CC BY
38
5. Золотухин, И. В. Нанокомпозитные структуры на пути в наноэлектронику [Текст] / И. В. Золотухин, Ю. В. Калинин, А. В. Ситников // Природа. - 2006. - № 1. - С. 11-19.
6. Береснев, В. М. Физико-химические и механические свойства наноструктурных нитридных покрытий [Текст] / В. М. Берес-нев, О. В. Соболь, Д. А. Колесников и др. // Металлофизические новейшие технологии. - 2012. - T. 34, № 2. - С. 139-160.
7. Pogrebnjak, A. D. Properties of AlN films deposited to silicon substrates [Text] / A. D. Pogrebnjak, A. K. M. Muhammed // International Journal of Structronics & Mechatronics. - 2012. - Vol. 1, Issue 2. - P. 1-3.
8. Borisova, A. Properties of Aluminum Oxynitride Films Prepared by Reactive Magnetron Sputtering [Text] / A. Borisova, A. Machulyansky, M. Rodionov, Y. Yakimenko, B. Babych // IEEE XXXIV International Scintific Conference "Electronics and Nanotechnology, 2014. - P. 122-125.
9. Розенберг, Г. В. Оптика тонкослойных покрытий [Текст] / Г. В. Розенберг. - М.: Наука, 1958. - 570 с.
10. Борн, М. Основы оптики [Текст] / М. Борн, Д. Вольф. - М.: Наука, 1973. - 719 с.
11. Теллен, О. Конструирование многослойных интерференционных светофильтров [Текст] / О. Теллен // Физика тонких пленок. - 1972. - Т. 5. - С. 46-83.
12. Золотарев В. М. Оптические постоянные природных и технических сред [Текст] / В. М. Золотарев, В. Н. Морозов, Е. В. Смирнова. - Л.: Химия, Ленинградское отделение, 1984. - 215 с.
В роботi приведено результати дослиджень метро-логiчних характеристик 1Ч радюметра. Радюметр мае високу чутлив^ть в робочому спектральному дiапазонi вид 4 до 5 мкм та широкий дiапазон змти енергетичних освтленостей - вид 0.001 до 20 Вт/м2. Установлено умови виконання вимiрювань з видносною похибкою вимiрювань освiтленостi, що не виходить за межi ±6 %.
Ключовi слова: сповщувач полум'я, радюметр тфрачервоного випромтювання, енергетична освт-летсть, спектр полум'я, фотоприймачi 1Ч випром^ нювання
□-□
В работе приведены результаты исследования метрологических характеристик высокочувствительного ИК-радиометра. Радюметр имеет высокую чувствительность в рабочем спектральном диапазоне от 4 до 5 мкм и широкий диапазон изменений энергетических освещенностей - от 0.001 до 20 Вт/м2. Установлены условия выполнения измерений с относительной погрешностью измерений освещенности, которая не выходит за пределы ±6 %
Ключевые слова: извещатель пламени, радиометр инфракрасного излучения, энергетическая освещенность, спектр пламени, фотоприемники ИК излучения
УДК 551.510.534621.383.52
[DPI: 10.15587/1729-4061.2014.33133|
МЕТРОЛОГ1ЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ВИРОБНИЦТВА СПОВ1ЩУВАЧ1В ПОЛУМ'Я
I. В. Докторович
1нженер-конструктор* В. М. Годован юк
Голова правлшня* Доктор техычних наук, професор Чершвецький нацюнальний уыверситет вул. Коцюбинського, 2, м. Чершвф, УкраТна, 58012 E-mail: [email protected] В. Г. Юр'ев Начальник спецiалiзованого конструкторського бюро *ВАТ "ЦКБ Ритм" вул. Головна, 244, м. Чершвщ, УкраТна, 58032
1. Вступ
При виробництвi та випробуваннях сповiщувачiв полум'я, яю призначеш для роботи в системах по-жежно1 безпеки, виникае проблема калiбрування ма-лих рiвнiв оптичних сигналiв - енергетичних потоюв випромшювання або освиленостей. Для вимiрювань зазначених фотометричних одиниць необхщно ви-користовувати спецiалiзованi засоби, яю на сьогодш промислово не випускаються. На замовлення центру по випробуванню сповiщувачiв полум'я розроблено 1Ч радюметр, подальше виробництво якого потребуе детального опису умов виконання вимiрювань пара-метрiв. Не менш актуальним е питання метролопчних
С i. В. Гк
характеристик процесу вимiрювань, тобто питання похибок та можливi шляхи 1х зменшення.
Осюльки 1Ч радюметр е пороговим вимiрювачем, виникае ще одна проблема - забезпечення калiбру-вання 1Ч радюметра засобами вимiрювань малих рiвнiв потоюв. Це пiдбiр стаб^ьних джерел випромь нювання, використання вщповщних контрольних фотоприймачiв i надшних порогових пристроТв для вимiрювання фотосигналiв.
Окрiм цих проблем виникае проблема методичного характеру: контрольш фотоприймачi мають широкий спектральний дiапазон чутливост - вони чутливi ввд видимого (0.4 мкм) до далекого 1Ч (25 мкм) дiапазону. Вимiрювання ж необхщно проводити в вужчш смузi
спектру - вщ 4 до 5 мкм. Зважаючи на селективний характер потоку випромшювання, перехщ з одного типу джерела (0.4-25 мкм) на шший (4-5 мкм) потре-буе серйозного попереднього дослiдження методик виконання вимiрювань та проведення калiбрування 1Ч радiометрiв.
2. Аналiз лiтературних даних i постановка проблеми
До кола питань щодо метрологiчного забезпечення виробництва сповiщувачiв полум'я належать пошук вщповщних засобiв вимiрювальноi технiки та реаль зацiя вимiрювальних схем iз забезпеченням мтмаль-но-можливих похибок вимiрювань.
При випробуваннях сповiщувачiв полум'я, регулю-ючи режим роботи джерела, необхiдно установлювати та перiодично контролювати енергетичну освгглешсть в площинi розмiщення сповiщувача полум'я в межах вщ 0.001 до 20 Вт/м2. Вiдомi на сьогодш радiометри iнфрачервоного (1Ч) випромiнювання не забезпечу-ють вимiрювання малих рiвнiв освiтленостi - радю-метр РАТ-2П мае дiапазон вимiрювань енергетичноi освиленосп вiд 10 до 2000 Вт/м2 [1]; вимiрювач серед-ньоi потужност i енергii лазерного випромiнювання ИМО-2Н - вщ 2 до 3.3-105 Вт/м2 [2]; перетворювач густини теплового потоку ПТП-03 - вiд 0 до 500 Вт/м2 та прилад для вимiрювання густини теплового потоку ИТП-11 - вщ 10 до 99.9 Вт/м2 [3]; мжропроцесорний прилад ИТП-МГ4 «Поток» - вщ 2 до 500 Вт/м2 [4]. Як бачимо, вимiрювання верхньоi межi енергетичноi освiтленостi (20 Вт/м2) можна провести будь-яким вищеприведеним вимiрювачем, проте, вимiрювання малих рiвнiв освiтленостi жоден з них не забезпечуе.
Окрiм зазначеноi проблеми вимiрювань iснуе потреба контролю змши потокiв на незначну величину. Так, при визначенш параметрiв порогових власти-востей та енергетичних характеристик чутливост електронно-оптичних приладiв (ЕОП) для деяких iз них необхщно змiнювати потоки випромiнювання -зб^ьшувати або ослаблювати '¿х - на досить малi величини. Наприклад, контрастометри температури, датчики загазованост та задимленосп, датчики пе-ремiщення i т. п., повинш реагувати на змшу потокiв на (0.1-0.15) децибел, або в разах - в (1.02-1.04) рази. А отже, за допомогою радiометрiв 1Ч випромшюван-ня, чутлившть яких не краща за 1 Вт/м2, неможли-во визначити змшу енергетичноi освiтленостi з 1 до 1.04 Вт/м2 - на таку змшу радюметр просто не зреагуе.
Таким чином виникае потреба в 1Ч радiометрi з пороговою чутливiстю 0.001 Вт/м2.
Як вщомо [5] випромшювання тш в шфрачервоно-му дiапазонi довжин хвиль обумовлене температурою даного пла. Найбiльш унiверсальними джерелами з неперервним широким спектральним дiапазоном випромшювання е тепловi джерела, а точшше, моделi абсолютно чорних тiл. Найширшого застосування в установках для контролю фотоелектричних параме-трiв електронно-оптичних пристро'в набули АЧТ з температурами 373 К, 573 К i 1200 К [6]. Тому для вимiрювань фотоелектричних параметрiв 1Ч радю-метрiв в процесi дослiджень необхiдно було вибрати оптимальне по температурi та енергоспоживанню дже-рело оптичного випромшювання.
Важливим моментом в техшчному завданш на роз-робку 1Ч радюметра була вимога щодо спектрального дiапазону чутливостi. Якщо спектральна характеристика первинного перетворювача вщмшна вiд вимог, проводять так зване корегування. Осюльки вищезга-данi радiометри не забезпечують порогово' чутливостi, немае змiсту корегувати '¿х спектральнi характеристики. При розробщ 1Ч радiометра був пвдбраний вiдповiдний iнтерференцiйний фiльтр, який змшив форму характеристики. Природно що вона ввдмшна вiд теоретично', а тому важливо правильно враховува-ти и при калiбруваннi радiометра [7].
3. ЦЫ та задачi дослщжень
На сьогодш виробництво сповiщувачiв полум'я не забезпечене контрольними засобами вимiрювань па-раметрiв оптичного випромiнювання, яке використо-вуеться при перевiрцi якостi сповiщувачiв.
На замовлення НВФ «Тензор» авторами розробле-ний 1Ч радiометр, який повинен бути робочим засобом вимiрювання при випробуваннях сповiщувачiв полум'я i повинен забезпечувати:
- робочий спектральний дiапазон - вiд 4 до 5 мкм;
- дiапазон вимiрювань енергетично' освiтленостi -вщ 0.001 до 20.0 Вт/м2;
- межi допустимо' основно' вiдносноi похибки ви-мiрювань енергетично' освiтленостi (5Е) в дiапазонi вiд 0.02 Вт/ м2 до 20 Вт/ м2 - не бiльшi ±6 %.
Правильний вибiр засобiв вимiрювань, побудова установки, контроль параметрiв потоку випромшювання та досягнення мжмальних похибок вимiрю-вань - це мета проведення дослщжень параметрiв за-собiв вимiрювань сповiщувачiв полум'я. Висвiтлення та розв'язання розглянутих проблем дозволить роз-робникам зекономити час з метролопчного забезпечення розробок сповiщувачiв.
4. Конструктивш рiшення при розробцi радiометра
Випромшювання тш в iнфрачервоному дiапазонi довжин хвиль обумовлене температурою даного тша. Тому в радiометрi використовуеться приймач на основi напiвпровiдниковоi термобатаре', який чутливий в широкому спектральному дiапазонi. Оптичний потж випромiнювання попадае на чорнену поверхню прий-мально' площадки та на^вае п. Термобатарея фжсуе нагрiв та видае фотосигнал у виглядi електрично' напруги, пропорцiйноi оптичному потоку. Необхщний спектральний дiапазон чутливост радiометра фор-муеться iнтерференцiйним фшьтром з пропусканням в областi 4-5 мкм. Для зб^ьшення чутливостi прила-ду та зменшення впливу випромшювання навколиш-нiх предметiв, що досягаеться за рахунок звуження кута поля зору, перед фотоприймачем встановлено лшзу виготовлену з фтористого кальщю (CaF2).
Осюльки в радiометрi в якостi фотоприймача використовуеться тепловий фотоприймач, то при вимiрю-ваннях потж випромшювання визначаеться рiзницею температур джерела випромшювання та середовища, в якому перебувае приймач. Це обумовлюе жорстк вимоги щодо тдтримування постiйноi температури
прим1щення та радюметрично1 головки на протяз1 часу проведення вим1рювань.
Структурна схема радюметра приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структурна схема радюметра 1Ч дiапазона: 1 — головка радюметрична (РГ); 2 — передшдсилювач (ПП); 3 — аналого-цифровой перетворювач (АЦП);
4 — рщкокрист^чний шдикатор (РК1)
Свиловий потж в1д джерела випромшювання попадав на фоточутливий елемент радюметричноТ головки (1), генерув фотосигнал, який тдсилювться ПП(2). АЦП (3) перетворюв напругу в цифровий код, який виводиться на шдикатор (4). За допомогою перемикача тдд1апазошв вим1рювання встановлювться необхщ-ний д1апазон чутливост1 радюметра 0-2 або 0-20 Вт/м.
Радюметр складавться з електронного блоку та радюметрично'1 головки.
Для зручност на заднш панел1 електронного блоку радюметра розмщеш вимикач живлення СЕТЬ, за-поб1жник 0.25 А, шнур для тд'вднання радюметра до мереж1 220 В, клема заземлення, роз'вм для тд'вднання радюметрично'1 головки ИЗМ.ГОЛОВКА та роз'вм аналогового виходу тсля передтдсилювача ВЫХОД для тдключення зовшшнього цифрового вольтметра, або шшого пристрою при ввдносних вим1рюваннях розмщеш, а на переднш панел1 радюметра - т1льки цифрове табло, перемикач тдд1апазошв вим1рювання ДИАПАЗОН 1 ручка установки нуля УСТ 0.
саме, обер1гати радюметричну головку вщ удар1в; установлювати 11 в мюцях захищених в1д потоюв повиря, протяпв та випромшювання теплових дже-рел (рад1атор1в опалення, нагр1вних елемент1в, ламп розжарювання 1 т. п.). Для того щоб уникнути пору-шення теплового режиму роботи радюметра тд час проведення вим1рювань не торкатися радюметричноТ головки. Оператор тд час проведення вим1рювань повинен знаходитися поза межами поля зору РГ. При переустановщ РГ та налагоджуванш вим1рювань потр1бно працювати в подвшних бавовняних рукавичках. Щоб уникнути мехашчного пошкодження та забруднення вхщного вжна радюметричноТ головки (лшзи) головка в неробочому сташ повинна бути за-крита кришкою.
Довжина хвил1 8. мкм
3 4 5 6 Довжнна хвнл1 8. мкм б
Рис. 2. Спостереження факелу полум'я в атмосферi (а) та його спектр, який «спостер^аеться» ^зь атмосферу (б). Крива 1 (а) — спектр випромшювання полум'я (СО2 + твердi частинки при високш температур^; крива 2 — поглинання в смузi СО2 при низькш температурi
а
5. Методики проведення атестацп радiометра
5. 1. Методика вимiрювання спектрально! характеристики
Часто бував випдно використовувати вжно про-зорост атмосфери 3-5 мкм для виявлення сильно нагриих об'вкт1в, як випромшюють в цьому д1апазош. Наприклад, у випадку випромшювання смуги вугле-кислого газу, що в залишком практично вс1х продукт1в згорання. Спектральш характеристики полум'я в атмосфер! приведено на рис. 2, а, б [8].
Один 1з шлях1в покращення порогових властивос-тей опто-електронних систем - це обмеження спектрального д1апазону чутливост фотоприймача, вид1-ливши робочу його частину.
Осюльки в радюметр1 використовувться приймач на основ1 натвпроввдниковоТ термобатаре1, який чут-ливий в широкому спектральному д1апазош, то ро-бочий спектральний д1апазон чутливост радюметра (в данш розробщ) формувться спектральною характеристикою коефщ1внта пропускання св1тлоф1льтра, який вим1рювався на установщ для вим1рювання спек-тральних характеристик, структурна схема яко1 наведена на рис. 3.
Зауважимо, що приймач на основ1 натвпровщ-никово1 батаре1 потребув акуратного поводження з ним 1 тд час проведення вим1рювань та експлуата-цп необхщно було дотримуватися певних правил. А
Рис. 3. Структурна схема установки для вимфювання спектральних характеристик свiтлофiльтрiв та фотоприймачiв: 1 — джерело випромшювання (глобар);
2 — модулятор; 3 — спектральний комплекс КСВУ-6;
4 — досжджуваний св^лофтьтр; 5 — оптико-акустичний приймач ОАП-5; 6 — селективний
пщсилювач У2-8; 7 — блок живлення глобара (Б5-21);
8 — блоки живлення ОАП-5 (Б5-44 — 3 шт.)
Вщомо, що коефщ1внт пропускання св1тлоф1льтра визначавться як вщношення потоку випромшювання що пройшов ф1льтр до потоку, який на нього падав, або за стввщношенням фотосигнал1в на виход1 фотоприймача, як1 виникли при д11 цих потоюв. Тому вим1рювання спектрально! характеристики коефщ1вн-та пропускання св1тлоф1льтра проводилися наступ-ним чином.
Шсля тдготовки устаткування до роботи, що входить до складу установки та виходу джерела ви-промшювання (глобара) на робочий режим, проведено вим1рювання фотосигнал1в и^к в спектральному д1а-пазош в1д 2500 нм до 6500 нм.
Установивши перед приймачем 5 дослщжуваний ф^ьтр, проведено, не змшюючи чутливостi тдсилю-вача У2-8, вимiрювання фотосигналiв иХф в цьому ж спектральному дiапазонi - в дiапазонi вiд 2500 нм до 6500 нм.
Спектральна характеристика коефвдента пропу-скання свилоф^ьтра (Jx) визначалася за формулою:
и1ф
т. =
(1)
За даними вимiрювань Jx були визначеш довжини хвиль Х05 i Х05, на яких коефiцiенти пропускання свiтлофiльтра т^05(т,^05) = 0.5-т^тахта яю визначають якiсть спектрально' характеристики радюметрично! головки.
Результати вимiрювань спектрально! характеристики коефвдента пропускання свiтлофiльтра приведено на рис. 4
Результати вимiрювань основних параметрiв сви-лоф1льтра приведено в табл. 1
Рис. 4. Спектральна характеристика коефщieнта пропускання св^лофтьтра
Таблиця 1
Результати вимiрювань основних параметрiв свiтлофiльтра
Параметр Номшальне значения Допустиме вщхилення Фактичне значення
Tmax, % не менше 50.0 - 74.0
5, мкм 4.0 ±0.3 4.03
5, мкм 5.0 ±0.3 4.76
Д .0.5 , мкм 1.0 ±0.3 0.73
Нерiвномiрнiсть вершини спектрально! характеристики, % не бшьше 15.0 - 10.0
Аналогiчно було проведено вимiрювання спектрально! характеристики коефвдента пропускання вхiдного вiкна радюметрично! головки, яке виготовле-но iз фтористого кальцiю.
Результати вимiрювань спектрально! характеристики коефвдента пропускання вхщного вiкна радюметрично! головки приведено на рис. 5.
Довжина ХВ1Ш1 8, мкм
Рис. 5. Спектральна характеристика коефщieнта пропускання вхiдного
Спектральна чутливють термобатарейного фото-приймача в першому наближеннi е неселективною характеристикою, тим б^ьше вона е неселективною у вузькому спектральному дiапазонi (4-5 мкм). Таким чином, спектральна характеристика чутливост радюметрично! головки, з врахуванням спектральних характеристик пропускання вхщного вжна та свило-фiльтра, мае такий самий вигляд, як i ф^ьтр.
5. 2. Методики визначення основно! вщносно! по-хибки
Визначення меж допустимо! основно'! вiдносноi по-хибки вимiрювань (5Е).
Для визначення основно! вщносно! похибки вимiрювання енергетично! освиленост (5Е) необхвд-но визначити похибку юстування радюметра (8ю), нелiнiйнiсть енергетично! характеристики чутливост (53) i короткочасну нестаб^ьшсть чутливостi (5t).
Визначення похибки юстування радюметра (8ю) проводилося на установщ, яка збиралася на базi фото-метрично! лави ФСМ-4У. Структурну схему установки приведено на рис. 6.
Рис. 6. Структурна схема установки для вимiрювання основних параметрiв 1Ч радiометра: 1 — сферичне дзеркало; 2 — джерело 1Ч випромшювання; 3, 6 — екрани з комплекту ФСМ-4У; 4 — непрозорий теплоiзолюючий екран; 5 — штерференцшний фтьтр; 7 — еталонний фотоприймач ПП-2; 8 - резистор R=1 М0м±0.1 %; 9 — прицезшний перетворювач струм-напруга ППТН-02;
10 — вольтметр унiверсальний В7-28; 11 — РГ вимiрюваного радюметра; 12 — блок електронний вимiрюваного радюметра; 13 — амперметр М2015;
14 — блок живлення СНП-40
До вищезазначених вимог щодо правил тд час проведення вимiрювань, для забезпечення калiбрування 1Ч радюметра з малими похибками необхвдно щоб еталонний фотоприймач (ФП) був атестований по чут-
ливост до енергетично'Т освiтленостi з похибкою, яка не перевищувала б±3 %; оснащення для крiплення еталон-ного фотоприймача та радiометричноi головки приладу забезпечувало установку вхвдного вiкна вимiрюваноi РГ в площинi калiбрування енергетичноi освiтленостi; сферичне дзеркало з зовтштм алюмiнieвим покрит-тям мало свиловий дiаметр 100-110 мм та фокусну ввдстань 150-200 мм, а тшо джерела 1Ч випромшю-вання мало вигляд плоско'Т спiралi розмiрами 12x12 мм та виготовлене з нiхромовоi дротини 0=(0.7-0.8) мм виток до витка таким чином, щоб в напрямку випромь нювання тiло розжарювання мало вигляд суцiльного випромiнюючого елемента. Форма та розмiри джерела 1Ч випромiнювання зображено на рис. 7.
Рис. 7. Форма джерела 1Ч випромшювання
Для забезпечення достатнього рiвня потоку ви-промiнювання струм споживання джерелом шфра-червоного випромiнювання установлювався в межах 11-12 А, фактичне значення якого контролювалося амперметром М2015 та тдтри-мувалося на протязi вимiрю-вань з точшстю ±0.05 А.
Не менш важливим елементом установки е ш-терференцшний фiльтр, за допомогою якого видшяв-ся вужчий спектральний дiапазон нiж спектральна характеристика радюме-тричноi головки, тобто, створювалося монохрома-тичне випромшювання в дiапазонi чутливостi радiо-метра. Для цього викори-стовувався штерференцш-ний фiльтр з максимальним пропусканням на довжиш хвилi Хтах=4.2 мкм та тв-
нiсть промешв та рiвномiрнiсть свiтлового поля уста-новлювалися вiзуально.
Пiсля налагоджування оптичшл частини осви-лювача нерiвномiрнiсть енергетично'Т освiтленостi в площинi крiплення еталонного ФП (РГ дослщжува-ного радюметра) не перевищувала ± 10 % в свиловому дiаметрi 0св=25 мм.
Перед тим як використати еталонний ФП було проведено вiдбiр кращого з семи порожнинних фо-топриймачiв типу ПП-1 та ПП-2. Критерiем переваги була висока чутливють та найменше и вiдхилення вiд середнього значення результапв вимiрювання енерге-тично'Т освiтленостi.
Паспортш данi порожнинних фотоприймачiв та результати вимiрювань приведенi в табл. 2, 3
Проаналiзувавши результати дослiджень, приве-дених в табл. 3, в якоси еталонного ФП вибрано приймач ПП-2 № 44, який мае високу чутливкть ^к= =41.09 мкВ/Вт) та найменше вщхилення отриманого значення освиленосп вiд середнього (*=+0.5 %).
Еталонний ФП установлювався на вщсташ 1.5 м вщ дзеркала (1). Перемщуючи ФП вiдносно напрямку випромшювання, було установлено його фоточутливий елемент на оптичнш вга джерела випромшювання. В цьому положенш було зафжсовано еталонний ФП та проведено наступш вимiрювання.
Для зменшення похибки вимiрювань чутливiсть перетворювача ППТН-02 вибиралася такою, при якш фотосигнал мав не менше трьох значущих цифр на цифровому табло вольтметра В7-28. Ця умова ви-конувалася при встановленш перемикача пiддiапа-зонiв вимiрювання на дiапазон чутливост радiометра 0-2 Вт/м2.
Таблиця 2
Паспортш дат основних параметрiв порожнинних фотоприймачiв
Тип прий-мача Завод-ський номер Ик випуску Дата атестацй Чутли-вють 8к, мкВ Вт м2 Положення д1афрагми, мм Температурна залежнють чутливосй
ПП-1М 01 - 19.11.03 13.2 8.0 St=Sк(1-0.003(t-21))
7 1988 30.11.07 5.93
ПП-1 28 1985 30.11.07 4.60 19±1 St=Sк(1-0.4(T-293)10-2)
67 1984 30.11.07 6.38
24 1986 10.86 42.2
ПП-2 35 1987 30.11.07 39.9 18±1 St=Sк(1-1.1(T-293)10-2)
44 1987 30.11.07 40.6
шириною Д^о.б=0.2 мкм;
Шсля пiдготовки джерела оптичного випромi-нювання до роботи, установки робочого струму та про^вання його на протязi 15 хв., джерело ви-промiнювання перемщувалося вздовж оптично'Т вiсi вiдносно дзеркала до положення, при якому було створено квазшаралельний пучок промешв. Перемь щуючи систему сферичне дзеркало 1 та джерело 1Ч випромiнювання 2 ввдносно екранiв 3 i 6, добивалися рiвномiрностi свiтлового поля в площиш розмiщення фоточутливого елемента еталонного ФП. Паралель-
Пiсля установки фшьтра 5 перекривався потiк випромшювання непрозорим теплоiзолюючим екраном 4 i витримувався еталонний ФП в затемненому станi не менше 10 хв. За допомогою ручки ППТН-02 УСТ 0 установлювали нуль з точшстю до ±1 одинищ мо-лодшого розряду. Якщо iз-за впливу фонових засвиок навколишнього середовища не вдавалося установити нуль, фiксувалися покази В7-28 ит.
На вхiд еталонного ФП подавався потж випромь нювання та, тсля установлення показiв вольтметра,
проводилися вимфювання величини загального сигналу ЦзагЬ
Енергетична осв1тлешсть (Ее1) визначалася за формулою
Ее1 =
и , - и
заг1_т
1з-за нер1вном1рност1 вершини спектрально! характеристики чутливост (рис. 4) енергетична освгг-лешсть, яку мае показувати радюметр при кал1бруван-т з врахуванням спектрально! чутливост1 на довжин1 хвил1 кал1брування, Ее к визначалася за формулою
(2)
К,
Е = Е х
ек еср к
(4)
де Ее1 - енергетична освилешсть, Вт/м2; изаг1 та ит -в1дпов1дно загальний та темновий сигнали з еталон-ного ФП, В; Sv - чутлив1сть еталонного ФП з врахуванням температури навколишнього середовища п1д
В ■ м2
час вим1рювань,
Вт
де К8 - значення спектрально! чутливост1 на довжин1 хвил1 кал1брування, в1дн. од.; Кср - середне значення спектрально! чутливост1, в1дн. од.
Значення Кср визначалася по спектральнш харак-теристиц1.
Таблиця 3
Результати вимiрювань параметрiв порожнинних фотоприймачiв
Тип прийма-ча Заводсь-кий номер Фотосигнал, ис, мкВ Чутливють 8к, мкВ/Вт-з врахуванням температури (17 °С) Енергетична осв1тлешсть, визначена по В7-28, Вт/м2 АЕ=Е-ЕСр АР 8_ — ■100% Еср
В7-28 ППТ-Н2+В7-28
ПП-1М 01 3075 3035 13.36 229.2 +4.9 +2.2
ПП-1 7 1350 1355 6.125 220.4 -3.9 -1.74
28 1075 1068 4.75 226.3 +2.0 +0.89
67 1448 1453 6.59 219.7 -4.6 -2.05
ПП-2 24 9755 9675 42.7 228.45 +4.15 + 1.85
35 8905 8800 40.4 220.4 -3.9 -1.74
44 9265 9230 41.09 225.5 + 1.2 +0.5
Середне значення енергетично! осв1тленост1 Еср, Вт/м2 224.3 ±2 %
Заметь еталонного ФП установлювалася рад1ометрична головка вим1рюваного радю-метра та, не змшюючи режиму роботи джерела випром1нювання, проводилися вим1рювання енергетично! осв1тле-ност1 Ее та визначалася за формулою 5 величина ввдхилення (5ю) вим1ря-но! енергетично! осви-леност1 за допомогою рад1ометра (Ее) в1д осв1тленост1 вим1ряно! за допомогою еталонно-го ФП (Ееср)
Е - Е
д = еср е
100 % .(5)
Осюльки розм1ри еталонного ФП в чотири рази менш1 за розм1ри вх1дного в1кна рад1ометрично! головки, то для визначення середнього значення енергетич-но! осв1тленост1 в площин1 кал1брування еталонний ФП перем1щувався в1дносно попереднього положення влгво-вправо та вниз-вверх на 6-7 мм, проводилися ще чотири вим1рювання енергетично! осв1тленост1 та визначалася за формулою 3 величина осв1тленост1 (Ееср), яку створюе джерело випромшювання, як се-редньоарифметичне значення п'яти вим1рювань
Результати вим1рювань приведено в табл. 5
Таблиця 5
Результати калiбрування 1Ч радiометра
Е
Е = е1
еср
(3)
Результати вим1рювань енергетично! осв1тленост1 приведено в табл. 4.
Таблиця 4
Результати вимiрювань енергетично! освiтленостi
Енергетична осв1тлешсть, Вт/м2 АЕ Ееср Е, -^ешах' Вт/м2 АЕ 8 е _—100, % Ееср
Ее1 Ее2 Ее3 Ее4 Ее5 Ееср
2.23 2.24 2.20 2.23 2.21 2.22 0.02 ~ 1
№ п/п иеталон, мкВ иср Е _ еталон еср о Покази ра-дюметра, Ее, Вт/м2 АЕ= =Ее-Ееср АЕ 8ю _ — 100% Ееср
1 5733 2.326 Вт/м2 2.36 +0.03 ±1.8
2 5726 2.33 ~0
3 5722 2.35 +0.02
4 5724 2.32 -0.01
5 5720 2.33 ~0
6 5722 2.31 -0.02
7 5724 2.35 +0.02
8 5722 2.37 +0.04
9 5724 2.34 +0.01
10 5730 2.30 -0.03
Нер1вном1рн1сть осв1тленост1 *е не перевищуе 1 %, що е досить непоганою умовою для подальших вим1рю-вань.
Величина 5ю е похибкою юстування 1, за умовою техшчного завдання, не повинна перевищувати ±2 %.
Зазначимо, що на результат вим1рювання енергетично! осв1тленост1 впливае пропускання атмосфери, спектральна характеристика коефщ1ента пропускання яко! приведено на рис. 8 [5].
ср
э2
е5
5
. Спектральна характеристика пропускання атмосфери при довжин траси
Э=1.852 км
Як бачимо, у вибраному спектральному дiапазонi 4,5 мкм е сильно-поглинаюча смуга з максимумом на довжиш хвилi 4.3 мкм. Хоча вiдстань мiж джерелом випромiнювання та радiометричною головкою тд час проведення калiбрування радюметра не перевищува-ла 2 м, проте, в меншш мiрi шж це показано на рис. 8, вплив смуги поглинання все ж таки е. Щоб цей вплив менше позначався на результатах вимiрювань, кори-стувачу необхiдно буде збер^ати геометрiю мiж радю-метричною головкою та джерелом випромшювання.
Вимiрювання нелшшност енергетичноТ характеристики чутливостi (53) i визначення дiапазону ви-мiрювань енергетичноТ освiтленостi проводилися на установщ, структурна схема якоТ приведена на рис. 9.
Шсля пiдготовки устаткуван-ня до роботи установлювалася головка радюметрична в посадочне мюце стенду, а перемикач дiапа-зошв чутливостi радiометра - в положення 0-2.
При вщкритому одного з ка-налiв випромiнювання встанов-лювався потiк, при якому покази радюметра становили 30-40 % вщ величини верхньоТ межi дiа-пазону чутливост i проводилися вимiрювання енергетичноТ осви-леностi Е^
Аналогiчно вимiрявся сигнал Е2, перекривши випромiнювання даного каналу i вiдкривши другий канал випромшю-вання.
Вiдкривалися обидва канали випромiнювання i вимiрявся сигнал Е3.
Нелiнiйнiсть чутливост (53) визначалася за формулою:
8 =
Е 1 + Е 2
■х 100%.
(6)
2
1 3 4
Подальшi вимiрювання проводилися наступним чином. Встановлювався в кожному каналi потiк, при якому покази радюметра були рiвнi Е3±10 % i по черзi вшшрювалися щ сигнали.
Результати вшшрювань не.гишйностТ енергетичноТ характеристики чутливост1 приведено в табл. 6.
1.0
ч
Рис. 9. Структурна сема установки для вимфювання нелiнiйностi енергетичноТ характеристики чутливосп:
1 — блок живлення Б5-21; 2 —осв^лювач ИДНМ4.004.00.00; 3 - головка радюметрична (РГ);
4 — електронний блок радюметра
В данш методищ використовуеться метод додат-кового свила, який забезпечуе високу якють та малу похибку вимiрювань нелшшност енергетичноТ характеристики чутливостi [9, 10].
В освiтлювачi 2 в якост джерел випромiнюван-ня використовуються лампи розжарювання типу КГМ24-150 з температурою ила розжарювання Т=2856 К. Це, так зваш, джерела типу А, спектра-льний розподiл випромшювання яких визначаеться законом Планка. Проте, складовою конструкцп ламп е скляна колба, спектральна характеристика пропу-скання якоТ змiнюе розподiл випромiнювання АЧТ.
На рис. 10 приведено спектральну характеристику пропускання колби лампи розжарювання (1) i спек-тральш розподiли випромшювання АЧТ (2) та лампи розжарювання (3) при температурi 2856 К.
Як бачимо, випромшювання такого освгглювача лежить поза межами чутливосп радюметричноТ головки. Тому при вимiрюваннях фшьтр з радюметричноТ головки було знято.
О Я
с 2
И
О о
С о.
а
ее
0.38
1 ( ^^
2
3 \
1.05
Довжина хеил!
2.5
, мкм
Рис. 10. Спектральна характеристика пропускання скла колби лампи (1) та спектральн характеристики випромшювання АЧТ (2) та лампи розжарювання (3) з температурою 2856 К
Таблиця 6
Результати вимiрювань нелшшносл енергетичноТ характеристики чутливосп
Покази 1Ч радюметра
0-2 Вт/м2 0-20 Вт/м2
Ее1 Вт/м2 0.100 0.410 1.17 3.83 5.10
Ее2 Вт/м2 0.342 1.037 3.23 11.57 14.83
Ее1 + Ее2 0.442 1.447 4.40 15.40 19.93
Ее3 0.444 1.451 4.42 15.52 19.82
(Ее1 + Ее2)-Ее3 0.002 0.004 0.02 0.12 0.11
5s, % 0.5 0.4 0.5 0.8 0.6
При нелшшност енергетично! характеристики чутливост1, що не перевищуе 0.8 % (при вимоз1 5з<1.0 %) д1апазон вим1рювання енергетично! освиле-ност1 знаходиться в межах в1д 0 до 20 Вт/м2.
Вим1рювання нестаб1льност1 чутливост1 (5t) прово-дилися на установщ, структурна схема яко! наведена на рис. 9.
Нестаб1льшсть чутливост1 визначалася за п'ятьма вим1рюваннями, рееструючи покази радюметра через 1нтервали часу (1-1,5 хв.).
Нестаб1льн1сть чутливост1 (5t) у вщсотках визначалася за формулою:
Е — Е
дt _ —шах-^ х 100%, (7)
Еср
де Еср - середне арифметичне значення п'яти вим1рю-вань рад1ометра; Ешах - покази рад1ометра, максимально вщмшш в1д Еср.
Результати вим1рювань нестаб1льност1 чутливост1 (5t) приведено в табл. 7.
Таблиця 7
Результати вимiрювань нестабтьносп чутливостi
Еэ, мВт/м2 Еср, мВт/м2 АЕэ 8ь %
0 1 хв. 2 хв. 3 хв. 4 хв. 5 хв.
2.33 2.35 2.33 2.30 2.36 2.36 2.34 0.04 1.7
З врахуванням складових похибок основна вщнос-на похибка вим1рювань енергетично! осв1тленост1 5Е (у в1дсотках ) визначалася за формулою
8ю = ±,1 ^82 + 82 + 82 +82
(8)
де 53 - нел1н1йн1сть енергетично! характеристики, %;
- нестаб1льн1сть чутливост1, %; 5ю - похибка юсту-вання, %; 5ус - похибка еталонного ФП (зпдно з його паспортом), %.
I не виходить за меж1 ±5.1 % при вимоз1 6.0 %.
6. Висновки
1. В результат! розробки 1Ч радюметра створено вим1рювальну установку, до складу яко! входить високостаб1лне джерело 1Ч випромшювання, - не-стабшьшсть не перевищуе ±0.5 %, яке забезпечуе до-статш р1вш енергетично! освиленост! для проведення вим1рювань параметр1в 1Ч радюметр1в.
2. В якост! контрольних фотоприймач1в дослщ-жено деюлька титв порожнинних приймач1в типу ПП-1, -2 та ввдбрано один ¿з них (ПП-2) для подальшо-го використання при вим1рюваннях.
3. Для 1Ч радюметра пвдбрано фшьтр з робочим спектральним д1апазоном вщ 4 до 5 мкм - д1апазо-ном, в якому випромшюе полум'я продукпв згорання. Проведено дослвдження форми спектрально! характеристики та приведено формулу, за якою враховуеться форма спектрально! характеристики чутливость
4. Дослщження техшчних параметр1в та метро-лопчних характеристик 1Ч радюметра тдтвердили придатшсть 1Ч радюметра для використання його в якост! робочого еталонного засобу вим1рювань при випробуваннях сповщувач!в полум'я, що покращить якють ! надшшсть сповщувач!в.
5. В результат! дослщжень визначено основну ввд-носну похибку виконання вим1рювань, яка не виходить за меж! вимог - похибка менша ±6 %.
Лиература
1. Официальный сайт ОАО "ТЕНЗОР" [Електронний ресурс] / Режим доступа: http://www.tenzor.net/
2. Измеритель средней мощности и энергии лазерного излучения ИМО-2Н [Текст] / Паспорт, Волгоград, 1986.
3. ОАО Научно-производственное предприятие «Эталон» [Електронний ресурс] / Режим доступа: www.omsketalon.ru/
4. ТОО «Фирма Геосистема» [Електронний ресурс] / Режим доступа: www.geosystem.kz
5. Криксунов, Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники [Текст] / Л. З. Криксунов. - М.: Сов. радио, 1978. - 400 с.
6. Васильченко, Н. В. Измерение параметров приемников оптического излучения [Текст] / Н. В. Васильченко, В. А. Борисов и др. - М.: Радио и связь, 1983. - 88 с.
7. Гуревич, М. М. Фотометрия. Теория, методы и приборы [Текст] / М. М. Гуревич. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 272 с.
8. Госсорг, Ж. Инфракрасная термография, Основы, техника, применение [Текст] / Ж. Госсорг. - М.: «Мир», 1988. - 64 с.
9. Бутенко, В. К. Установка для вим1рювання динам1чного д1апазону фотоприймач1в [Текст] / В. К. Бутенко, В. М. Годованюк, I. В. Докторович, В. Г. Юр'ев // Науковий вюник Чершвецького ушверситету. - 2001. - Вип. 112. - С. 67-70.
10. Докторович, И. В. Методика определения динамического диапазона полупроводниковых фотоприёмников [Текст] / И. В. Докторович, В. К. Бутенко, В. Н. Годованюк, В. Г. Юрьев // ТКЭА. - 2002. - № 6. - С. 14-15.
