Выбор материала окон кюветы.
Материал для окон кюветы выполним KCl, обладающим равномерным коэффициентом пропускания 60% в интервале длин волн 1-15мкм. Зависимость коэффициента пропускания от длины волны для разных веществ представлена на рис.7. [4]
Выбор обусловлен относительным постоянством коэффициента пропускания в диапазоне 8-8,5 мкм, что является немаловажным условием, а так же сравнительной дешевизной материала.
Так как коэффициент пропускания окон кюветы 0,6 то после прохождения кюветы потоки будут равны соответственно.
Рис.7. Прозрачность оптических материалов в ИК области спектра [2]
Выбор приемника.
В качестве приемника излучения был выбран сверхпроводящий болометр БКМ-5а. Габаритные размеры болометра приведены на рис.8, его спектральная характеристика приведена на рис. 9. [3]
Рис.8. Габаритные размеры БКМ-5а
Рис.9. Спектральная характеристика болометра БКМ-5а
Основные параметры болометра БКМ-5а приведены в табл. 1. [3]
После прохождения через газ потоки будут дополнительно ослабляться. Опорный поток в 0,8 раза, а поток на длине волны 8,45 в зависимости от концентрации сероводорода.
Таблица 1
Параметры болометра БКМ-5а.
| Размер приемной площадки, мм | 1±0,1 х 1±0,1 |
| Максимальное значение регистрируемой мощности излучения, Вт, не более | 0,15 |
| Общее напряжение на болометре при t°=35°C, В, не более | |
| Вольтовая интегральная чувствительность к потоку излучения при частоте модуляции потока излучения 10 Гц, В/Вт, не менее | |
| Порог чувствительности, Вт, не более | 5·10 -9 |
| Постоянная времени, мс, не более | |
| Значение пикового напряжения каждого элемента при температуре 35 СС, В, не менее | |
| Сопротивление изоляции между соединенными вместе выводами и корпусом болометра, Ом, не менее | 1011 |
Маркировка выводов болометра: активный элемент — синего цвета, компенсационный элемент — желтого цвета, средняя точка — белого цвета.
Схема включения болометра приведена на рис. 10.
Рис. 10. Схема включения болометра БКМ-5а
В диапазоне длин волн 8-8,5 мкм у данного болометра наблюдается довольно заметное изменение чувствительности, это так же необходимо учесть в коэффициенте k. Данный болометр был выбран из-за его конструкции, а так же малой инерционности.
Выбор усилителя
Так как с болометра идет модулированный сигнал, была выбрана схема неинвертирующего усилителя переменного напряжения рис. 11. У выбранного болометра БКМ-5а приведена вольтовая чувствительность при частоте модуляции равной 10 Гц, следовательно, на входе усилителя ставится фильтр, отсекающий частоты ниже 10 Гц. Был выбран усилитель AD741L, характеристики которого приведены в табл.2. Схема усилителя с рассчитанными параметрами представлена на рис. 12.[6]
Рис.11. Принципиальная схема усилителя переменного напряжения [6]
Рис.12. Схема усилителя для болометра БКМ-5а
Таблица 2
Параметры операционных усилителей.[3]
| Тип | В одном корпусе одни ОУа | Настройка нуля | Внешняя коррекция | Мин. коэффициент усиления в | Предельное напряжение питания, В | Потребляемый ток, мА Г | Вход | ||||||||
| Напряжение | Ток | ||||||||||||||
| Сдвиг. мВ | Дрейф, мкВ/°С | Сдвиг, иА | Смещение, иА | ||||||||||||
| мин. | макс. | ТИП | макс. | тип | макс. | ТИП. | макс. | тип. | макс. | ||||||
| 741С* | V | V | — | I | 2,8 | — | — | ||||||||
| ОР-01Е | V | V | — | ||||||||||||
| ОР-02Е2 | V | V | — | I | 0,3 | 0,5 | 0,5 | ||||||||
| 0Р-11Е3 | — | — | 0,3 | 0,5 | |||||||||||
| — | — | 4,5 | — | — | |||||||||||
| AD542L | V | V | — | 1,5 | — | 0,5 | — | 0,002 | — | — | 0,025 | ||||
| AD741L | V | V | —. | 2,8 | 0,2 | 0,5 |
Расчет RC – фильтра приведен ниже.
Нижняя граничная частота для дифференцирующего RC – фильтра определяется по формуле:
[6]
Емкость конденсатора была принята C=0,1мкф. Выразив из формулы для нижней граничной частоты сопротивление, получаем:
.
Коэффициент усиления данного усилителя рассчитывается по формуле:
Из схемы видно, что 
Оценка погрешностей.
С учетом того, что установка работает по методу пропорциональных отклонений, точность измерений на ней относительно не велика. Требуется работа в области линейности световой характеристики болометра БКМ-5а, или же специальный учет нелинейности.
Основную погрешность вносят светофильтры, требующие высокой точности установки, а так же обладающие не лучшими характеристиками. Так же погрешность вносят окна кюветы, в которых могут быть инородные примесь, снижающие коэффициент пропускания. Непостоянство световой характеристики приемника излучения так же вносит свой вклад в погрешность.
Так же погрешность вносит опорная длина волны, выбранная с не очень высокой точностью.
Анализ конструкции.
1. Данная конструкция выигрывает по габаритам и сложности исполнения по сравнению с многолучевым газоанализатором, однако, из-за длины волны, на которой она работает, возникают трудности с подбором источника, приемника, окон кюветы и светофильтров.
2. Однолучевой газоанализатор так же выгоден с точки зрения приемника излучения. Т.к. используется один источник излучения, то несовпадение спектральных характеристик приемников в этой схеме устранено.
3. Из-за того, что работа прибора ведется по методу пропорциональных отклонений, точность измерений может оказаться невелика, если приемник обладает ярко выраженной нелинейностью световой характеристики.
4. Однако, из-за необходимости выделения двух длин волн, могут возникнуть дополнительные погрешности, связанные в первую очередь с неравномерностью спектральной светимости источника излучения. Этот фактор необходимо обязательно учитывать.
5. Для стабильности работы болометра требуется поддерживать стабильную частоту модуляции излучения равную 10 Гц, а так же стабильную температуру 35°С. В противном случае могут возникнуть довольно большие ( до нескольких процентов) погрешности в измерениях, которые с учетом коэффициента усиления могут внести довольно весомый вклад в результат.
6. Схема усилителя, используемая в данном газоанализаторе, не является идеальной, сам ОУ производит шумы, что так же негативно может сказываться на результатах измерений. Однако, за счет модуляции излучения и установленного фильтра нижних частот, рассчитанного под частоту 10 Гц, вероятность сбоев из-за внешних помех сведена к минимуму.
7. Для ознакомительных целей данная схема может применяться, но для серьезных измерений ее применять не стоит.
Список литературы.
1. Быков, А.Д.,Науменко О.В. “Спектры основных примесей атмосферы” Статья. Инстут атмосферной оптики. Томск. 2001г.-31с.
2. Винчелл А. Н., Винчелл Г., Оптические свойства искусственных минералов, пер. с англ. М., 1967 -301с.
3. Источники и приемники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов/Г.Г. Ишанин – СПб.: Политехника, 1991–240с., ил.
4. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники.– М.: Сов. радио, 1978. –400 с., ил.
5. Нагибина И. М. Интерференция и дифракция света: учебное пособие для приборостроительных вузов оптических специальностей. 2-е изд., перераб. И доп. –Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение 1985 г. 332 с., ил.
6. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники в двух томах с доп., пер. с анг под ред. М.В. Гальперина. –М.: Мир 1985 г. 601с., ил.