В настоящее время наибольшее распространение получили измерители радиационных световых (тепловых) потоков выполненные на основе фотодиодов. Однако, они имеют следующие основные недостатки: нелинейность амплитудно-частотных характеристик, зависимость чувствительности от окружающей температуры, «старение». Существуют также датчики состоящие из двух групп тонкопленочных термопар, включенных дифференциально [1]. Одна группа размещена на тонкой подложке и покрыта «чернью» для более полного поглощения измеряемого радиационного потока, поступающего через окошко, закрытое сапфировым или германиевым светофильтром. Другая группа термопар включена электрически встречно первой и присоединена к металлическому теплоотводу, практически обеспечивающему постоянство температуры этой группы термопар. В отличие от фотодиодов, такие датчики обладают линейными амплитудно-частотными характеристиками и высокой температурной и временной стабильностью. Аналогичную структуру первичного преобразователя имеют дифференциальные калориметры [2].
Описание прибора
Ранее было предложено [3, 4] устройство автоматической компенсации измеряемого теплового потока подобного калориметра тепловым потоком противоположной полярности, который вырабатывается за счет эффекта Пельтье. Структурная схема устройства приведена на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема компенсационного калориметра типа Кальве
На рис. 1 условно изображены: 1 – дифференциальный калориметр, 2 – вибропреобразователь, 3 – усилитель, 4 – генератор импульсов.
Как правило, первичный преобразователь (калориметр) представляется апериодическим звеном первого порядка W(t) [4]. Полоса пропускания усилителя 3 и частота переключений модулятора 2 выбраны такими, что их можно считать безынерционными элементами по сравнению с W(t). В микрокалориметре ДАК-1 [4] постоянная времени равна Т ≈ 150 сек. Частота модулятора (механический вибропреобразователь) равнялась 60 Гц. Испытания калориметра в компенсационном режиме показали уменьшение постоянной времени до ≈ 65 с. С одной стороны, была показана эффективность указанного режима, с другой – сравнительное незначительное увеличение быстродействия. Нами объяснялось это инерционностью калориметрической ячейки, а также наличием между ячейкой и термопарами электроизоляционных прокладок состоящих из оксидированных тонких алюминиевых пластин, что создавало дополнительное термическое сопротивление. Другим положительным свойством компенсационного режима в калориметре типа Кальве является слабая зависимость чувствительности от температуры термостатирования (в нашем случае, в диапазоне 20÷400 °С). Поэтому не требовалась калибровка калориметра на каждой заданной температуре. Особенно, подобный режим полезен в сканирующей калориметрии, когда, например, измеряется количество теплоты и температура при фазовых переходах исследуемых веществ.
Для использования подобного компенсационного режима с малоинерционными датчиками радиационного теплового (светового) потока необходим более высокочастотный модулятор (полоса пропускания усилителя обычно не является ограничивающим фактором). В настоящее время используются схемы ключевых устройств на полевых транзисторах, работающие без заметных искажений на частотах в единицы-десятки килогерц.
На рис. 2 приведена схема компенсационного измерителя радиационных потоков, которая испытывалась в работе с датчиками [1]. Импульсы излучения в видимой и в инфракрасной области генерировались подачей токового импульса на светодиоды АЛ307Б или АЛ107А.
Рис. 2. Принципиальная схема измерителя световой и тепловой радиации
Схема разработана на основе М-ДМ усилителя [5], но отличается от последнего наличием импульсной токовой обратной связью в элемент Пельтье. Таким образом, прибор совмещает измерительную и компенсационную функции.
Ключевое устройство КП305Е управляется генератором импульсов DD1 таким образом, что в один из полупериодов меандра на усилитель подается измеряемый сигнал с датчика, в другой полупериод на датчик с выхода усилителя подается ток і (за счет последовательно включенного резистора), который вырабатывает в спаях термопар тепловой поток эффекта Пельтье. Поскольку измерительная и компенсационная термобатареи включены между собой встречно, измеряемый световой (тепловой) поток Р можно записать в виде уравнения:
Р = γ(πі + і²R) – γ(– πі + і²R) = πі, (1)
где γ – скважность управляющих импульсов (в нашем случае γ = ½), π – коэффициент Пельтье, R-сопротивления ветвей дифференциальной термобатареи, которые можно считать практически одинаковыми.
В результате, согласно выражению (1) выделяющиеся на сопротивлениях R ветвей термобатарей тепловые потоки взаимно вычитаются и выражение упрощается: Р = πі [3], т.е. измеряемый радиационный поток линейно связан с выходным током i (и с напряжением) усилителя. Внешний вид прибора приведен на рис. 3.
Рис. 3. Внешний вид прибора
Заключение
Измеряемый и компенсационный тепловые потоки имеют противоположную направленность (нагрев-охлаждение) и взаимно компенсируются, благодаря чему температура датчика остается практически постоянной. Это дает возможность значительно расширить (в сторону увеличения) диапазон измеряемых тепловых потоков в нашем случае ~ в 10 раз. Датчики радиационного светового (теплового) потока РТН-30СМ и РТН-30Г [1] имеют постоянную времени ~ 150 мс. В компенсационном режиме помимо расширения диапазона измеряемых потоков, постоянная времени уменьшается в Кβ раз, где К – коэффициент усиления усилителя, β – коэффициент обратной связи. Так, при максимальной величине тока обратной связи 10 мА, Кβ ≈ 10 и постоянные времени РТН-30С и РТН-30Г снижаются до ~ 15 мс. Включенный в ту же систему компенсации полостной приемник ПП-1 [1], являющийся моделью абсолютно черного тела, показал постоянную времени ~ 6 c при исходной – 60 с. Предложенный для калориметров типа Кальве компенсационный режим измерения тепловых потоков [3] может использоваться и в других приборах, имеющих аналогичный первичный преобразователь.