УДК 543.082.08

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ИЗЛУЧАТЕЛЯ НА 
ХАРАКТЕРИСТИКИ   ИНФРАКРАСНОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА

Максименко Ю.Н. , АТ "Украналит", г. Киев, Украина

Исследовано влияния изменения температуры излучателя на характеристики инфракрасного  газоанализатора.

Вступление

В инфракрасных (ИК) газоанализаторах (ГА) [1,2], в частности многокомпонентных ИК газоанализаторах [3], в качестве источника широкополосного ИК излучения используют нагретую до 600-800°С проволоку, изготовленную из вольфрама или нихрома.

Интенсивность излучения (А₀) такого излучателя пропорциональна четвертой степени его температуры: 

~ ,

где Т0 – абсолютная температура излучателя; σ - постоянная Больцмана.

Изменение температуры излучателя приводит к изменению его интенсивности, что может оказывать существенное влияние на характеристики ИК ГА.

Влияние изменения температуры окружающей среды на характеристики  ИК ГА

При изменении температуры излучателя на величину ∆Τ за счет изменения температуры окружающей среды, его интенсивность излучения также изменится:                         ~

Относительное изменение интенсивности излучения будет равно:

При малых изменениях температуры излучателя (∆Τ<<Τ0) можно ограничиться первым значащим членом, т.е.:

                                                       (1)

Таким образом, при указанных выше ограничениях, считая при этом, что малые изменения температуры не изменяют форму спектра излучения излучателя, а изменяют только его амплитуду, получаем следующее: изменение температуры излучателя на величину ∆Τ изменяет интенсивность излучения и, следовательно, величину полезного сигнала в 4∆Τ⁄Τ раз. Т.е., при реальных условиях в многокомпонентных ИК газоанализаторах на каждые 10ºC величина полезного сигнала изменяется на 4%.

Влияние изменения параметров питания излучателя на характеристики ИК ГА

Рассмотрим теперь влияние степени стабилизации интенсивности излучения на характеристики газоанализатора.

Подводимая к излучателю мощность равна:    ,

где U0 - стабилизированное напряжение на излучателе;

R0  -  сопротивление излучателя.

При изменении напряжения на излучателе на величину ∆U подводимая мощность будет:                                

Относительное изменение подводимой мощности к излучателю при изменении напряжения питания равно:

Ограничившись первым значащим членом получим:

                                                     (2)

Следует отметить, что при изменении тока через излучатель на величину ∆J (стабилизатор тока) зависимость  имеет аналогичный вид.

Из (1) и (2) получаем, что максимально возможное изменение температуры излучателя, за счет погрешности стабилизатора напряжения питания излучателя, равно:                          

Величина ∆U⁄U0 является характеристикой стабилизаторов напряжения и нормируется для каждого стабилизатора. Для применяемых стабилизаторов напряжения 142ЕН5 нестабильность по напряжению менее 0,05 %⁄В  [4] и тогда имеем: ∆Τ≈0,3ºC, т.е. при изменении напряжения питания излучателя во всем его диапазоне  температура излучателя может измениться не более, чем на 0,3ºC что соответствует изменению полезного сигнала на 0,1 %.

Влияние изменения сопротивления излучателя на характеристики ИК ГА

Рассмотрим дополнительное влияние изменения температуры излучателя при изменении температуры окружающей среды за счет изменения величины его сопротивления, считая что . При этом возможны два варианта питания излучателя:  а) стабилизация напряжения на излучателе;  б) стабилизация тока через излучатель.

а) Стабилизация напряжения на излучателе.

Подводимая к излучателю мощность описывается выражением:

,

где α - температурный коэффициент сопротивления материала излучателя.

При изменении температуры окружающей среды на величину ∆Τ оно добавится к температуре излучателя Т0.  Тогда подводимая к излучателю мощность будет  ,

Относительное изменение мощности: 

График зависимости  приведен на рис. 1а.

б) Стабилизация тока излучателя.

Подводимая к излучателю мощность описывается выражением:

,

          а при изменении температуры на величину ∆Τ: 

Тогда, относительное изменение мощности: 

           График  приведен на рис. 1б.

а – при стабилизации напряжения  излучателя; б – при стабилизация тока излучателя 

Рисунок 1 – График зависимости

Анализ зависимостей  при ∆Τ > 0 показывает, что:

-         с ростом ∆Т при стабилизации напряжения излучателя подводимая к излучателю мощность монотонно уменьшается, а при стабилизации тока возрастает;

-         при стабилизации напряжения скорость изменения мощности, подводимой к излучателю, меньше, чем при стабилизации тока излучателя;

-         численные оценки  дают очень слабую зависимость: в обоих случаях при изменении температуры на 10ºС подводимая мощность к излучателю изменяется примерно на 0,1 %.

Выводы

Изменение температуры излучателя влияет на характеристики ИК газоанализатора по различным механизмам:

1)   за счет изменения температуры окружающей среды;

2)   за счет изменения степени стабилизации напряжения (тока) питания излучателя;

3)   за счет изменения величины сопротивления излучателя при изменении его температуры.

Второй и третий механизмы оказывают слабое влияние на характеристики выходного сигнала газоанализатора (≈ 0.1%), а первый  -  4% на каждые 10ºС изменения температуры окружающей среды.

Литература

1.      Ваня Я. Анализаторы газов и жидкостей. – М., Энергия, 1970, 552с.

2.      Дашковский А.А., Колотуша С.С., Коробейник А.В., Максименко Ю.Н. Инфракрасные абсорбционные газоанализаторы. – Приборы, средства автоматизации и системы управления. ТС – 4,  вып. 1, «Аналитические приборы и приборы для научных исследований», М., Информприбор.- 1990. - 64с.

3.      Максименко Ю.Н. Многокомпонентный газоанализатор для контроля выбросов ТЭС //Энергетика и электрофикация, Киев, 1992.- вып.4.- С. 37-38.

4.      Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Т.1, -М., КубК-а. – 1997. – 512 с.    

Надійшла до редакції 5 листопада 2004 року