Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы измерения УФ- излучения 13
1.1. Понятие биологического действия излучения в различных диапазонах ультрафиолетового спектра 15
1.2. Анализ методов измерения и регистрации эффективных величин, характеризующих УФ-излучение 19
1.3. Современные измерители УФ-облученности различного назначения 23
1.3.1. УФ измерители, регистрирующие излучение в области ультрафиолета с выделением по условным границам 26
1.3.2. УФ измерители с относительной спектральной чувствительностью близкой по форме к относительным эф фективн остям бактерицидного, эритемного и загарного действия излучения 34
1.3.3. УФ измерители с использованием селективного светофильтрового выделения УФ областей по максимумам относительных эффективностей бактерицидного, эритемного и загарного действия излучения 39
1.3.4. Измерители УФ-облученности, принцип работы которых основан на комбинированных измерениях 40
1.4. Постановка целей и задач исследования 46
Глава 2. Разработка и исследование принципов построения автоматизированного измерителя и способа оперативной регистрации УФ-облученности в биологически активных областях 47
2.1. Принципы построения автоматизированного измерителя и дифференциальный метод выделения и оперативной регистрации УФ-облученности в трех биологически активных областях 48
2.2. Приближение относительной спектральной чувствительности УФ измерителя к относительным эффективностям бактерицидного, эритемного и загарного действия излучения 55
2.2.1. Исследование и оптимизация выбора приемников оптического излучения 55
2.2.2. Оптимизация выбора оптических фильтров и расчет оптических потерь 60
2.2.3. Спектральная чувствительность измерителя УФ-облученности 65
2.3. Разработка способа коррекции относительной спектральной чувствительности измерителя УФ-облученности к известным относительным эффективностям биологического действия излучения и методики расчета и оценка для основных типов УФ-излучателей интегральных поправочных множителей 68
2.3.1. Классификация источников УФ-излучения 68
2.3.2. Плазменные источники УФ-излучения 69
2.3.3. Ртутные лампы высокой интенсивности, газоразрядные лампы, маломощные лампы 76
2.3.4. Методика расчетов и анализ полученных данных 88
2.3.5. Способ коррекции и расчет для основных типов УФ-излучателей интегральных поправочных множителей 93
2.4. Разработка методики измерения УФ-облученности для уменьшения влияния ИК-составляющей 102
2.5. Рекомендации об использовании расчетных коэффициентов и интегральных поправочных множителей для разработки автоматизированного УФ измерителя 109
Глава 3. Разработка автоматизированного измерителя УФ- облученности в биологически активных областях 114
3.1. Структурная схема измерителя и ее особенности 114
3.2. Оптический блок измерителя УФ-облученности 116
3.3. Блок обработки измерителя 118
3.4. Алгоритм программы управления электронной схемой, обработки и передачи данных 122
3.5. Энергетический расчет оптико-электронного блока измерителя, оценка погрешности электронного блока 127
3.6. Сравнительный анализ разработанного УФ измерителя с аналогами 131 Выводы 135
Глава 4. Исследования основных характеристик измерителя УФ-облученности и результаты экспериментальных испытаний 137
4.1. Исследование энергетической характеристики 138
4.2. Калибровка измерителя УФ-облученности 145
4.3. Испытания измерителя УФ-облученности для экспресс оценки изменения прямой солнечной радиации 160
Выводы 172
Заключение 173
Список литературы 179
- Анализ методов измерения и регистрации эффективных величин, характеризующих УФ-излучение
- Приближение относительной спектральной чувствительности УФ измерителя к относительным эффективностям бактерицидного, эритемного и загарного действия излучения
- Оптический блок измерителя УФ-облученности
- Калибровка измерителя УФ-облученности
Введение к работе
Актуальность исследований
Ультрафиолетовая область (УФ) спектра, в частности область 200..400 нм, одна из недостаточно изученных областей оптического диапазона длин волн. Это связано с тем, что в этой области спектральная яркость обычных источников излучения невелика и резко снижается с уменьшением длины волны, а выбор приемников для регистрации излучения ограничен. Между тем, в УФ области находятся максимумы полос оптического поглощения большинства органических веществ и компонентов живых организмов. В связи с этим, под воздействием УФ-излучения во многих биологических и растительных средах происходят обратимые и необратимые, в том числе, губительные, изменения. В настоящее время по биологическому воздействию принято выделять в пределах длин волн 200...400 нм три области: область . «А» (400 - 315 нм) - область загарного (Direct pigmentation) воздействия, область «В» (315 - 280 нм) - область эритемного (Erithema) воздействия и область «С» (280 — 200 нм) - область бактерицидного (Killing of bacteria) воздействия. Даже в пределах одной области эффективность воздействия излучения разных длин волн на живые организмы различна. Поэтому, основываясь на многочисленных наблюдениях, в пределах каждой области была определена форма спектральных контуров относительной эффективности. Допустимые и предельные нормы УФ-облученности, с
учетом кривых относительной спектральной эффективности, установлены
всемирной организацией здравоохранения для отдельных групп биообъектов. При этом особо обращается внимание на лечебный, поражающий или тонизирующий эффект УФ воздействия, на который оказывает влияние как раздельное облучение в отдельных УФ областях, так и их комбинированное воздействие. Вследствие этого возникает необходимость разработки с одной стороны метода одновременного и оперативного измерения УФ-излучения в и различных областях спектра, а с другой, измерителя, имеющего спектральную чувствительность, которая по форме совпадала бы со спектральной зависимостью известных относительных эффективностей загарного, эритемного и бактерицидного действия УФ-излучения.
Для регистрации УФ-излучения в настоящее время используются различные типы приемников. Для выделения УФ области, либо отдельного спектрального участка, приемники снабжаются набором фильтров. Измерения в областях «А», «В» и «С» производят либо применением нескольких приборов, либо последовательной перестройкой фильтров, что требует больших временных затрат и, поскольку форма кривых пропускания фильтров лишь отдаленно напоминает кривые относительной биологической эффективности, полученные данные требуют уточнений и дополнительных проверок.
В последние годы наблюдается резкое возрастание интереса к оперативной и достоверной регистрации УФ-излучения, что связано как с антропогенным воздействием человека на окружающую среду (например, изменения в озоновом слое Земли), так и с все более широким использованием известных и вновь создаваемых УФ источников в медицине, биологии, промышленности и сельском хозяйстве. Поэтому проблема оперативной регистрации УФ-излучения, причем с учетом относительной спектральной эффективности загарного, эритемного и бактерицидного действия УФ-излучения, является чрезвычайно важной и актуальной. Решение этой проблемы позволит уточнить ожидаемое воздействие УФ-излучения на биологические объекты, разработать безопасные нормы и требования к спектральной интенсивности новых типов УФ-излучателей, более глубоко изучить механизмы взаимодействия УФ-излучения с различными материалами и средами.
Одним из способов решения данной проблемы является разработка автоматизированных трехдиапазонных измерительных приборов, использующих современную элементную базу с программной обработкой большого объема информации. Цель настоящей работы
Разработка и исследование методов выделения и регистрации УФ-облученности в трех биологически активных областях.
Основные задачи исследования
- определение принципа построения автоматизированного измерителя и способа регистрации УФ-облученности в трех биологически активных областях;
- разработка дифференциального метода оперативной регистрации УФ-облученности и оценка влияния ИК-с о ставляю щей на результаты измерений;
- разработка способа коррекции относительной спектральной чувствительности прибора к известным относительным эффективностям загарного, эритемного и бактерицидного действия УФ-излучения и методики расчета для основных типов УФ-излучателей интегральных поправочных множителей;
- разработка автоматизированного измерителя УФ-облученности, позволяющего обеспечить достоверную и оперативную регистрацию излучения в трех биологически активных областях;
- проведение экспериментальных исследований, оценивающих справедливость выдвинутых в работе научных положений.
Методы исследований Для решения поставленных задач использовались методы измерения и способы регистрации УФ-облученности, методы оптимизации выбора оптических светофильтров, аналитические методы аппроксимаций функций, методы оптимизации параметров интегральных оптико-электронных приборов, методы математической обработки экспериментальных данных и математической статистики. Научная новизна работы
- Разработан принцип построения автоматизированного измерителя УФ-излучения, основанный на дифференциальном методе выделения и регистрации облученности в трех биологически активных областях;
- Разработан способ коррекции относительной спектральной чувствительности измерителя к известным относительным эффективностям биологического действия излучения и методика расчета для отдельных типов УФ-излучателей интегральных поправочных множителей;
- Разработана методика измерений УФ-облученности для уменьшения погрешности, обусловленной спектральной чувствительностью фотоприемника в инфракрасном диапазоне длин волн;
- Разработан автоматизированный измеритель УФ-облученности, позволяющий обеспечить достоверную и оперативную регистрацию излучения в трех биологически активных областях;
- Проведены экспериментальные исследования, подтвердившие возможность использования разработанного автоматизированного УФ-измерителя для оперативных и достоверных измерений УФ-облученности.
Практическая значимость работы
Разработанные принцип построения автоматизированного измерителя УФ-излучения, основанный на дифференциальном методе оперативной регистрации УФ-облученности в трех биологически активных областях, способ коррекции спектральной чувствительности и методика расчета интегральных поправочных множителей позволяют проводить достоверные и оперативные измерения загарной, эритемной, бактерицидной УФ-облученности, создаваемой естественным и искусственными источниками, которые широко используются в экологии, медицине, промышленности, науке и в различных службах охраны труда. Результаты работы подтверждены актом внедрения лаборатории контроля озонного слоя атмосферы (КОСА) Филиала ГГО им. А.И. Воейкова НИЦДЗА.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Построение автоматизированного измерителя УФ-излучения должно основываться на дифференциальном методе выделения и регистрации УФ-облученности в трех биологически активных областях, что позволяет увеличить оперативность и уменьшить погрешность измерений, обусловленную спектральной чувствительностью фотоприемника в инфракрасном диапазоне длин волн;
2. Способ коррекции относительной спектральной чувствительности измерителя к известным относительным эффективностям загарного, эритемного и бактерицидного действия УФ-излучения и методика расчета интегральных поправочных множителей для основных типов УФ-излучателей позволяют снизить, обусловленную нескорректированностью, дополнительную погрешность измерений УФ-облученности в интегральной УФ области и УФ-А, УФ-В областях до ±1 % и в области УФ-С -до ±5 %.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Пятой Санкт-Петербургской международной конференции "Региональная информатика- 2000" (Санкт-Петербург, 2000 г.), на Международной конференции "Оптика —2001" (Санкт-Петербург, 2001 г.), на Всероссийской конференции "Бытовые машины и приборы: подготовка кадров, производство, сервис" (Санкт-Петербург, 2002 г.), на Седьмой Санкт-Петербургской ассамблее молодых учёных и специалистов (Санкт-Петербург, 2002 г.), на Второй всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» (Санкт-Петербург, 2004 г.), на Девятой Санкт-Петербургской международной конференции "Региональная информатика - 2004" (Санкт-Петербург, 2004 г.), на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава ГЭТУ (Санкт-Петербург, 1999-2005 гг.), на встречах с ведущими специалистами ООО "НТП "ТКА" и в лаборатории контроля озонного слоя атмосферы (КОСА) Филиала ГГО им. А.И. Воейкова НИЦ ДЗА.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе - 2 статьи и тезисы к 6 докладам на международных и российских конференциях, одно свидетельство на полезную модель, одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 109 наименований. Основная часть работы изложена на 143 страницах машинописного текста. Работа содержит 46 рисунков и 10 таблиц.
Анализ методов измерения и регистрации эффективных величин, характеризующих УФ-излучение
В последнее время значительно возрос интерес к различным исследованиям биологического воздействия ультрафиолетового УФ-излучения на животный и растительный мир. Так, в частности, при облучении человека ультрафиолетом малые дозы не оказывают существенного лечебного эффекта, а передозировка может вызвать серьезные нарушения здоровья вплоть до различных кожных и раковых заболеваний. Этим и многими другими факторами определяется необходимость использования специальных приборов контроля излучения от естественных и искусственных источников. Потребность использования таких приборов измерения в медицине, промышленности, науке и в различных службах охраны труда с развитием современной техники все более возрастает. Однако, многие ультрафиолетовые измерители не могут быть использованы в качестве универсальных приборов при проведении современных технических измерений оптического излучения ввиду ограниченности решения поставленной задачи.
В основу классификации УФ-измерительных приборов положены величины, которые они измеряют. Поэтому приборы делятся на измерители облученности или дозы УФ-излучения. В свою очередь эти приборы предназначены для измерения энергетических и эффективных величин. На рис. 1.2 представлена классификация УФ-измерительных приборов.
Более подробно рассмотрим принципы измерения УФ-излучения, которые используются в классифицированных на рис 1.2 приборах.
Как показал анализ литературных источников [5-69] многие современные измерители узко направлены в области исследования УФ-излучения, то есть они работают либо в широком интервале ультрафиолетового спектра (200 - 400 нм) либо в областях УФ-А, УФ-В, УФ-С, то есть в одной, двух или реже в трех областях ультрафиолетового диапазона. Спектральное выделение областей УФ-А и УФ-В, близкое соответственно к загарной и эритемной кривой, достигается путем согласования спектральной чувствительности приемника и набором соответствующих оптических стеклянных светофильтров [5,6]. Средства
дозиметрии потоков в УФ-С области далеки от совершенства, выделение биологического диапазона происходит либо термолюминесцентным методом [7], либо при использовании интерференционных светофильтров [8,9]. Выделенная такими методами область спектра в лучшем случае совпадает по ширине, а не по форме с эффективной бактерицидной кривой.
Резюмируя сказанное можно разделить измерители УФ-излучения по методам выделения и регистрации энергетических величин:1. Приборы (прямого измерения УФ-излучения), измеряющие и регистрирующие излучение, в которых использованы различные способы выделения УФ диапазона с помощью оптических светофильтров и приемников оптического излучения, чувствительных к исследуемому диапазону длин волн;2. Фотолюминесцентные (флуоресцентные и фосфоресцентные) приборы (косвенного измерения УФ-излучения), работающие по принципу возбуждения люминесценции под воздействием УФ-излучения на люминофор и преобразования падающего излучения в возникающее видимое излучение с дальнейшим его фиксированием и регистрацией с учетом обратных коэффициентов пересчета видимого в УФ-излучение; 3. Спектральные приборы, для которых характерным является выделение (с помощью оптических призм или дифракционных решеток) из спектра сложного излучения узкого его участка, т.е. излучения близкого к монохроматическому.
На основании изложенного в разделе 1.1 идеальным прибором можно считать прибор, имеющий спектральную чувствительность, которая совпадает по форме с ходом зависимости относительных эффективностей загарного, эритемного, бактерицидного действия УФ-излучения от длины волны. В этом случае измеренное значение будет непосредственно характеризовать ожидаемое воздействие излучения на биологические объекты для любого искусственного или естественного источника УФ-излучения.
Сформулированному требованию удовлетворяют спектральные приборы, в частности [1-3], которые позволяют наиболее точно воспроизводить не только рассматриваемые относительные кривые биологического действия УФ-излучения (рис. 1.1.), но и любые другие биологические кривые. Однако они не могут быть использованы для определения такой не менее важной интегральной величины, как доза излучения. Ввиду сложности или не оперативности проведения измерений указанные приборы не могут быть использованы для измерения биологической облученности объектов, создаваемой нестабильными источниками излучения.
Рассмотрим УФ измерительные приборы, в основе работы которых лежит принцип возбуждения люминесценции под воздействием УФ-излучения [21-22].Анализ современных источников литературы показал, что существующие измерительные приборы данного типа можно разделить на три категории: измерители интенсивности [4, 8-18, 27, 61], измерители дозы [5, 7, 19-20, 34, 38, 55], измерители интенсивности и дозы ультрафиолетового излучения [6, 38]. В свою очередь они подразделяются на приборы, измеряющие УФ-излучение интегрально в широком интервале ультрафиолетового спектра (200 - 400 им) [8-10, 12-20], либо в областях УФ-А [11], УФ-В [4] и УФ-С [5]. Известны приборы, которые измеряют непосредственно энергетические величины излучения на одной длине волны, где максимальна возможность воздействия изучения на биологические объекты [7, 34, 38]. Между тем, некоторые приборы имеют форму спектральной чувствительности, повторяющую одну из спектральных относительных кривых биологического действия излучения [4-6, 55, 61], в то время как другие предназначены для измерений УФ-излучения без учета известных биологических кривых действия излучения (выделение УФ-А, УФ-В, УФ-С областей по условным границам длин волн) [8-20].Фотолюминесцентные приборы, зависимость спектральнойчувствительности которых идентична или почти идентична форме относительных кривых биологического действия излучения, позволяют определять ожидаемое воздействие на биологический объект УФ-излучения. Измерители, регистрирующие энергетические величины излучения на одной длине волны, и измерители, предназначенные для измерений по условным границам спектрального диапазона, не могут быть использованы для достоверной оценки действия излучения на биологические объекты, вследствие их довольно грубой оценки облученности или дозы УФ-излучения. Тем не мене они также находят свое применение в различных технических областях.
Необходимо отметить, что рассмотренные фотолюминесцентные приборы [4-38, 55, 61], вследствие различных причин (старение или выцветание люминесцентных материалов, больших потерь оптического излучения в результате преобразования ультрафиолетового в видимое излучение и фильтрации как УФ-, так и видимой составляющих), требуют постоянного контроля при их использовании и условиях хранения. При несоблюдении правил пользования приборами нельзя говорить о достоверности проводимых измерений. Ввиду того, что в приборах данного класса необходимо регистрировать малый квантовый выход флюоресценции (мизерную долю падающего излучения), велика вероятность высокой погрешности измерений, даже при использовании высокочувствительных приемников излучения (например, ФЭУ или фотодиоды с высокой чувствительностью). Поэтому разработка универсального, надежного и высокоточного прибора для измерений УФ-излучения в биологических областях спектра на принципе флуоресценции затруднена.
Приближение относительной спектральной чувствительности УФ измерителя к относительным эффективностям бактерицидного, эритемного и загарного действия излучения
В целях контроля воздействия излучения на биологические объекты целесообразно интегрально измерять УФ-излучение. Исследование показало, что для измерений в УФ-области рекомендуют использовать неселективные приемники оптического излучения, например, такие как болометры типа БМК-5 [107]. Однако вследствие разного спектрального состава измеряемого излучения, равным показаниям неселективных приборов соответствует различное биологическое действие (см. рис. 1.1). С метрологической точки зрения, наиболее подходящими приемниками для регистрации биоэффективных величин являются селективные вакуумные фотоэлементы типа Ф-34 и Ф-17 [107]. Естественно, конечно, что подобные измерения могут проводиться и с другими приемниками оптического излучения с корригирующими фильтрами. Поэтому, вследствие низкой спектральной чувствительности фотоэлементов (мА/Вт), низкого быстродействия и габаритных размеров, целесообразно выбрать для поставленной задачи быстродействующий с высокой чувствительностью, легко доступный и портативный приемник оптического излучения.
Анализ спектральных характеристик современных приемников оптического излучения (ПОИ) показал, что наиболее перспективными для использования в приборах являются фотодиоды (ФД). Большинство фотоприемников, обладающих спектральной чувствительностью в коротковолновой области, чувствительны к инфракрасному излучению [69]. представлены спектральные кривые чувствительности современных приемников оптического излучения изготовленных на основе полупроводниковых материалов. При работе в ультрафиолетовой области, в частности, используют вакуумный "Vacuum Photodiode" 1 и вакуумный с высоким коэффициентом усиления "High Gain Vacuum Photodiode" 2 фотодиоды которые нечувствительны к видимому и ИК- излучению. Другие типы приемников оптического излучения такие как термоэлемент "Multi-junction Thermopile" 3, фотодиоды на основе полупроводниковых соединений "InGaAs" 4 и "GaAsP" 5, кремниевый "Silicon" 6 и кремниевый с высоким коэффициентом усиления "High Gain Silicon" 7 фотодиоды, ФЭУ "S-20 Photomultiplier" 8 помимо ультрафиолета чувствительны к видимому и ИК-излучению [84].
Немаловажными характеристиками ПОИ является их линейность зависимости параметра выходного сигнала от интенсивности падающего излучения. Устойчивость в хранении и срок службы обеспечивает долговременность использования ПОИ, Некоторые типы детекторов должны быть охлаждены или работают на модулированном потоке излучения, чтобы зависимость их чувствительности от длины волны не варьировалась. Для других типов приемников требуется высокие напряжения включения для увеличения абсолютной чувствительности приемной площадки. Кроме того, некоторые подвержены изменению спектральной чувствительности от чрезмерного воздействия мощным потоком излучения на приемную площадку. Перечисленные требования и рабочие условия эксплуатации ПОИ необходимо учитывать при выборе датчика излучения для разработки измерительного прибора.
Принимая во внимание выше сказанное и основываясь на предложенном в параграфе 2.1 принципе построения автоматизированного измерителя и дифференциальном методе выделения и оперативной регистрации УФ-облученности в трех биологически активных областях, можно выбрать как наиболее простой и доступный фотодиод на основе кремния, который обладает такими характеристиками как высокое быстродействие, чувствительность и портативность.
В качестве таких приемников оптического излучения были выбраны ФД1 и ФД2 (см. рис. 2.2) - фотодиоды типа ФДУК-ПУП на основе полупроводникового материала-Si (см. рис. 2.4) с пониженной чувствительностью в инфракрасной области. Данный тип приемников позволяет эффективно проводить измерения в УФ-области спектра и осуществлять высокочастотную модуляцию, что соответственно уменьшает влияние помех и наводок в электронной части прибора. Исследование спектральных характеристик ФД показало, что диапазон спектральной чувствительности составляет 200—1100 нм. Приемник обладает высокой токовой чувствительностью, которая составляет 0,28 А/Вт для Х ят 680 им. Линейный характер зависимости выходного сигнала ФД от потока, падающего на приемник, позволяет проводить измерения УФ-излучения с достаточно высокой точностью в диапазоне 0,001 - 500 Вт/м .
Анализ экспериментальных исследований разброса спектральных характеристик чувствительности фотодиодов типа ФДУК-ПУП в партии 100 штук показал, что разброс полученных экспериментальных значений составляет 20 % (см. рис 2.5). Результатом исследования спектральных характеристик используемых фотодиодов являлся отбор двух приемников излучения с максимальными по значениям и наиболее близкими кривыми распределения чувствительности во всем рабочем диапазоне длин волн.
Выбранные приемники излучения имеют практически одинаковую типовую спектральную характеристику чувствительности, которая представлена на рис. 2.6. На этом графике приведены абсолютная монохроматическая 8фд(Х) и относительная 8фдотн(А,) (нормированная) кривые спектральной чувствительности фотодиодов используемых в приборе.
При определении относительного распределения спектральной чувствительности ФД использовалось выражениегде Зфдьтах - максимальная абсолютная чувствительность при длине волны X = 680 нм.
Данные кривые спектральной чувствительности ФД будут использованы при энергетическом расчете оптической части прибора.
После выбора приемника оптического излучения необходимо перейти к выбору оптических корригирующих светофильтров для обеспечения чувствительности прибора близкой к относительным эффективностям загарного, эритемного и бактерицидного действия УФ-излучения.
Оптический блок измерителя УФ-облученности
Рассмотрим конструкцию оптического блока измерителя УФ-облученности. На основе рассмотренных в 2.1 принципов построения автоматизированного трехдиапазо иного измерителя УФ-излучения и дифференциального метода выделения и оперативной регистрации УФ-облученности в трех биологически активных областях был собран оптический блок прибора. Оптический блок (см. рис 3.1) содержит входные кварцевые окна KOI и К02, опорные излучатели ОИ1 и ОИ2, модулятор М, синхродатчики СД1 и СД2, оптические светофильтры СФ1 и СФ2, приемники оптического излучения ФД1 и ФД2.
В оптическом блоке для синхронизации работы схемы обработки прибора и определения местоположения модулятора в процессе его вращения используются две юстированные оптопары содержащие ОИ1, СД1 и ОИ2, СД2. В качестве опорных излучателей использованы инфракрасные с вето диоды с германиевой линзой. Фотодиоды с повышенной спектральной чувствительностью, лежащей в инфракрасной области оптического спектра, применены в качестве синхродатчиков.
С целью оперативного регистрирования излучения в УФ-областях спектра в приборе используется дифференциальный метод измерения, рассмотренный в 2.1. Данный метод реализуется при использовании нами разработанной конструкции модулятора М и набором встраиваемых в него оптических светофильтров с различными спектрами пропускания для интегрального выделения областей: УФ; УФ-А; УФ-В. Конструкция модулятора и дифференциальное выделение УФ-областей представлены соответственно на рис. 2.1 и рис. 2.2. Реализация такой конструкции и дифференциального метода измерения УФ-облученности позволяет минимизировать влияние видимого и инфракрасного излучения на результаты проводимых измерений в области ультрафиолета, следовательно, существенно снижается погрешность измерений.
На основе проведенного исследования и оптимизации выбора приемников оптического излучения, рассмотренного в 2.2.1., в качестве приемников в конструкции измерителя использованы ФД1 и ФД2 (см. рис. 2.2 и рис. 3.1)-кремниевые фотодиоды типа ФДУК-11УП с пониженной чувствительностью в инфракрасной области. На рис. 2.6. представлена их абсолютная и относительная спектральная характеристика чувствительности. Линейный характер зависимости выходного сигнала ФД от потока, падающего на приемник, позволяет проводить измерения УФ-излучения с достаточно высокой точностью в диапазоне 10 -5-10 Вт/м , что удовлетворяетэнергетическому диапазону работы прибора 10" -2-10 Вт/м , определенному в результате анализа таблицы 2.5 в 2.5.
По результатам оптимизации выбора оптических фильтров и расчета оптических потерь, рассмотренных в 2.2.2., в конструкции прибора использованы оптические светофильтры, спектральные характеристики пропускания которых представлены на рис. 2.7. На основе измеренных спектральных характеристик пропускания светофильтров, рассчитаны коэффициенты пропускания оптической системой соответственно при 1-ом, 2-ом и 3-ем положением модулятора согласно (2.2) и выражению (2.1). Искомые коэффициенты пропускания оптической системы при максимальном пропускании для выделения УФ, УФ-А, УФ-В- областей соответственно составляют: хх = 0,7418, т2 = 0,6413, т3 = 0,4573. Эти коэффициенты будут использованы при энергетическом расчете оптико-электронного блока измерителя.
Основываясь на расчете спектральной чувствительности измерителя УФ-излучения проведенный в 2.2.3., автоматизированный трех диапазонный измеритель УФ-облученности имеет относительную спектральную чувствительность в УФ, УФ-А, УФ-В диапазонах оптического спектра, представленную на рис 2.9. Абсолютная чувствительность прибора в каждой отдельной области УФ-излучения рассчитывается из выражения (2.5).
Для оперативной и достоверной регистрации УФ-излучения в многоканальном приборе разработан блок обработки, предположительная схема которого рассмотрена в 2.1. В макете прибора (см. рис. 3.1), блок обработки содержит первый и второй формирователи прямоугольных импульсов (ФПИ1 и ФПИ2), инструментальный усилитель (ИУ), фильтр нижних частот (ФНЧ), пиковый детектор (ПД), основной усилитель (УС), микроконтроллер (МК).
Формирователи прямоугольных импульсов ФПИ1 и ФПИ2 выполняют функцию преобразования импульсов синусоидальной формы, обусловленные модуляцией оптического излучения, в импульсы прямоугольной формы с заданной амплитудой по напряжению. Инструментальный усилитель ИУ выполняет три основных функции: дифференциальное сравнение сигналов отклика фотодиодов ФД1 и ФД2 на оптическое излучение; усиление разностного сигнала и установка его нулевого уровня. Фильтр нижних частот ФНЧ устраняет различные виды шумов сигнала, поступающего с инструментального усилителя. Пиковый детектор ПД, при управлении импульсами сброса приходящих от микроконтроллера, осуществляет определение и передачу максимумов сигналов по амплитуде (в виде аналоговых уровней). Посредством основного усилителя ОУ сигнал с ПД усиливается с определенным коэффициентом усиления и поступает на вход микроконтроллера МК. Функциональное назначение микроконтроллера можно подразделить на четыре основные направления: синхронизация работы всей электронной схемы устройства; обработка данных по алгоритму программы; программное вычисление облученности в области УФ-С (из выражения (2.21)), спектрально соответствующий известной эффективной бактерицидной кривой, и ее регистрация наряду с другими величинами облученностей; передача данных на жидкокристаллический индикатор ЖКИ.
В электронном блоке макета прибора были использованы инструментальные операционные усилители с малым напряжением смещения и низким уровнем шумов. Они функционируют в широком диапазоне изменения окружающей температуры без существенного изменения внутренних параметров. Использование таких усилителей позволило уменьшить вероятность случайных погрешностей электронной схемы, обусловленных воздействием окружающей среды и различных радиопомех.
Прибор работает следующим образом. Например, при первом положении модулятора (см. рис. 2.2 и рис. 3.1.), поток излучения, пройдя через входные окна К01 и К02 и соответствующие светофильтры СФЗ,СФ2 и СФЗ,СФ1, попадает на фотодиоды ФД2 и ФД1. Сигналы с приемников усиливаются и вычитаются в инструментальном усилителе ИУ. Дифференциальный сигнал фильтруется фильтром нижних частот ФНЧ и поступает на пиковый детектор ПД, который отлавливает максимум импульса в виде аналогового уровня. Аналоговый сигнал после усилителя УС приходит на вход аналогово-цифрового преобразователя АЦП, встроенный в программируемый микроконтроллер МК. Одновременно с этим импульсы от синхродатчиков СД1 и СД2 через формирователи прямоугольных импульсов ФГШ1 и ФПИ2 поступают на микроконтроллер МК. Микроконтроллер в свою очередь выдает импульс сброса на ПД. Вследствие чего пиковый детектор переходит в состояние готовности зафиксировать максимум следующего импульса, который будет соответствовать второму положению модулятора. Микроконтроллер управляется кнопками: "СБРОС"; "ЗАПИСЬ"; "СЧИТЫВАНИЕ". При нажатии кнопки "СБРОС" вся информация, хранящаяся в МК, сбрасывается. Далее при нажатии кнопки "ЗАПИСЬ" в процессе модуляции потока излучения происходит запись данных. Полученная информация опрашивается с помощью функции "СЧИТЫВАНИЕ" и при нажатии этой кнопки на табло двухстрочного шестнадцатиразрядного жидкокристаллического индикатора ЖКИ загораются цифровые значения, соответствующие, к примеру, первой комбинации
Калибровка измерителя УФ-облученности
Испытания измерителя УФ-излучения проводилась в калибровочном центре ООО «Научно-технического предприятия «ТКА» по поверке измерительных средств в УФ-области спектра.
Прежде чем непосредственно перейти к самому эксперименту следует отметить, что принцип выделения УФ-А, УФ-В и УФ-С областей у эталонных средств измерения и калибруемого прибора различен. Как уже было сказано выше, разработанный прибор имеет спектральную чувствительность в этих областях по форме близкую к кривым биологического действия излучения (рис 1.1) с учетом рассчитанных интегральных поправочных коэффициентов а, Ь,ся d (см. табл. 2.3). В отличие от него эталонные приборы работают по принципу интегральных измерений в областях УФ-спектра, с чувствительностью, выделяющей по условным границам исследуемый диапазон в УФ-А, УФ-В, УФ-С (см. 1.3.1) [4]. Во всей интегральной области УФ-D принцип выделения у калибруемого и эталонных приборов одинаков. Поэтому перед проведением эксперимента был проведен расчет интегральных поправочных коэффициентов а , Ь , с введение которых позволило учесть принципиальное спектральное рассогласование между чувств ительностями калибруемого и эталонных приборов. Только при учете этих коэффициентов можно сравнивать значения облученности, измеренные этими приборами, и только при этом условии оценить погрешность калибруемого прибора.
Также необходимо отметить, что расчет коэффициентов а Ь , с справедлив только для конкретного типа источника УФ-излучения. Так как в качестве такого источника использовалась лампа типа ДКсШ-120, то значения этих коэффициентов определялись из выражений:
В качестве наглядного примера эффективного эритемного (2) и загарного (3) действия УФ-излучения лампы типа ДКсШ-120 (1) приведен рис. 4.4. Этот рисунок показывает зффеїстивное действие излучения в УФ-А и УФ-В областях спектра. Кривая бактерицидного действия излучения УФ-С области не приведена в виду ее малой доли в спектре излучения лампы. В среде Mathcad
После теоретического расчета и дальнейшего учета коэффициентов (4.2) перейдем непосредственно к проведению калибровке разработанного измерителя УФ-излучения.
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 4.5. В качестве эталонных приборов (1) использовались УФ-радиометры на отдельные области спектра: УФ-А; УФ-В; УФ-С. Приборы имеют сертификат и поверены по ГОСТам 8.552 - 86 и 8.197 - 86. УФ-радиометр крепился на оптической скамье (2) с нанесенной на нее миллиметровой шкалой. Источник излучения (3), в качестве которого использовалась лампа типа ДКсШ-120, был помещен в металлический корпус (4) с выходным отверстием в виде диафрагмы (5).
Измерения значений облученности в УФ-А, УФ-В, УФ-С областях при открытой диафрагме проводились на разных расстояниях / (с шагом 10 см) от приемной площадки измерителя до источника излучения. При закрытой диафрагме определялось темновое значение облученности. Значения облученности в области УФ-D определялось сложениями показаний приборов в УФ-А, УФ-В, УФ-С диапазонах. Результаты экспериментальных измерений эталонными приборами энергетической облученности Е7Т, создаваемой лампой типа ДКсШ-120, приведены на рис. 4.6.
После окончания измерений эталонными приборами на тех же расстояниях / устанавливался исследуемый прибор. Измерения проводились аналогично экспериментам с эталонными приборами. Результаты измерений по исследуемым областям УФ-спектра фиксировались в памяти прибора. После измерений, при помощи интерфейса [82, 85] опрашивались значения облученности в УФ-А, УФ-В, УФ-С, УФ-D областях спектра и отображались в виде комбинаций на жидкокристаллическом дисплее. Причем алгоритм программы измерителя УФ-излучения позволяет фиксировать за короткий промежуток времени набор мгновенных пиковых значений облученности в
рассматриваемых областях ультрафиолета и математически вычислять их среднее значение. Результаты экспериментальных измерений (с учетом (4.2)) представлены на рис, 4.6.
Следует отметить, что значение расстояния / варьировалось от 60 до 160 см. Минимальное значение расстояния от измерителя до лампы определялось диаметром пятна засветки, создаваемой диафрагмой (5), при котором соблюдалась равномерное распределение излучения в плоскости входных окон калибруемого измерителя. Максимальное расстояние ограничивалось длиной оптической скамьи.
На основании полученных экспериментальных данных построена зависимость значений облученности, создаваемой лампой ДКсШ-120, зафиксированные калибруемым и эталонными Еэг приборами на различных расстояниях /. Полученные кривые представлены на рис. 4.6.
Из рис. 4.6 видно, что кривые облученности, полученные эталонным прибором и калибруемым измерителем отличаются в различных УФ-областях. Это отличие в УФ-А, УФ-В, УФ-С областях можно объяснить тем, что при теоретическом расчете коэффициентов (4.2) использовался известный типичный спектр излучения шаровых коротко дуговых ксеноновых ламп СВД (ДКсШ-120) [78], а не экспериментально измеренный. В интегральной УФ-D-области кривые облученности Е1]р и Еэт практически совпадают, поскольку принцип выделения этого диапазона как у калибруемого, так и у эталонных приборов одинаков.
Для анализа отличия полученных экспериментальных кривых приведена таблица 4.1, в которой представлены данные облученности Е1]р и Е зафиксированные калиброванным и эталонными приборами соответственно и расчетные данные погрешности калибровки 5калибР. в процентах для наименьшего и наибольшего расстояния / от источника излучения.
Из приведенных в таблице статистических данных можно сделать вывод о том, что бкалИбр. во всех областях ультрафиолета с увеличением расстояния от измерителя до источника возрастает. Этот рост может быть обусловлен тем, что при уменьшении интенсивности потока излучения в различных УФ-областях пропорционально уменьшаются амплитуды сигналов в электронном блоке обработки и регистрации прибора, что приводит к увеличению погрешности обработки сигналов электронными компонентами устройства. Если анализировать отличие в различных областях УФ-спектра, то в данном энергетическом диапазоне в УФ-О-области самые наименьшие погрешности калибровки и не превышают 1.2 %. Такое расхождение может быть вызвано тремя факторами, такими как: условным выделением оптического диапазона 200-400 нм [89]; введением аппроксимирующей функции и погрешностью электронного блока измерителя УФ-излучения. В УФ-А, УФ-В и УФ-С областях погрешность калибровки значительно выше и в данном энергетическом диапазоне при облучении источником на расстоянии / = 60 см значения составила 4.6, 5.9 и 6.8 % соответственно. Для этих же областей при /= 160 см 5Калибр.- 5.5, 6.7 и 8.7 % соответственно. Таким образом, наблюдается (например при /=160 см) увеличение значений 5калибрі в УФ-А, УФ-В и УФ-С по сравнению с областью УФ-D, в среднем в 4.6, 5.6 и 7.3 раза соответственно. Это увеличение погрешности обусловлено относительной спектральной чувствительностью прибора (см. рис. 2.9), а точнее спектральным критерием подобия к известным кривым биологического действия УФ-излучения. То есть наиболее близко реализовано спектральное выделение УФ-А области, что, следовательно, приводит к уменьшению погрешности измерений при учете интегральных поправочных коэффициентов а, Ь, с и d (см. табл. 2.3). Кроме того, рассчитанное отличие показаний калибруемого прибора от эталонных может быть вызвано: рассмотренной выше погрешностью обусловленной реализацией в приборе В—»Вт/м преобразования, около 1.35 %; построением энергетической характеристики при использовании эталонного приемника -ТЭП, около 1 %; дополнительной погрешностью измерения прибором энергетической освещенности вследствие изменения температуры окружающей среды, около 0.3 % I С (использована в приборе температурная схема
