Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор современных средств и методов измерения температур 11
1.1 Сопоставительная оценка известных методов и средств измерения температуры 13
1.2 Специфика контактных измерений температуры 20
1.3 Физические основы построения ОПТ 23
1.4 Классификация ОПТ 32
1.5 Классификация принципов построения ОПТ 37
1.5.1 Преобразование электромагнитной энергии в аналоговый электрический сигнал 37
1.5.2 Преобразование электромагнитной энергии в цифровой электрический сигнал 39
1.5.3 Построение на базе микроконтроллера 39
1.5.4 Использование оптического волокна для передачи излучения от источника к приемнику 40
1.5.5 Использование эталонного источника излучения, с переменной интенсивностью излучения 41
1.5.6 Использование эталонного источника излучения, с постоянной интенсивностью излучения 43
Выводы по главе 1 45
ГЛАВА 2. Математическая модель оптического преобразователя температуры 46
2.1 Физическая модель ОПТ 46
2.2 Математическая модель ОПТ 47
2.2.1 Распространение электромагнитных волн в веществе 47
2.2.2 Геометрические параметры ОПТ 54
2.2.3 Движение электромагнитной волны в оптической системе ОПТ 57
2.2.4 Ослабление оптического излучения в атмосфере и волоконном световоде 61
2.2.4.1 Оптические потери в атмосфере 61
2.2.4.2 Оптические потери в волоконном световоде 64
2.3 Обоснование выбора эффективной длины волны 70
2.4 Чувствительность ОПТ 71
2.5 Оптическое разрешение ОПТ 72
Выводы по главе 2 75
ГЛАВА 3. Исследование погрешностей опт 77
3.1. Точность ОБИУТ и методы ее нормирования 77
3.2 Классификация погрешностей ОПТ 78
3.3 Методические источники основной погрешности ОПТ 84
3.3.1 Влияние спектрального коэффициента излучения объекта 84
3.3.2 Влияние поглощения и пропускания атмосферы, элементов оптической системы и СВ 87
3.3.3 Влияние сторонних источников излучения 89
3.4 Инструментальные источники основной погрешности 91
3.4.1 Погрешность градуировочных средств 91
3.4.2 Нестабильность коэффициента передачи схемы 93
3.5 Внутренние источники дополнительной погрешности ОПТ 97
3.5.1 Питание от источников вторичного электропитания 97
3.5.2 Питание измерительной цепи от автономного источника 97
3.6 Внешние источники дополнительной погрешности ОПТ 98
3.6.1 Погрешность фотоприемника, вызванная изменением
температуры окружающей среды 98
3.6.2 Влияние внешнего электромагнитного поля 101
Выводы по главе 3 103
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование, основы проектирования, новые конструкции опт 105
4.1. Описание экспериментальной установки, анализ структурных элементов 105
4.2 Методика проведения эксперимента, обработка результатов 114
4.3 Основы проектирования ОПТ 121
4.4 Новые конструкции ОПТ 123
Выводы по главе 4 128
Заключение 129
Список литературы
- Физические основы построения ОПТ
- Распространение электромагнитных волн в веществе
- Влияние спектрального коэффициента излучения объекта
- Методика проведения эксперимента, обработка результатов
Введение к работе
Актуальность темы. Возросшие требования к качеству управления технологическими процессами и объектами в различных отраслях промышленности диктуют необходимость широкого внедрения информационно-измерительных систем (ИИС), в которых информация о контролируемых физических величинах получается с помощью первичных измерительных преобразователей.
При этом наиболее широко используемой физической величиной является температура, измерение и контроль которой сейчас необходим в энергетике, металлургии, стекольной, нефтехимической промышленностях и др.
К тому же в настоящее время возникает потребность в точных измерениях высоких температур до 3000 К.
В современной практике для измерения температуры используется множество измерительных преобразователей и устройств, основанных на различных принципах действия. Однако они не отвечают в полной мере возросшим требованиям к устройствам измерения температуры в отношении точности, надежности, быстродействия. Вместе с тем во многих практических случаях требуется дистанционное измерение температуры. Вот почему сейчас широко используются оптические преобразователи температуры (ОПТ), основанные на законах теплового излучения. Они обладают высокой точностью измерения, надежностью, отсутствием контакта с объектом измерения, возможностью измерения температуры движущихся объектов и т.д.
Вопросам теории, расчета и конструирования оптических преобразователей температуры посвящены труды отечественных и зарубежных ученых Афанасьева А.В., Гордова А.Н., Поскачея А.А., Саяпиной В.И., Света Д.Я., Якушенкова Ю.Г., Госсорга Ж., Линевега Ф., Bendada А., Сорра P., Kimura М., Sabel Т., Shimizu М., Sun Х.В., William J. и других.
Однако в этих работах не в полной мере приведены исследования, включающие принципы построения, математическое моделирование, основные и метрологические характеристики, методику проведения экспериментов и разработку основ проектирования.
А эти исследования необходимы для создания ОПТ с улучшенными характеристиками. Вот почему тема данной диссертационной работы, посвященной разработке ОПТ с улучшенными характеристиками, является актуальной научно-технической задачей, так как повышение эффективности ОПТ позволяет улучшить качество функционирования и технико-экономические показатели информационно-измерительных систем (ИИС), в которых они используются.
Основание для выполнения работы. Исследования в рамках диссертационной работы проводились в соответствии с:
1.Планами НИР Уфимской государственной академии экономики и сервиса на 2004-2007 г.г.
2.Проектом «UM JEP - 26108 - 2005 Network for universities and enterprises cooperation (NEUC)» по программе Европейского союза «ТЕМПУС-ТАСИС» (2006г.).
3.Проектом «UM JEP - 27083 - 2006 Network of centers for training of innovative project management (NCTIPM)» по программе Европейского союза «ТЕМПУС-ТАСИС» (2007г.).
Цель диссертации. Создание и исследование оптического преобразователя температуры с улучшенными характеристиками (высокая точность, чувствительность, оптическое разрешение) для использования в информационно-измерительных системах контроля температуры объектов.
Основные задачи, которые потребовалось решить для достижения поставленной цели:
1.Провести сопоставительный анализ известных методов и средств измерения температуры. Разработать принципы построения ОПТ и провести анализ их использования в ИИС контроля температуры объектов.
2.Разработать математическую модель, выявить методы увеличения величины мощности светового потока на выходе волоконного световода (СВ).
3.Выявить и исследовать основные характеристики ОПТ.
4.Исследовать источники погрешностей ОПТ.
5.Создать ОПТ в лабораторных условиях, провести его экспериментальное исследование, обработку результатов эксперимента и разработать основы проектирования.
Методы исследований. Представленные в диссертационной работе научные положения обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением волновой, квантовой теорий света, геометрической оптики, законов теплового излучения. При выполнении исследований широко использовались программные пакеты Microsoft Office, Sigma Plot, Компас, MathCAD и др.
Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях на этапах разработки. Исследования проводились на кафедре «Машины, аппараты, приборы и технологии сервиса» Уфимской государственной академии экономики и сервиса.
На защиту выносятся:
1.Систематизация принципов построения ОПТ.
2.Конструкция ОПТ и его математическая модель.
3.Результаты исследования основных характеристик ОПТ.
4.Результаты экспериментальных исследований и основы проектирования ОПТ с применением СВ.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:
1 .Систематизированы принципы построения ОПТ и дан их анализ, позволяющий создавать устройства с заданными свойствами и качеством.
2.Разработана математическая модель ОПТ - зависимость мощности оптического излучения на выходе СВ от температуры объекта измерения,
9 ослабляющих свойств атмосферы, материала и типа СВ, параметров приемной оптической системы, позволяющая выявить и исследовать основные характеристики устройства.
З.На основании исследования основных характеристик выявлено влияние на них параметров ОПТ и предложены способы их улучшения.
4.Разработаны основы проектирования ОПТ с применением СВ, позволяющие создавать устройства с улучшенными характеристиками.
Практическая значимость и внедрение результатов работы.
1.Разработаны принципы построения ОПТ, используемые при создании оптических преобразователей температуры для ИИС контроля объектов.
2.Моделирование и исследование математической модели ОПТ позволило выявить способы улучшения основных характеристик.
3.Предложены оригинальные конструкции ОПТ, имеющие повышенную точность, надежность и помехоустойчивость.
4.Разработаны основы проектирования ОПТ с применением СВ.
В результате исследований получены патенты на полезные модели «Информационно-измерительное устройство температурной диагностики контролируемых объектов» № 60210 от 25.09.2006г. и «Устройство для дистанционного измерения температуры объектов» № 62700 от 07.11.2006г.
Основные результаты диссертационной работы в виде сравнительного анализа существующих средств измерения температуры, принципов построения ОПТ, основных характеристик, характеристик погрешностей и основ проектирования внедрены на ОАО «Конструкторское бюро электроизделий XXI века» (г. Сарапул).
Принципы построения и основы проектирования ОПТ внедрены в учебный процесс при чтении лекций, курсовом и дипломном проектировании в Уфимской государственной академии экономики и сервиса.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на II - ой Международной научно - технической конференции «Инновации и
10 перспективы сервиса» (г. Уфа, 2005 год); III - ей Международной научно -технической конференции «Инновации и перспективы сервиса» (г. Уфа, 2006 год); Всероссийской научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности» (г. Астрахань, 2007 год). Работа отмечена дипломом 1 - ой степени в конкурсе на лучшую работу студентов и аспирантов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в Уфимской государственной академии экономики и сервиса в секции «Механика и технология сервиса» (г. Уфа, 2007 год).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 патента на полезную модель и 2 статьи в ведущих научных журналах, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 150 наименований и приложения. Основная часть диссертации изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков и 14 таблиц.
Физические основы построения ОПТ
Каждое тело испускает в окружающее пространство электромагнитные волны различной длины X или частоты v (число колебаний в секунду). Произведение частоты на длины волны {X-v=c) характеризует скорость распространения электромагнитных волн. В вакууме она составляет о 2,997925-10 м/с или около 300 тыс. км/с/. Волновое число со определяется как 1/1 [17,52,117].
Электромагнитное излучение, возбуждаемое тепловым движением в твердых материалах, жидкостях, газах или плазмах, называют тепловым излучением. Оно возникает при температурах до 4000 С преимущественно в результате колебаний атомов в пространственной решетке твердых тел или в результате колебательных или вращательных движений молекул газа. При более высоких температурах излучение вызывается процессами диссоциации и ионизации.
Если излучение какого-либо тела падает на другое непрозрачное для этого излучения оптически толстое тело, то оно поглощается на поверхности и превращается в тепловое движение. Если излучение проникает в тело и полностью в нем поглощается, то глубину проникновения (оптическую) рассчитывают по закону Бугера-Ламберта-Бера из натуральной экстинкции Е (произведение модуля экстинкции М на толщину слоя 1). Из этой глубины подобных оптически толстых излучателей возбужденное в них излучение выходит наружу. Излучение, не проникающее через него, направляется обратно в пространство, т.е. отражается.
Отношения поглощенного, пропущенного и отраженного потока излучения к падающему на тело потоку называются коэффициентом поглощения а=Фг/Ф, коэффициентом пропускания т=Фпр/Ф, и коэффициентом отраженияр= Ф0JФ соответственно.
Для монохроматического излучения эти величины называются соответственно спектральным коэффициентом поглощения а(Х)=Фха/Фх и т.д. Они являются функциями длины волны и зависят от материала тела, от состояния его поверхности и от его температуры. Между указанными величинами существует следующая зависимость р + а + т= 1 тър(к) + а(Х) + т(Х) = 1. (1.1)
Тело, поглощающее все падающее на него излучение, имеет коэффициент поглощения, равный единице, и называется абсолютно черным телом или абсолютно черным излучателем. Хотя абсолютно черного излучателя как такового не бывает, им может с любым приближением служить закрытая со всех сторон полость, стенка которой не пропускает излучения; отверстие в стенке должно быть таким малым, чтобы его площадь по сравнению с площадью внутренней поверхности полости была пренебрежимо мала (рис. 1.4) [18,102].
Если полость имеет температуру Т, то от испускаемой точки А излучения L отражается доля p-L, где р - коэффициент отражения внутренней поверхности стенки. Из точки В в этом случае исходит излучение L(l+p), падающее на точку С. От этой точки отражается доля излучения L[(l+p)p], так что суммарно от нее исходит излучение L(l+p+p2). Поскольку очень велика вероятность, что излучение выйдет через отверстие О лишь после многократного отражения. То выходящую энергетическую яркость (лучистость) можно записать следующим образом L(l+p+p2+...+pn)=L/(l-p)=L/a.
Отклонение коэффициента поглощения от единицы рассчитывают для полости диаметром Д в стенке которой имеется отверстие диаметром d, по формуле l-a=(p/4)(d/D)2. уменьшая отношение d/D и коэффициент отражения р внутренней поверхности стенки полости можно сделать сколь угодно близким к единице.
По закону Кирхгофа, который можно вывести из первого и второго законов термодинамики для энергообмена излучением, отношение спектральной энергетической яркости любого теплового излучателя Lx при длине волны X и температуре Т к его коэффициенту поглощения а(Х) равно спектральной энергетической яркости абсолютно черного излучателя L при той же температуре и длине волны h=a(X)Lh. (1.2) Поскольку а(Х)=\ верно лишь для абсолютно черного излучателя, то на основе уравнения (1.2) наибольшей будет спектральная энергетическая яркость абсолютно черного тела, достигаемая при длине волны Я и температуре Г независимо от других его свойств.
Распространение электромагнитных волн в веществе
Распространение волны оптического излучения в материальной среде сопровождается в общем случае изменением характеристик волны и среды. В частности, можно наблюдать изменение амплитуды колебаний из-за поглощения или излучения среды, расщепление волны двоякопреломляющей средой, изменение направления распространения волны из-за рассеивающих или преломляющих свойств среды [40].
В приближении классической волновой оптики свет представляет собой электромагнитные волны (колебания), распространяющиеся в вакууме с постоянной и наибольшей известной скоростью с = 299792 ± 0,5 км/с. Волновая оптика базируется на уравнениях классической электродинамики, основу которой составляют уравнения Максвелла. Электромагнитные волны описываются уравнениями, которые характеризуют одновременное распространение векторов электрического Е и магнитной Н полей в среде, определяемое следующими параметрами: диэлектрической постоянной s, магнитной проницаемостью //, электрической проводимостью у, плотностью р свободных электрических зарядов в рассматриваемой точке, гоґЕ = -//(дН/дО, - ediv Е =р, го/Н=е(аЕ/Э/) + /Е, (2.1) (2.2) (2.3) где параметры выражены в следующих единицах: є, Кл2-с2/м3-кг; Е, м-кг/с-Кл, или В/м; /и, м-кг/Кл2; Я, Кл/м-с, или А/м; /?, Кл/м3; у, с3-А2/м3-кг, или 1/Ом-м [19,40].
Если среда, в которой распространяется излучение, является изолятором (диэлектриком), ее проводимость у очень мала (практически равна нулю) и тогда из формулы (2.9) получим пг=єілс\ К2«0.
В вакууме из формулы (2.10) имеем G0JU0C2=\. Здесь є0 -диэлектрическая постоянная в вакууме; щ = 4л-10"7 Г/м - магнитная проницаемость в вакууме, откуда п2 = s/i/eQju0. Часто// очень мало отличаетсяцо, что позволяет написать пК = уІ2соєй и п1 = є/є0.
Если среда проводящая, у велика. В инфракрасной области длины волн X большие и круговая частота со=2пс/Х соответственно мала. Разность п2-К2 остается постоянной, тогда как произведение пК растет, отсюда имеем п1« К1 =y/jc21JU0). Амплитуда колебаний вектора напряженности электрического поля, которая представляет оптические колебания, запишется в виде Е =aexpja (t-nz)exp(-(oKz/c). (2.10) Показатель преломления п влияет на фазу волны, распространяющуюся со скоростью v c/n. Показатель ослабления К влияет на амплитуду волны по экспоненциальному закону (рис. 2.4). Распространение электромагнитной энергии в пространстве характеризуется вектором Пойнтинга S [19,40,43,101] S=[E-H]. (2.11)
Его направление совпадает с направлением распространения энергии излучения, а абсолютное значение в единицах Вт/м равно количеству энергии, переносимой электромагнитной волной в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярно направлению вектора S.
Все известные приемники оптического излучения реагируют не на электрическое или магнитное поле волны, а на плотность светового потока, усредненную за время наблюдения. Интенсивность / электромагнитной волны (света) есть величина, численно равная энергии, переносимой волной за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны, т.е. она определяется модулем вектора Пойнтинга (2.11).
Для плоской линейно поляризованной монохроматической волны по формуле (2.6) имеем 1 Е20. Выразим интенсивность излучения распространяющейся волны I E2=a2 exp(-2a Kz / с) = a2 exp(-az) = 10 ехр(- со), (2.12) где а=2соК/с=(4п/Х)К - коэффициент ослабления.
Следовательно, среда тем прозрачнее, чем меньше а, т.е. чем меньше К. Таким образом, комплексный показатель преломления N=n-jK характеризует все оптические свойства среды. Амплитуда электромагнитной волны будет ослабляться в е раз на расстоянии z0=XJ4izK. Рассмотрим механизм передачи электромагнитной энергии от источника излучения к волоконному световоду с использованием фокусирующей линзы.
Для излучающей поверхности As распределение интенсивности излучения можно записать [13,14,25] /= \Bcos6dS, А, где В - яркость источника; в - угол между нормалью и элементом dS. Для большинства источников значение В можно приблизительно вычислить по формуле B{9)=Bocos% (2.13) где п \. Рис. 2.5. Геометрическая зависимость между излучающей и принимающей поверхностями
Передачу энергии от излучающей поверхности As к принимающей поверхности Аг, как это показано на рис.2.5, можно рассчитать, взяв двойной интеграл по поверхности
Влияние спектрального коэффициента излучения объекта
При экспериментальном определении погрешностей легче всего определить приведенные погрешности в начале и в конце диапазона преобразования преобразователя. Поэтому ГОСТ 8.401 - 80 «Классы точности. Средства измерения» и ГОСТ 8.009 - 84 «Нормируемые метрологические характеристики средств измерения» на нормирование погрешностей допускает введение в двучленную формулу приведенных погрешностей у0 и /тах в начале и в конце диапазона преобразования [23] ч х Ат) = Г«ш +Го I max і х \ (3.8) max і V /
Автором произведена классификация погрешностей ОПТ (рис. 3.1) с целью их уменьшения и повышения точности измерения. Вопросу анализа источников погрешностей ОПТ посвящен ряд работ [8,17,18,32,33,52,53]. Однако в данных работах рассматриваются лишь отдельные составляющие погрешностей и нет полного учета всех их источников.
Проанализируем источники погрешностей оптических преобразователей температуры и предложим способы уменьшения их влияния.
К методическим источникам основной погрешности ОПТ относятся: влияние спектрального коэффициента излучения объекта ед, влияние поглощения атмосферы, влияние сторонних источников излучения.
Источником данной погрешности является то, что излучение реальных, нечерных тел зависит не только от температуры и длины волны, но и от их оптических свойств [18,36,142].
Для монохроматических ОПТ эта погрешность At может быть найдена из выражения (1.13). Это выражение указывает на зависимость методической погрешности от длины волны излучения, воспринимаемого ОПТ, и спектрального коэффициента излучения объекта для этой длины волны, причем эта погрешность прямо пропорциональна Я и обратно пропорциональна ед. При этом считаем, что температура объекта выше температуры окружающей среды Т Тох_.
Погрешность определения действительной температуры Т нечерного тела путем измерения его яркостной температуры Тя обусловлена, погрешностью измерения коэффициента черноты излучения ЕХ тела. Связь между величинами этих погрешностей описывается выражением ДТ=АТ2 , (3 9) где С2 = 1,44-10"2 м-К - вторая константа излучения.
С помощью формулы (3.9) можно рассчитать погрешность AT, которая возникнет в значении действительной температуры, если монохроматический коэффициент черноты излучения объекта известен с некоторой относительной погрешностью АБ/Е. ДЛЯ различных яркостных температур Тя значения неопределенности АТ поправки, вычисленной с помощью формулы (1.14), при относительной ошибке АЕ/Е = ± 0,1 даны в табл. 3.1
Разработанный ОПТ предназначен для измерения температур в диапазоне от 1500 до 3000 К. Максимумы спектрального распределения мощности потока излучения для указанных температур в соответствии с законом смещения Вина соответственно равны Хмакс.і = 2898/1500 = 1,93 мкм, Ішкс 2 = 2898/3000 =0,97 мкм.
Поэтому для минимизации погрешности, связанной с погрешностью измерения коэффициента черноты излучения %, тела, как видно из рис. 3.2 необходимо проводить измерения в области наиболее коротких длин волн. Конкретно для разработанного ОПТ длина волны с наименьшей погрешностью измерения равна Я = 1 мкм.
Подробные данные о коэффициентах излучения различных материалов приведены в работах [36]. Для материалов с очень высокими отражательными свойствами никакие измерения с помощью ОПТ невозможны, поскольку собственное излучение таких материалов практически равно нулю.
Погрешность ОПТ, вызванная поглощением в среде и пропусканием излучения элементами системы ОПТ при известной интенсивности поглощения и коэффициенте пропускания оптической системы может быть определена следующим образом. Интенсивность излучения, измеренная ОПТ, 1иы=1{\-а)-Хсис, (ЗЛО) где а - коэффициент поглощения среды и элементов оптической системы, Хсис - коэффициент пропускания системы ОПТ, или h,«=l"C Xcuc. (ЗЛІ)
Подставляя в эти формулы вместо интенсивности излучения тела / ее значение по формуле Вина, получим выражение для погрешности ОПТ, вызванной поглощением излучения в промежуточной среде и в оптической системе с учетом коэффициента пропускания элементов оптической системы ОПТ,
В условиях производства из-за запыленности и задымленности помещения, где расположен объект измерения температуры, а также наличия поглощающих газов (НгО, С02, СО т.д.), коэффициент поглощения промежуточной среды не постоянен, что приводит к возрастанию погрешности измерения. Поглощение непрерывно изменяется, так как концентрация пыли, дыма или поглощающих газов не остается постоянной, поэтому введение поправок обычно не достигает цели.
Для практически полного устранения влияния пыли и дыма необходимо применить, отдув сжатым воздухом. Для исключения влияния поглощения газов атмосферы, необходимо при проведении измерений выбрать спектральную область вне полос поглощения Н2О, СО2, СО [115].
В разработанной схеме датчика используется интерференционный фильтр с эффективной длиной пропускания 1 мкм. По данным [34,105] коэффициент поглощения атмосферы на трассе длиной 1 км составляет г -0,75. Диапазон рабочих расстояний датчика составляет от 1 до 15 метров, поэтому влиянием поглощения атмосферы можно пренебречь.
На рис. 3.3 представлена зависимость погрешности измерений построенная с использованием выражения (3.12) при различных длинах волн излучения, температурах и известных коэффициентах поглощения г и пропускания Хсж атмосферы и оптической системы ОПТ.
Методика проведения эксперимента, обработка результатов
Использование именно этого фотодиода объясняется тем, что он обеспечивает наибольшую по сравнению с другими приемниками чувствительностью в спектре излучения с длиной волны к = 1 мкм при комнатной температуре. Известно, что с повышением температуры объекта излучения максимум кривой распределения энергии излучения по спектру смещается в сторону коротких длин волн. ОПТ разработан для измерения высоких температур от 1500 до 3000 К, поэтому был выбран спектр излучения, охватывающий большую часть энергии, излучаемой источником при этих температурах.
Для ОПТ характерна работа без модуляции интенсивности излучения в условиях, изменяющихся фоновых засветок [7,101]. В этих условиях от фотодиода требуется выполнение противоречивых требований [1,28]: 1. для достижения максимальной чувствительности необходимо поддерживать на фотодиоде (р - п переходе) постоянное, близкое к нулю, напряжение смещения. Это обеспечит минимизацию шумов и линейность характеристик преобразования [1, 36, 45, 46, 72, 113, 117]; 2. для повышения быстродействия фотоприемного устройства в целом сопротивление нагрузки фотодиода должно быть достаточно мало. Это обеспечивает минимальное значение постоянной времени фотодиода тфд=ЯнхСфд, где RH - сопротивление нагрузки фотодиода; Сфд - емкость фотодиода (для фотодиодного режима, когда р - п переход заперт смещающим напряжением, - это барьерная емкость р - п перехода; для генераторного режима - это диффузионная емкость р - п перехода) [1, 28, 113,117]; 3. для минимизации шумового вклада сопротивления нагрузки, оно должно быть достаточно большим [1, 26, 27, 28, 117].
Использование в качестве предусилителя фотоприемного устройства операционного усилителя в инвертирующем включении с использованием отрицательной обратной связи по напряжению полностью удовлетворяет этим требованиям [7,26,41,42].
Кроме стабилизации параметров самого операционного усилителя (работа с нулевыми синфазными сигналами и, как следствие, высокая температурная и временная стабильность, меньший уровень собственных шумов, повышенная линейность характеристик преобразования) [26], это обеспечивает близкие к оптимальным режимы работы фотодиода при максимальной обнаружительной способности в условиях, изменяющихся в достаточно широких пределах фоновых нагрузок [39,149].
Типовая эквивалентная схема замещения пары фотодиод -операционный усилитель приведена на рис. 4.5 [7,39]: 1С - ток фотодиода (как генератора тока), возникающий при освещении фотоприемной площадки фотодиода; 1Ш - генератор шумового тока фотодиода; Есм -напряжение обратного смещения фотодиода для фотодиодного режима работы (для фотовольтаического режима Есм = 0 или имеет обратную полярность); Rd - внутреннее (выходное) сопротивление фотодиода; Rex -эквивалентное входное сопротивление операционного усилителя; Еу - ЭДС шумов операционного усилителя; 1У - ток смещения операционного усилителя (А1вх); Roc- сопротивление обратной связи операционного усилителя; генератор шумового тока резистора обратной связи; Ro.c. +Unwr. и -UnHr - источники питания операционного усилителя (ОУ).
При проведении эксперимента температура излучателя модели АЧТ изменяется в диапазоне от 1500 до 2700 К с шагом 75 К. Оптический блок находится на расстоянии L = 3 м от излучающей полости АЧТ. При проведении эксперимента необходимо учитывать то, что ОПТ измеряет интегральную температуру, характеризующую всю площадь зоны контроля, поэтому необходимо, чтобы диаметр площади контроля был меньше диаметра площади излучающей полости АЧТ. При расстоянии L диаметр площади измерения составляет ds = 9,4 мм, а диаметр излучающей полости АЧТ составляет 16 мм, что соответствует необходимому условию.
Тепловое излучение преобразуется фотодиодом в ток пропорциональный температуре излучающей полости модели АЧТ, нагрузкой является схема преобразователя ток - напряжение (ПТН) на базе операционного усилителя 140УД26А, выходным сигналом которого является напряжение, регистрируемое прецизионным вольтметром Fluke 45.
В работе были проведены прямые измерения с многократными наблюдениями [22] с последующей обработкой результатов измерений. С учетом выражения (2.47) напряжение на выходе операционного усилителя можно определить по формуле, ті2 =\?ГХЖ -r-{NA)2- С,Я-5/[ехр(С2/ЯГ)-1].ДЛ.5Л].ЛвА (4.1) где Rac. - сопротивление обратной связи операционного усилителя.
В таблице 4.5 даны результаты экспериментальных исследований выходной характеристики ОПТ. В семнадцати точках диапазона преобразования было проведено по десять наблюдений. Их обработка была произведена на ПЭВМ типа IBM PC в соответствии с ГОСТ 8.207-76 «Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений».
На рис. 4.7 приведены экспериментальная / и расчетная 2 зависимости ивых=/(т). Анализ экспериментальных данных подтверждает правильность теоретических положений. Максимальная погрешность между экспериментальными и расчетными данными в диапазоне от 1500 до 2700 К составила 9 %.
