Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Задачи оперативного измерения концентрации кислорода 12
1.1 Постановка задач 12
1.1.1 Системы взрывозащиты промышленного назначения 12
1.1.2 Системы взрывозащиты специального назначения 14
1.1.3 Аппаратура дыхательного назначения 15
1.1.4 Классификация основных технических требований 16
1.2 Обзор методов измерения концентрации газообразного кислорода.. . 18
1.2.1 Полупроводниковые методы анализа , 18
1.2.2 Электрохимические методы анализа 19
1.2.3 Магнитные методы анализа 21
1.2.4 Люминесцентно-кинетический метод 23
1.3 Выбор метода анализа 26
Выводы по первой главе 31
Глава 2. Особенности люминесцентно-кинетического метода анализа 32
2.1 Основные характеристики метода и аппаратура для его изучения 32
2.1.1 Описание эффекта тушения люминесценции трипафлавина 32
2.1.2 Схема и установка для изучения люминесцентных свойств 33
2.1.3 Влияние концентрации кислорода на сигнал люминесценции 36
2.1.4 Влияние температуры на сигнал люминесценции 36
2.1.5 Влияние других газов на сигнал люминесценции 38
2.2 Анализ текущего положения в исследовании метода .38
Выводы по второй главе 41
Глава 3 Теоретический расчет оптимальных параметров чувствительного элемента на основе комплекса «трипафлавин - силикагель» 42
3.1 Определение направления исследований 42
3.2 Способы получения исходных данных 47
3.2.1 Технология изготовления чувствительного элемента.. 47
3.2.2 Установки для изучения оптических свойств элемента 48
3.3 Расчет основных характеристик чувствительного элемента 49
3.3.1 Физическая модель элемента 49
3.3.2 Определение оптимальной толщины элемента 51
3.3.2.1. Одномерная модель распространения излучения в элементе 51
3.3.2.2 Уточненная модель распространения излучения в элементе 61
3.3.3 Определение потенциального быстродействия люминесцентно-кинетического метода анализа кислорода 70
Выводы по третьей главе 77
Глава 4 Погрешность при измерениях люминесцентно-кинетическим анализатором кислорода и методы ее уменьшения 78
4.Юбщие соображения 78
4.20птимизация оптического тракта 79
4.2.1 Синтез оптического фильтра 79
4.2.2 Синтез оптимального оптического тракта прибора 84
4.3 Потенциальная погрешность прибора , 92
4.3.1 Источники погрешности измерения 92
4.3.2. Оценка погрешности закона преобразования... 94
4.3.3 Влияние температуры на чувствительный элемент из трипафлавина 96
4.3.4 Оценка энергетических параметров сигнала 98
4.3.5. Оценка влияния шума и нестабильности фотоприемника 103
4.3.6 Влияние на погрешность измерения конструкции измерительной кюветы 108
4.3.7 Влияние дестабилизирующих во времени факторов 109
4.3.8 Стабильность одноканального метода измерения 113
Выводы по четвертой главе 119
Глава 5. Практические конструкции люминесцентно-кинетических анализаторов кислорода 120
5.1 Общий подход к конструированию 120
5.2 Быстродействующий датчик системы предупреждения взрыва 122
5.3 Переносной одноканальный анализатор кислорода 126
5.4 Анализатор кислорода дыхательной системы 128
Выводы по пятой главе 128
Заключение 129
Литература
- Системы взрывозащиты промышленного назначения
- Описание эффекта тушения люминесценции трипафлавина
- Установки для изучения оптических свойств элемента
- Синтез оптимального оптического тракта прибора
Введение к работе
Актуальность работы
Проблемы анализа содержания кислорода в газообразной среде связаны как с широким применением кислорода в технологических процессах, так и особым местом кислорода в процессах жизнедеятельности.
Особенно следует остановиться на анализе кислорода в условиях, где недостоверная информация в каждый текущий момент времени ведет к тяжелым последствиям, несоизмеримым с возможными затратами на получение этой информации. Это, в первую очередь, работа устройств газового анализа в системах обеспечения дыхания, контроля содержания кислорода при организации работ в замкнутом пространстве, в системах взрывозащиты. При этом требования к анализатору кислорода определяются спецификой работы этих систем. Например, анализаторы кислорода, обеспечивающие необходимые условия жизни и деятельности человека, должны обеспечивать высочайшую надежность и достаточное быстродействие - несколько секунд. Другим примером являются системы предотвращения взрыва, которые применяются в хранилищах топлива, на судах, транспортирующих топливо, для обеспечения безопасности высокоэнергетических процессов, например в ракетной технике. Эти системы контролируют процесс вытеснения кислорода инертными газами, и незначительное превышение концентрации кислорода определенного уровня является сигналом опасности. Анализаторы кислорода, необходимые для этих систем, должны обладать быстродействием, сравнимым с динамикой закачки инертных газов, и для специальных устройств постоянная времени прибора не должна превышать одной секунды. Время от подачи питания на аппаратуру до получения информации должно также исчисляться секундами.
Необходимость данной работы вызвана отсутствием таких специальных быстродействующих анализаторов кислорода достаточной точности. Приборы для решения вышеперечисленных задач в России никто не разрабатывает и не производит.
Предмет и методы исследования
Предметом исследования является изучение возможностей разработки и практическая реализация быстродействующего анализатора кислорода.
Для организации работы с целью определения существенных целей исследования, повышения его эффективности, были применены методы проектного анализа [1]. На начальном этапе было проведено исследование проектной ситуации с формулированием задач. Были рассмотрены основные области функционирования быстродействующего анализатора кислорода, определены характерные условия, которым должен отвечать прибор, сформулированы конечные требования, сведенные в техническое задание. Для оценки наличных ресурсов, выбора метода разрешения проблемы, проводился литературный поиск и дальнейшее ранжирование методов анализа кислорода. С целью определения главных задач реализации отобранного метода, концентрации усилий на анализе и оценке результатов исследований и уменьшении усилий на проведении малоэффективных действий была применена кумулятивная стратегия Пейджа. Для ликвидации недостатков разработанных приборов проводился процесс трансформации их конструкции.
Проведенный анализ показал, что оптимальное решение поставленных задач возможно при помощи известного, но практически не применяющегося метода люминесцентно-кинетического анализа кислорода. Он в наибольшей степени соответствует требованиям реализации в быстродействующих приборах дистанционного автоматического контроля содержания кислорода в средах. Изучение особенностей этого метода, разработка перспективного газоанализатора кислорода являлись предметом настоящих исследований. В работе изучалось влияние внешних воздействий на характеристики и погрешности метода, долговременные характеристики первичного преобразователя (чувствительного элемента). Проведена разработка методов, позволяющих провести расчет характеристик отдельных узлов анализатора. Была рассчитана и воспроизведена оптимальная конструкция прибора.
Цель работы
Решение основной проблемы разработки быстродействующего анализатора кислорода потребовало:
Сформулировать реально необходимые основные технические требования к конструктивным особенностям быстродействующего анализатора кислорода.
Проанализировать известные физико-химические эффекты и основанные на них методы анализа кислорода.
Установить технологические возможности этих методов и выбрать потенциально пригодный метод для решения поставленной задачи.
Разработать алгоритм работы по изучению необходимых свойств люминесцентно-кинетического метода анализа кислорода, способов его технологической и конструктивной адаптации.
Исследовать особенности люминесцентно-кинетического метода анализа кислорода, провести технологические и конструктивные работы в запланированном объеме.
Теоретически и практически обосновать достижимость основных параметров газоанализаторов при помощи разработанных технических решений.
Создать реальные конструкции приборов, уточнить их характеристики, провести испытания, разработать и провести конструктивные доработки.
Основные результаты диссертационной работы
В работе выполнен обзор потребности в быстродействующем анализаторе кислорода, сформулированы требования к нему;
проанализированы реальные возможности создания в настоящий момент быстродействующего анализатора кислорода;
исследованы основные физические закономерности выбранного метода анализа;
создана технология изготовления чувствительного элемента и защищена авторским свидетельством (АС 1558953);
создана математическая модель распространения излучения в чувствительном элементе, что дает возможность проводить оптимизацию свойств чувствительного элемента;
создана математическая модель процессов диффузии в чувствительном элементе, что позволило рассчитать потенциальное быстродействие анализатора;
разработаны методы и программы для ПЭВМ, позволяющие синтезировать оптимальные оптические тракты люминесцентно-кинетических анализаторов кислорода;
выбраны факторы влияния и получены данные их долговременного воздействия на характеристики анализаторов;
проанализирована потенциальная погрешность при измерениях люминесцентно-кинетическим анализатором кислорода, разработаны меры по ее уменьшению;
получены всесторонние экспериментальные данные, подтверждающие проведенные теоретические выкладки;
выбраны и внедрены инженерные решения по конструированию быстродействующих анализаторов кислорода, которые могут служить основой для разработки приборов нового, люминесцентно-кинетического класса анализаторов кислорода.
9 Научная новизна теоретических исследований и результатов экспериментальных исследований, полученных автором
Впервые, на основе анализа проектной ситуации, обоснована возможность применения люминесцентно-кинетического метода анализа кислорода, как единственно возможного для решения специальных практических задач;
впервые представлены теоретические исследования и, на базе построенных моделей, практические расчеты по определению и оптимизации основных характеристик конструируемых приборов;
впервые приведены результаты экспериментальных исследований долговременного воздействия на чувствительный элемент прибора дестабилизирующих факторов;
впервые предложены и конструктивно проработаны технические решения оптимизированной конструкции быстродействующего анализатора кислорода.
Методы исследований, обоснованность результатов диссертационной работы
Получение практически значимых результатов диссертационной работы обусловлено применением эффективных методов планирования работы и проектирования;
разработка моделей и теоретических положений, создание на их основе конструктивных образцов стало возможным благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных методов исследования. Решение задач, позволивших создать ряд действующих приборов, стало возможным благодаря использованию аппарата математики, физики, прикладных наук, и не противоречит их положениям. Созданные методики расчета согласуются с практическими результатами.
разработанные положения и новые технические решения проверены
экспериментально, метрологически обеспечены. Созданные приборы
прошли испытания у заказчиков, и внедрены в производство.
Практическая и научная полезность результатов диссертационной работы
разработанные в диссертационной работе методы расчета позволяют проектировать и создавать приборы нового класса анализаторов кислорода;
полученные решения оптимизационных задач позволяют сократить объем экспериментальных исследований при разработке новых анализаторов кислорода этого класса;
методы и программы синтеза оптических трактов могут быть использованы при проектировании иных оптических приборов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Обоснование возможности построения быстродействующего анализатора кислорода на люминесцентно-кинетическом методе, как единственно возможном в настоящее время.
Методы проектирования чувствительного элемента анализатора кислорода, изготовленного по технологии, защищенной авторским свидетельством.
Математическая модель распространения излучения в чувствительном элементе, позволяющая разработать оптимальные по свойствам чувствительные элементы.
Математическая модель процессов диффузии в чувствительном элементе, позволяющая рассчитать потенциальное быстродействие анализатора кислорода с подобным элементом.
Методы и программное обеспечение для ПЭВМ, позволяющие синтезировать из стандартных светофильтров оптические фильтры и оптические тракты с требуемыми спектральными характеристиками.
Методика оценки потенциальной точности характеристик анализатора.
Технические решения конструкций люминесцентно-кинетических анализаторов кислорода.
Результаты личной работы автора изложены в главах 3-5 настоящей работы, разработка приборов велась под руководством автора как главного конструктора приборов.
Апробация работы
Основные результаты работы представленные в диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах:
на 3-ей Украинской научно-технической конференции "Теория и практика использования химических методов проверки негерметичности в машиностроении" Киев 1988 г.
на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Вопросы теории и принципы построения устройств и систем автоматизации" Новочеркасск, 1986 г
на Всесоюзном семинаре "Современное приборное обеспечение санитарного, экологического и радиационного контроля" С-Пб, 2001г.
на Всесоюзном семинаре "Комплексное оснащение лабораторий экологического и санитарного контроля" С-Пб, 2002г.
на 2-ой Всероссийской научно-практической конференции "Окружающая природная среда и экологическое образование и воспитание" Пенза,2002 г.
Автором опубликовано 5 научных работ по теме диссертации. Работа награждена дипломом ВДНХ СССР по разделу "Охрана природы СССР" (Приложение 1)
Изготовление чувствительного элемента защищено АС 1558953 Практические конструкции приборов внедрены в производство (Приложение 2)
Системы взрывозащиты промышленного назначения
К системам взрывозащиты специального назначения можно отнести системы, сопровождающие работу высокоэнергоемких устройств и процессов. В частности системы, обеспечивающие безопасность заправки ракетно-космических комплексов, использующих в качестве окислителя жидкий кислород. Неконтролируемая утечка кислорода при наличии сосредоточенных в ограниченном пространстве огромных масс топлива и окислителя может привести, к тяжелейшим последствиям. Системы, обеспечивающие безопасность -этих, процессов, достаточно сложны, и общие технические требования к ним весьма жесткие. Так как общие характеристики сие і ем являются композицией характеристик их составных частей, разделение общих требований до уровня требований к составным частям системы приводит к еще большему ужесточению нормируемых параметров. Поэтому, помимо высочайшей надежности анализатора, к нему предъявляется требование максимально достижимого быстродействия, не более одной секунды [3]. Бортовые анализаторы кислорода при этом должны иметь и предельно малый вес. Остальные технические требования по точности, диапазону рабочих температур, сроку хранения и прочие являются общими для подобной аппаратуры и задаются нормативными документами.
Аппаратура дыхательного назначения
К системам дыхательной аппаратуры относятся различные комплексы аппаратов, обеспечивающих жизнедеятельность человека. Безопасный диапазон концентрации кислорода в смеси, предназначенной для дыхания человека, невелик, и выход за его пределы в течении нескольких минут ведет к фатальным последствиям. Если объективная опенка ущерба за счет неправильной информации в технологических системах, например в системе взрывозащиты, потенциально возможна, то последствия неправильной информации в системах, напрямую связанных с безопасностью человека, оцениваются субъективно. Поэтому требования высокой достоверности и надежности работы анализаторов кислорода является основными. По быстродействию к обычным системам обеспечения дыхания ранее особых требований не предъявлялось, достаточно было обеспечить быстродействие порядка 5-10 секунд.
Однако в последнее время появились телеметрические системы контроля за деятельностью человека-оператора, работающего в экстремальных условиях, например водолазов, пилотов. Эти системы позволяют определить степень стресса, испытываемого человеком, с целью проведения корректирующих действий. Одним из факторов, по которому предполагается проводить оценку состояния человека, является изменение содержания кислорода при единичном акте "вдох - выдох". Для этих целей требуются анализаторы кислорода с быстродействием не хуже 1 секунды [4]. 1.1.4 Классификация основных технических требований
Анализируя описанные выше особенности применения анализаторов кислорода в специальных системах, учитывая условия применения и в обычных газоаналитических системах , можно сформулировать общие предъявляемые к ним требования. Основными являются группа требований метрологического характера - точность, избирательность, быстродействие; группа требований эксплуатационного характера - долговечность, надежность, устойчивость к влиянию внешних факторов, и группа требований производственного характера -технологичность изготовления, материалоемкость. Эти ключевые технические требования сведены в таблицу 1. По ряду показателей оценка проводилась методами условного ранжирования относительно средних значений данной характеристики среди всех групп приборов. Например, если для анализаторов кислорода показатель достаточной надежности взять как среднюю величину, то для систем взрывозащиты специального назначения она должна быть очень высокой.
Сравнительный анализ ключевых технических требований позволяет сформировать технические требования к перспективному анализатору кислорода, потенциально пригодному для самой широкой области применения.
Описание эффекта тушения люминесценции трипафлавина
Явление ослабления, или тушения люминесценции ряда красителей и, в частности, красителя трипафлавика, с которым проводились все дальнейшие исследования, известно давно [5-7J. Предлагалось несколько моделей, описывающих это явление, в том числе модель динамического тушения. В первом приближении сущность основных закономерностей динамического тушения можно изобразить схемой: Иулюмин процесс 1 Л + АГІ -г— Л AD л (I) «я» х АВ прицесс 2 v Введенное постоянное вещество взаимодействует с возбужденными частицами активатора с образованием продуктов, которые не способны дезактивироваться путем излучения. Через А и А+ на этой схеме обозначены исходная и возбужденная молекулы активатора соответственно, через И ц и hVjuoMuu обозначены кванты возбуждающего излучения и излучения люминесценции, а через А В - распадающийся продукт взаимодействия возбужденной молекулы активатора А с тушителем В. Процесс 1 сопровождается излучением люминесценции, процесс же 2 испусканием излучения не сопровождается. Интенсивность, или сила излучения люминесценции, таким образом, уменьшается и определяется соотношением скоростей этих двух конкурирующих процессов: мономолекулярного 1 и бимолекулярного 2. За счет появления процесса 2 общая скорость дезактивации молекул А увеличивается, а обратная величина-время жизни уменьшается.
Простая модель, описывающая динамику процесса, приводит к выводу, что в присутствии кислорода стационарная концентрация возбужденных частиц, и следовательно люминесценция, уменьшается линейно (закон Штерна-Фольмера)[5]: Здесь: Фо -поток излучения люминесценции в отсутствии кислорода; Ф поток излучения люминесценции при концентрации кислорода С; к - константа (стеяень)тушекия; С - концентрация кислорода.
Метод динамического тушения люминесценции позволяет определять концентрацию веществ, которые сами не люминесцируют и излучения в рассматриваемой области длин волн не поглощают, и, химически не взаимодействуя с возбужденными частицами ранее введенного активатора, уменьшают интенсивность его люминесценции. Отметим, что это происходит без какого-либо химического взаимодействия. Как указывалось, эффект наблюдается практически только с кислородом, что приводит к высоко избирательному методу анализа, который по данному параметру превосходит другие методы. Еще раз подчеркнем, что излучательные процессы практически безынерционны, и быстродействие метода определяется транспортным запаздыванием газа. Чувствительность метода не уступает лучшим электрохимическим методам.
Схема и установка для изучения люминесцентных свойств эффекта
Основные известные экспериментальные данные относятся к красителю трипафлавину, адсорбированному на силикагеле [8-11]. По ряду практических причин наибольший интерес вызвало изучение общих закономерностей, именно такой структуры. Чувствительным элементом в исследованиях служил тонкий слой силикагеля, пропитанный раствором трипафлавина, и помещенный в газовую кювету. Кювета имела окна для ввода сигнала возбуждения и вывода сигнала люминесценции.
Формула трипафлавина CI HMCCINJ, максимум абсорбции (поглощения) около 460 нм, эмиссии (люминесценции) около 580 нм. Относительные спектральные характеристики трипафлавина приведены на рис.1. Из рисунка видно, что спектр поглощения и спектр излучения трипафлавина хорошо подчиняется закону зеркальной симметрии .
Экспериментальные измерения проводились на установке (рис.2), схема которой является в некотором роде стандартной для изучения люминесценции «на просвет» Свет от источника возбуждения люминесценции 1 проходит через механический модулятор потока излучетгая 2, отсекающие светофильтры 3, и попадает на чувствительный элемент 4, который находится в потоке анализируемой газовой смеси. Излучение люминесценции с другой стороны элемента проходит через выходной отсекающий светофильтр 5 и попадает на фотоприемник 6. Сигнал фотоприемника служит мерой изменения уровня люминесценции.
Анализ этой схемы измерения позволяет понять основные проблемы измерения уровня люминесценции, и способы их преодоления. Модулятор формирует перемегшый сигнал возбуждения и, как следствие, образуется переменный сигнал люминесценции, что позволяет применять известные методы электронной обработки и фильтрации сигналов. Применение отсекающих светофильтров на входе чувствительного элемента и на выходе позволяет снизить сигнал прямой засветки, который возникает за счет проходящего через чувствительный элемент сигнала возбуждения. Все эти меры призваны улучшить отношение уровня сигнала к шуму и повысить достоверность измерений.
Установки для изучения оптических свойств элемента
Отрицательное влияние на погрешность измерения со стороны отдельных узлов оптико-электронных измерительных приборов хорошо изучено, и известны меры общего характера по снижению этого влияния [28-31]. Рассматривая эту проблему применительно к реальной конструкции люминесцентно-кинетического анализатора кислорода, можно видеть, что основная задача состоит в получении максимально достоверного сигнала люминесценции. Достоверность этого сигнала снижается из-за различного вида помех, к которым практически надо отнести: прямое прохождение сквозь чувствительный элемент сигнала излучения от источника возбуждения, которое маскирует сигнал люминесценции при работе с широкополосным фотоприемником. Для снижения этого вида помех используется тот факт, что сигнал возбуждения и сигнал люминесценции в основном разнесены в оптическом диапазоне. Это позволяет примешпъ входные светофильтры для сужения диапазона сигнала от источника возбуждения, и выходные светофильтры для выделения сигнала люминесценции. Решение этой задачи, задачи синтеза оптимального оптического тракта, требует определение спектральной характеристики каждого из фильтров - входного и выходного, и разработки способов синтеза этих фильтров; шумы фотоприемника. Для снижения этого вида помех применяются импульсная модуляция сигнала возбуждения, с соответствующими методами обработки сигнала фотоприемника, и тщательный выбор схемы построения фотоприемника; влияние конструктивных особенностей прибора на соответствие измеряемой концентрации кислорода концентрации в точке забора газовой пробы. Правильный инженерный расчет конструкции газовых трактов прибора позволяет снизить это влияние; дрейф и нестабильность узлов прибора, особенно чувствительного элемента. Эти виды помех определяются как опытным, так и расчетным путем, с их дальнейшим учетом и принятием мер по их компенсации.
Часто возникающая необходимость синтеза фильтра с требуемой характеристикой пропускания проистекает из следующего. Решая общую задачу реализации максимальной точности измерения за ограниченное время, приходится добиваться максимального отношения величины полезного сигнала к шуму. Одним из способов максимизации этого отношения является применение оптимальных фильтров. Напомішм, что оптимальный фильтр имеет спектральную характеристику пропускания, соотносящуюся со спектром сигнала с учетом ряда факторов, например с учетом спектральной плотности шума [28-31]. Это справедливо и для оптического сигнала. Таким образом, улучшение точности измерений ОПТИЧЄСКЇІХ приборов в общем случае требует применение оптимальных светофильтров. После определения необходимой спектральной характеристики оптимального светофильтра возникает проблема практического получения такого фильтра. Для этого наиболее доступным способом является синтез, или набор, целевого фильтра из стандартных светофильтров с точно известной спектральной характеристикой. Таким образом, необходимо иметь алгоритм, или программу, синтеза целевого светофильтра, имеющего характеристику пропускания, коррелирующую, в зависимости от конкретной задачи, например со спектром люминесценции [7], или с кривой световой эффективности глаза человека [31], из стандартных светофильтров [32].
Получение светофильтров, имеющих требуемую характеристику пропускания, реально сводится к анализу спектральных характеристик имеющихся стандартных светофильтров [32], выбору некоторых из них, назовем их базовыми, и подбору толщины выбранных базовых светофильтров таким образом, чтобы суммарная характеристика набора фильтров была близкой к требуемой. Подбор толщины сложен, так как величина толщины влияет не только на величину общего светопропускания, но и в большой мере на форму спектральной характеристики. В случае, если результат процесса подбора признается неудовлетворительным, процесс повторяется для другого набора светофильтров. Так как, используя стандартные светофильтры, точно синтезировать желаемую спектральную характеристику пропускания невозможно, необходимо выбирать разумный компромисс. Вручную получить хороший результат этого трудоемкого процесса сложно. Недостатки и преимущества такого подхода видны на примере синтеза, изложенного в [31]. При таком подходе на первом шаге выбираются фильтры, позволяющие грубо сформировать границы желательного спектрального диапазона. Затем строится результирующая спектральная характеристика набора выбранных фильтров, вычисляется расхождение между результатом и требуемой спектральной характеристикой. На втором шаге путем выбора других фильтров осуществляется более точный подбор результирующей спектральной характеристики набора фильтров, и так далее, до получения заданного расхождения между полученной характеристикой и требуемой. Ускорение процесса за счет расчета ошибки синтеза не «на глаз», а при помощи вычисления ошибки отклонения, то есть погрешности синтеза, по всему спектральному диапазону при помощи электронных средств вычисления, не устраняет основные проблемы такого метода синтеза. Оті связаны с тем, что: изначально, в той или иной мере, из результатов ранее проведенных исследований, или опыта исследователя, для успеха процесса и получения приемлемого результата необходимо знание примерного
Синтез оптимального оптического тракта прибора
Тогда, переходя к конечным приращениям, то есть в линейном приближении, для определения абсолютного изменения уровня потока люминесценции во времени, имеем:
Здесь относительное изменение потока люминесценции во времени Фг/ґ (относительная скорость изменения); -рассматриваемый промежуток времени (в линейном приближении ). Таким образом, чтобы определить, насколько уходит шкала прибора за подходящими аналитическими уравнениями, взять производные по времени, и отнести производные к величине данных в этой точке. Конечные результаты расчета относіітельньїх производных приведены на рис.31-33 для случаев, отражающих влияние дестабилизирующих факторов для значений, как со временем относительная скорость изменения потока излучения люминесценции снижается. Теперь можно определить, в какой момент времени дрейф люминесценции будет соответствовать нашим требованиям. Хорошим можно считать показатель дрейфа, когда шкала прибора за время, равное одному месяцу, или 720 часам (0,72 тысячи), уйдет на величину, равную погрешности измерения, для нашего случая 5 % относительных. Как следует из (73), это соответствует снижению потока: АФ — = -0.054 (77) или, исходя из (76), в линейном приближении, с учетом (77) необходимо найти время, после которого будет выполняться неравенство:
Здесь учтено, что анализируемые зависимости построены в шкале времени, где единица -тысяча часов. На рис. 31-33 показано, как графически определяется точка во времени, после которой скорость изменения уровня люминесценции отвечает нашим критериям. Назовем ее точкой стабилизации характеристик.
Расчет дает следующие значения времени этой точки для дестабилизирующих факторов: при влажности 60% отн., температуре 20 С (нормальные условия работы), и освещенности 10 люкс (заметно выше рабочей) - 2,7 тыс.часов; при температуре 20 С,освещенности около 0 люкс (нормальные условия работы), влажности 98% отн.-2.0 тысячи часов; при влажности 60% отн., освещенности около 0 люкс (нормальные условия работы), температуре 40 С-1,25 тысячи часов;
В общем случае при оценке процессов старения исходят из некоторых допущений. Предполагается, что процессы, приводящие к изменению характеристик, ускоряются при увеличении влияния дестабилизирующих факторов, не изменяя по существу физическую природу явления, а только сокращая наработку до критических событий, и снова замедляются при снятии этого влияния. Это дает возможность прогнозировать поведение элементов во времени, используя эмпирические законы [42].
Таким образом, имея зависимости изменения люминесценции во времени под действием температуры, влажности, освещенности для разных уровней нагрузки, можно оценить изменение люминесценции и под действием комплексного воздействия нескольких видов нагрузки.
Как показано выше, после некоторого времени естественного изменения характеристик элемента они стабилизируются, однако это время достаточно велико. Поэтому, установив зависимости между параметрами изменения характеристик и режимом воздействия дестабилизирующих характеристик, можно провести ускоренное «старение» элемента за счет форсированного режима нагрузки. Используя определенные на стадии предварительных исследований значения входящих в выражение (76) коэффициентов, можно рассчитать условия старения для различных режимов.
В процессе проведения испытаний была разработана и опробована методика искусственного старения элементов путем воздействия повышенной температуры при высокой влажности. Процесс изменения характеристик ускоряется более чем в сто раз. Таким образом, достижение точки стабилизации характеристик чувствительного элемента для целей одноканального метода измерений становится возможным через несколько десятков часов.
