференциального усилителя, через формирователь прямоугольных импульсов 18 (ФПИ2) управляют 4 (СРДМ) и 25 (МК) (см. фиг. 1). Зависимость представлена на графике 2.
На графике 3 представлен ход импульсов с синхродатчика 7 (СД1) после 17 ФПИ1. Эти импульсы необходимы для определения 1-го положения модулятора (см. фиг.З).
С помощью пикового детектора 23 происходит определение и передача мгновенных значений максимумов потоков излучения (в виде аналоговых уровней) в интересуемых областях спектра. Перед каждым следующим импульсом на пиковый детектор 23 приходит импульс сброса с микроконтроллера 25. Таким образом, на встроенный в микроконтроллер аналого-цифровой преобразователь поступают требуемые аналоговые уровни сигналов в определенной последовательности (см. график 4).
Обработка и регистрация сигналов происходит оперативно, не только в результате предложенного технического рещения выделения и обработки потоков УФ областей, но и из-за одновременной регистрации в блоке индикации 5 цифровых шестиразрядных величин потоков для четырех спектральных диапазонов ультрафиолета (УФ, УФ-А, УФ-В, и рассчитанный УФ-С). Число записанных комбинаций определено оперативной памятью
.
10
микроконтроллера 25. Время записи комбинаций определяется частотой модуляции. Так, при модуляции приемников излучения оптическим потоком с частотой 82 Гц, за одну секунду можно записать 41 комбинацию величин.
Введение в микроконтроллер определенной программы позволяет наряду с потоками определять и дозу излучения в интересуемых областях спектра.
В блоке обработки 4 измерителя потоков ультрафиолетового излучения были использованы прецизионные операционные усилители с малыми напряжениями смещения и низкими уровнями шумов. Они функционируют в широких диапазонах окружающих температур без существенного изменения внутренних параметров. Использование таких усилителей позволило уменьшить вероятность случайных погрешностей электронной схемы, обусловленных воздействием окружающей среды и различных радиопомех.
Для устранения температурной зависимости чувствительности приемника излучения в блоке обработки 4 измерителя предусмотрена температурная схема компенсации (на фиг. 1 не показана), которая позволяет уменьшить погрешность проведения измерений.
Благодаря программному обеспечению измерителя реализована возможность проведения оперативных и точных интегральных измерений потоков и дозы УФ излучения. Рассчитаны коэффициенты рассогласования между теоретическими и практическими кривыми вьщеления. Эти коэффициенты введены в программу микроконтроллера.
Измеритель потоков ультрафиолетового излучения обладает:
повышенной достоверностью определения потоков УФ излучения, в результате использования предложенных технических решений, в частности использование конструкции измерителя и применение программируемого микроконтроллера в блоке обработки; меньшей погрешностью измерений, благодаря программному учету
коэффициентов рассогласования между теоретическими и практическими
кривыми вьщеления биологически активных областей, а также коэффициентов
поглощения излучения оптическим блоком прибора при различных положениях
модулятора;
программным вычислением потока в УФ-С диапазоне относительно УФ
интегральной области;
оперативностью запоминания и регистрации информации о величинах потоков
и дозы ультрафиолета в четырех областях спектра: УФ-А; УФ-В; УФ-С и в
интегральной области УФ.
12 Использованные нсточники
1.Томский к.А. Комплексные исследования и создание измерителей видимого и ультрафиолетового излучения //Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук./ Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и онтики (технический университет). - С-Пб., 1999.
2.Патент Германии DE №4327300, МПК G 01 J 1/42. Снособ и устройство для измерения излучения в заданном спектральном интервале. Verfahren und Gerat zmn Messen der Strahlung eines Spektralbereichs /Bemklau, Reiner/ Опубл. 16.02.1995г.
ш//з//
13
(прототип)