МНОГОКАНАЛЬНЫЙ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ СПЕКТРОМЕТР

Предлагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности, к устройствам измерения спектрального распределения интенсивного светового излучения быстропротекающих процессов, и может быть использована для диагностики излучения в технологических, моделирующих и физических устройствах.
Известно многоканальное спектральное светоизмерительное устройство [см. Пат. США, №4909633, МПК G01J 01/04, G01J 05/60, публ. 1990.03.20.], включающее объектив, оптоволоконный жгут, разделенный на три канала, индивидуально позиционированные к трем светоприемным элементам, имеющим различные спектральные чувствительности. Три компонента света одновременно конвертируются в три электрические сигнала и затем в цифровые величины посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Этот прибор не позволяет с достаточной точностью и достоверностью в широком динамическом диапазоне производить абсолютные измерения спектральных характеристик. Прибор недолговечен, поскольку не снабжен специальной защитой.
Известно выбранное нами в качестве прототипа устройство для измерения оптических характеристик быстропротекающего процесса [см. Пат РФ на пол. мод., №32594, МПК G01J 05/60, приор. 2003.04.21.], включающее элемент оптической схемы, разлагающий излучение на квазимонохроматические компоненты, и следующие за ним в оптическом тракте светочувствительные элементы, в качестве которых используются кремниевые фотодиоды, схема подключения которых соответствует фотодиодному режиму, а элемент оптической схемы, разлагающий излучение на компоненты представляет ряд, состоящий, по крайней мере, из двух светофильтров, пропускающих излучение в различных областях спектра.
С помощью этого устройства исследуются во времени оптические характеристики взрыва. Для сбора спектральной информации используется набор фотодиодов с полосовыми фильтрами, образующий быстродействующий многоканальный спектральный анализатор. Сигналы фотодиодов по коаксиальным кабелям передаются на цифровые осциллографы, где запоминаются для последующей обработки. Регистрируются сигналы, пропорциональные освещенности в точке установки анализатора. Записанная информация с помощью АЦП и ЭВМ по известной программе обрабатывается с целью получения пирометрических характеристик, таких как абсолютные значения освещенности в точке установки приемников, силы света источника и цветовой температуры, средней по объему светящегося тела.
Этот прибор также не позволяет с достаточной точностью и достоверностью измерять абсолютные значения оптических характеристик, сигналы в нем передаются по длинным кабелям, подверженным электромагнитным наводкам. Прибор недостаточно надежен, т.к. блок фотоприемпиков со светофильтрами находится непосредственно вблизи объекта, то есть в зоне взрыва находятся хрупкие оптические элементы, которые необходимо защищать.
Техническим результатом заявляемой нами полезной модели является получение регистрирующим прибором в одном акте измерения с высокой точностью и достоверностью цифровых данных по спектральному распределению энергии облучения, а также его интегральных характеристик. Прибор надежен при работе в лабораторных и полевых условиях.
Поставленная цель достигается тем, что в многоканальном спектрометре, включающем размещенный по ходу излучения связанный с измерительным устройством фотоприемный узел со светофильтрами, новым является то, что измерительное устройство выполнено в виде связанных между собой блока фиксации максимального значения напряжения, переключателя каналов, блока индикации в цифровом виде и автономного источника питания с гальванической развязкой, фотоприемный узел выполнен в виде размещенного на массивном основании калориметрического многоканального блока из расположенных в непосредственной близости друг от друга изолированных от основания идентичных высокочувствительных, неселективных по спектру пластин, снабженных измерительными преобразователями излучения в напряжение, соединенными с операционными усилителями, связанными кабелями с блоками фиксации и индикации, при этом блок фиксации максимального значения напряжения выполнен по принципу пикового детектора, а автономный блок питания связан кабелями с каждым операционным усилителем калориметрического блока, перед каждым измерительным преобразователем установлены отрезающие оптические фильтры, спектральные области которых выбраны так, что их спектральные границы и разность спектральных границ соседних фильтров обеспечивают измерение энергии излучения всего спектрального диапазона.
1
1
1
1
1
1
На фиг.1 представлена блок-схема заявленной полезной модели, где отрезающие оптические фильтры 1 -1n, приемные пластины 2 - 2n, калориметрические измерительные преобразователи (датчики) 3 - 3n, операционные усилители 4 - 4n, основание 5, соединительные кабели 6 - 6n, фиксаторы 7 - 7n уровня напряжения, переключатель 8 каналов, блок 9 индикации и блок 10 питания;
I - фотоприемное устройство, II - измерительное устройство.
На фиг.2 представлено спектральное пропускание оптических фильтров прибора (пример конкретного исполнения), где КУ-2 - кварц со спектральной областью пропускания λ>200 нм., К-8 - стекло с λ>300 нм., ЖС и КС - цветные стекла с λ>400 нм. и λ>700 нм соответственно.
На фиг.3 показан фотоснимок общего вида многоканального калориметрического спектрометра для измерения излучения сетевой ламповой панели.
Предложенный многоканальный калориметрический спектрометр функционально состоит из двух соединенных кабелями устройств: фотоприемного и измерительного.
Фотоприемное устройство I (ФПУ) выполнено многоканальным и конструктивно размещено на общем массивном основании 5. Все каналы фотоприемного устройства функционально выполнены идентично: каждый канал включает в себя отрезающий спектральный светофильтр 1, изолированную от основания приемную пластину 2, измерительный преобразователь тепловой энергии в электрическую (датчик) 3 и операционный усилитель 4.
Измерительное устройство II включает в себя фиксаторы уровня напряжения 7 каждого канала, общий переключатель 8 каналов, блок 9 индикации и блок 10 питания с гальванической развязкой. Соединительные кабели 6, с одной стороны, передают напряжение питания от общего блока 10 питания на каждый; операционный усилитель 4, с другой стороны, передают усиленный сигнал с каждого операционного усилителя на фиксаторы уровня.
Отрезающие спектральные фильтры размещают непосредственно перед приемными пластинами, их характеристики подбирают из условия обеспечения необходимых непрерывных спектральных интервалов измерения.
Излучение измеряемого источника света в каждом канале проходит через отрезающий светофильтр на приемную пластину и нагревает ее. Калориметрический датчик преобразует тепловую энергию в электрическую. Электрическое напряжение с датчика усиливается в операционном усилителе, передается кабелем на фиксатор уровня напряжения, где и запоминается.
Элементы каждого канала ФПУ размещают на общем массивном основании в непосредственной близости друг от друга, что обеспечивает одинаковый тепловой режим их работы и минимальную пространственную погрешность измерений. Изолированные от основания приемные пластины, нагреваясь в процессе облучения без рассеяния тепла в окружающую среду, представляют собой неселективные по спектру быстродействующие поглотители световой энергии. К пластинам с надежным тепловым контактом крепятся калориметрические датчики, преобразующие нагрев пластин в полезный сигнал в виде электрического напряжения. Сигналы с датчиков усиливаются расположенными на общем основании операционными усилителями и передаются по кабелям на фиксаторы уровней, где запоминаются. По окончании регистрации напряжение переключается на блок индикации в цифровом виде. Этот сигнал с учетом спектральной характеристики светофильтра и чувствительности датчика в данном канале соответствует искомой информации - энергии облучения в заданном спектральном интервале. Пример конкретного исполнения.
Макетный образец многоканального калориметрического спектрометра был изготовлен для анализа излучения сетевой ламповой панели (см. фиг.3) из 14 ламп ИНП-16/580, при длительности светового импульса 2.1 с. Амплитуда тока через каждую лампу в этом режиме составляла 150 А.
Фотоприемное устройство состояло из 4 идентичных каналов. Перед калориметрическими пластинами были установлены оптические фильтры, которые ограничивают спектральную область работы датчиков. В качестве оптических фильтров, позволяющих проводить измерения энергии излучения в УФ, видимой и ИК областях спектра, выбраны кварц КУ-2, стекло К-8 и цветные стекла ЖС-10 и КС-19. Пропускание фильтров приведено на фиг.2.
Первый калориметр с фильтром из КУ-2 регистрирует излучение в спектральной области с λ>200 нм. Второй с К-8 - в области с λ=300 нм. Разность измерений первого и второго калориметров дает энергию излучения в коротковолновой части УФ диапазона Δλ=200-300 нм. Третий калориметр с фильтром ЖС-10 регистрирует излучение в спектральной области с λ>400 нм. Разность показаний второго и третьего калориметров дает энергию излучения в длинноволновой части УФ диапазона Δλ=300-400 нм. Четвертый калориметр с фильтром КС-19 измеряет энергию излучения в ИК области спектра с λ>700 нм, а разность показаний третьего и четвертого дает энергию излучения в видимой области спектра Δλ=400-700 нм.
В приборе в качестве калориметрической пластины использована тонкая (порядка 0,2 мм) пластина из графита. Благодаря малой массе и, следовательно, малой теплоемкости пластины, она за время короткого импульса нагревается до более высокой температуры. Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляли датчиком типа КТП/СТА. Полученный сигнал усиливался на операционном усилителе фирмы Analog Devices. Коэффициент усиления определялся соотношением сопротивлений на входе и симметрирующей пары. Перестановкой перемычек выставлялось усиление схемы. В одном положении соотношение резисторов составляло 2000, что соответствует коэффициенту усиления 2000, в другом, соответственно - 20. При максимальном усилении чувствительность дифференциального усилителя такова, что при подключении одной термопары типа «К» максимальный выходной сигнал 12 В соответствует температуре 250°С. Подстроечный потенциометр в усилителе служит для установки «нуля» усилителя. Регулировкой потенциометра устанавливается «0» выходного напряжения после продолжительного пребывания датчика в условиях спокойной среды, например в термостате. Схема усилителя не содержит цепей компенсации температуры окружающей среды, поскольку задача разработанного устройства состоит не в измерении абсолютной температуры пластины датчика, а ее разогрева относительно окружающей среды при поглощении энергии светового импульса. Выходное напряжение усилителя через кабель передавалось на блок фиксации и индикации. По этому же кабелю от блока питания подводилось ±15 В для питания усилителя.
Малая теплоемкость пластины увеличивает быстродействие прибора. При этом, несмотря на специальные меры теплоизоляции, пластина быстро остывает, что затрудняет отсчет показаний. В данной разработке применена аппаратная фиксация максимального значения показаний прибора по принципу пикового детектора.
Блок индикации подключался к каждому датчику отдельным кабелем. Это сделано для возможности работать с одним датчиком или подключения датчиков к разным средствам индикации и обработки, например к многоканальному осциллографу.
При совместной работе блока датчиков сигнал каждого из них запоминался в своем канале. По окончании измерений с помощью переключателя каналов сохраненные значения последовательно выводились на цифровой индикатор для снятия показаний.
В схеме фиксаторов уровней использовали сдвоенный усилитель TL082N с полевыми транзисторами на входе. Микросхема совместно с накопительным конденсатором и транзистором образуют пиковый детектор. Первый каскад является линейным выпрямителем с транзистором КТ501Л в диодном включении и функционально представляет собой фиксирующий диод с весьма малым прямым напряжением и высоким обратным сопротивлением. Его задача зарядить керамический конденсатор до напряжения, соответствующему максимальному значению в импульсе и зафиксировать это значения при спаде импульса. Второй каскад является повторителем с весьма высоким входным сопротивлением, что позволяет измерить напряжение на конденсаторе обычным, в данном случае цифровым, измерительным прибором. Транзистор - управляемый ключ предназначен для сброса заряда накопительных конденсаторов и обнуления показаний одновременно по всем четырем каналам калориметра. Сброс происходит путем подачи открывающего потенциала на транзистор при нажатии кнопки. Цифровой индикатор подключается поочередно ко всем каналам для снятия показаний. В одном из положений переключателя контролируется положительная часть стабилизированного напряжения питания прибора (+15 В).
Блок индикации требует гальванической развязки измеряемого напряжения и его собственной цепи питания. Эта развязка образуется благодаря раздельному питанию блока индикации и основной схемы. Основные схемы прибора получают питание ±15 В от DC-DC преобразователя P14TG-2415Z4:1MFL с гальванической развязкой, тогда как блок индикации питается непосредственно от сетевого адаптера или аккумулятора стабилизированным напряжением +9 В от линейного стабилизатора 78L09.
-10
Фиксация максимума сигнала спектрометра выполнена по схеме пикового детектора. Такая схема обычно не применяется для времен хранения больше нескольких секунд. Времена хранения в данном приборе должны составлять несколько минут при падении в несколько процентов. Трудность получить такие параметры связана с недоступностью диодов с током утечки меньше чем 10 А. Лучшими характеристиками обладают транзисторы в диодном включении, однако обратное напряжение практически всех транзисторов не превышает 5-8 В. Исключение составляет транзистор серии КТ501 с обратным напряжением 20 В. Среди них и были выбраны лучшие по току утечки.
Операционные усилители с такими токами утечки имеются только в классе полевых. Однако у них большие сдвиги и температурные дрейфы по напряжению. У примененных микросхем сдвиги и дрейфы достигают 20-30 мВ. Кроме того, входные токи утечки могут быть разных знаков, что приводит к разнополярному дрейфу выходного напряжения пикового детектора в отсутствии входного сигнала.
Питание прибора автономное от встроенного аккумулятора. Такая схема питания полезна в условиях полигона, а также в условиях сильных электромагнитных помех. Возможна также работа от сетевого адаптера, при этом аккумулятор автоматически подзаряжается.
В таблице приведены результаты серии измерений спектрального распределения энергии излучения. Для проверки достоверности получаемых результатов параллельно с предложенным устройство проводились измерения энергии излучения эталонным устройством.
Таблица
Спектральный диапазон Δλ, нм
Энергия облучения, Дж/см<sup>2</sup>
Погрешность
Спектрометр
Эталон
абсолютная, Дж/см<sup>2</sup>
относительная, %
Δλ=200-300 нм
5,6
5,8
0,2
3,4
Δλ=300-400 нм
7,1
7,4
0,3
4,0
Δλ=400-700 нм
21,0
21,7
0,7
3,2
Δλ≥700 нм
69,3
71,1
2,1
2,5
Как видно из данных таблицы погрешность измерения макетного образца заявленного спектрометра не превышает 5%, что справедливо для всех спектральных интервалов и подтверждает достоверность полученных результатов.
Таким образом, заявленный многоканальный калориметрический спектрометр отличается повышенной надежностью исполнения, высокой точностью и достоверностью получаемых результатов измерений спектрального распределения энергии, возможностью автономного использования в полевых условиях.