Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Гибридные волоконно-оптические датчики, состояние разработок и перспективы - 19
1.1 Общие принципы, основная блок-схема гибридного датчика, взаимодействие его основных компонентов - 19
1.2 Современное состояние разработок фотоэлектрических преобразователей монохроматического излучения и монохроматических излучателей - 24 -
1.3 Традиционные датчики - чувствительные элементы ГВОД - 28 -
1.3.1 Датчики давления -29
1.3.2 Датчики температуры - 33
1.3.3 Датчики влажности - 35 -
1.3.4 Датчики тока и напряжения - 37 -
1.3.5 Датчики концентрации взрывоопасных газов - 40 -
1.3.6 Другие типы датчиков - 44 -
ГЛАВА 2. Питание удаленных элементов гибридных оптоэлектронных измерительных систем -46-
2.1 Предельные взрывобезопасные уровни мощности оптического излучения - 46 -
2.2 Многоэлементные фотовольтаические преобразователи на основе кремния - 54 -
2.3 Одноэлементный фотовольтаический преобразователь на основе AlGaAs - 56 -
2.4 Сборка фотовольтаического преобразователя - 62 -
2.5 Повышающие преобразователи напряжения для использования в волоконных устройствах - 68 -
2.6 Электролюминесцентные свойства фотовольтаических преобразователей в ГВОД нового типа и их применение - 71 -
ГЛАВА 3 Энергосберегающие алгоритмы кодирования измерительной информации и их реализация в практических примерах гибридных волоконно-оптических датчиков - 79 -
3.1 Алгоритмы кодирования измерительной информации как методы снижения среднего энергопотребления - 79 -
3.2 Двухканальный датчик температуры ВДГ-2Та - 87 -
3.3 Многофункциональная оптоэлектронная измерительная система для трехфазных сетей переменного тока - 92 -
3.4 Волоконно-оптический датчик углеводородных газов с преобразованием частоты... -101-
3.5 Волоконно-оптический датчик углеводородных газов с преобразователем частоты на основе ИК-светодиода - 105 -
Заключение -110 -
Литература - 111-
Приложения -116-
- Современное состояние разработок фотоэлектрических преобразователей монохроматического излучения и монохроматических излучателей
- Многоэлементные фотовольтаические преобразователи на основе кремния
- Двухканальный датчик температуры ВДГ-2Та
- Волоконно-оптический датчик углеводородных газов с преобразователем частоты на основе ИК-светодиода
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ. Развитие современных технологий требует создания соответствующего метрологического обеспечения. Современные технологии отличаются высокой энергетической насыщенностью, что требует создания измерительных систем, обладающих высокой помехозащищенностью, обеспечивающих гальваническую развязку между точкой измерения и регистрирующим устройством, отличающихся высокой точностью, взрывобезопасностью, и относительно невысокой стоимостью. Многим из этих требований отвечают волоконно-оптические датчики, обеспечивающие как гальваническую развязку, так и высокую помехозащищенность. В то же время волоконно-оптические датчики обладают рядом недостатков, которые сдерживают их широкое внедрение в промышленную практику. К этим недостаткам относятся невысокий уровень стандартизации, унификации этих датчиков и их элементной базы. Для их создания зачастую необходимы специализированные оптические элементы, включая специальные волокна, промышленное производство которых еще не освоено в полной мере, что обуславливает их относительно высокую стоимость. Кроме того, эти элементы часто не отличаются высокими показателями по надежности, это может быть связано, например с проблемами обеспечения их механической прочности. В то же время основные преимущества волоконно-оптических измерительных систем, а именно помехозащищенность и гальваническая развязка, обеспечиваются трактом передачи сигнала, выполненном на основе волоконного световода.
Важнейшей особенностью волоконных световодов является также возможность их использования в качестве помехоустойчивой среды передачи на большие расстояния. Этим обусловлено широкое применение волоконно-оптических кабелей для построения корпоративных сетей связи ряда естественных монополий, таких как ОАО «Газпром» (), ОАО «Российские железные дороги» (), ОАО «Акционерная компания по
-4-транспорту нефти «Транснефть» (), компаний энергетического сектора и ряда других. Эти сети, как правило, имеют наложенный характер, т.е. повторяют по своей топологии структуру технологических сетей предприятия, например первичная сеть технологической связи (ПСТС) ОАО «Газпром» проложена вдоль газопроводов, составляющих систему газоснабжения. Это, с одной стороны, диктует дополнительные требования по взрывобезопасности технологической связи. С другой стороны, проложенные волоконно-оптические каналы связи находятся в непосредственной близости от технологических объектов, что облегчает задачу построения систем мониторинга. Таким образом, применение волоконных световодов в составе измерительных систем позволяет удалить точку измерения от блока регистрации (пункта обработки измерительной информации) на расстояние, составляющее десятки, и даже сотни километров. В таких случаях помехозащищенность тракта передачи является критическим фактором для обеспечения процесса непрерывного получения измерительной информации.
Подавляющее большинство датчиков физических величин выпускается массово современной промышленностью. Эти датчики представляют собой элементы традиционной микроэлектроники, имеют метрологические характеристики, отвечающие современным требованиям, и невысокую стоимость. Однако когда эти датчики применяются в составе систем без волоконно-оптического тракта передачи, не обеспечивается их помехозащищенность и гальваническая развязка между точкой измерения и регистрирующим устройством.
Более перспективным является подход, совмещающий в измерительных системах достоинства волоконных световодов и преимущества традиционных датчиков. Такие измерительные системы, или гибридные системы, в основе своего устройства содержат волоконный световод в качестве среды передачи измерительной информации, и традиционные датчики в качестве чувствительных элементов. Волоконный световод в таких системах также
- 5 -играет роль среды передачи оптического излучения, используемого для питания электронных и оптоэлектронных элементов в точке измерения.
Актуальность разработки датчиков такого типа вызвана потребностью рынка в недорогих и технологичных измерительных системах, соединяющих в себе преимущества как волоконных световодов, так и традиционных датчиков. В таких системах мощность оптического излучения преобразуется в электрическую мощность, которая питает электронный модуль удаленного блока с подключенными к нему датчиками. Разработка таких систем за рубежом ведется более 10 лет, созданы основные компоненты таких систем и проведены испытания гибридных волоконно-оптических датчиков (ГВОД) для контроля различных технологических процессов. В то же время основные компоненты ГВОД, выпускаемые за рубежом, отличаются чрезвычайно высокой стоимостью, что обуславливает низкую конкурентоспособность ГВОД, производимых с их использованием. К началу диссертационной работы отечественная элементная база ГВОД отсутствовала.
В то же время за рубежом с конца 70-х годов прошлого века ведутся активные разработки ГВОД. Датчики этого типа широко применяются в электроэнергетике для измерения параметров тока, напряжения и температуры, для измерения механических величин (силы, угла, ускорения, давления, вибрации, приближения), для измерения уровней горючих жидкостей (напр. нефти и нефтепродуктов), для контроля концентрации взрывоопасных газов (напр. в шахтной атмосфере) и в других приложениях.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Гибридные измерительные системы в своей конструкции содержат как элементы традиционной электротехники и электроники, так и волоконно-оптические элементы. Для безопасного применения таких измерительных систем во взрывоопасных средах следует учитывать, что элементы обеих групп в общем случае не являются взрывобезопасными. Традиционные электрические элементы могут быть потенциальным источником искрения, приводящего к взрыву или
воспламенению опасной среды. Волоконный световод в таких системах является средой распространения оптического излучения значительной мощности, которая, при определенных условиях (например, разрыв световода) также может являться причиной воспламенения или взрыва среды. Поэтому разработка критериев взрывобезопасности требует учета обоих факторов, электрического и оптического. Первый фактор к настоящему времени достаточно хорошо изучен, поэтому критерии электробезопасности оборудования нашли свое отражение в существующих государственных стандартах и нормативно-технической документации. Второй фактор менее изучен, поэтому задача определения условий, при которых воспламенение среды оптическим излучением невозможно, является актуальной. При этом одним из основных условий является ограничение уровней мощности оптического излучения, распространяющегося по световоду.
Так как уровень передаваемой оптической мощности в общем случае ограничен, следующей актуальной задачей является разработка высокоэффективных фотовольтаических преобразователей. При имеющихся ограничениях поступающей на вход преобразователя оптической мощности необходимо, чтобы преобразователь являлся источником питания с выходным стабилизированным напряжением 3,3В или 5В (стандартные напряжения питания для элементов современной электроники), при этом электрической мощности с выхода преобразователя должно быть достаточно для питания удаленного модуля датчика.
В условиях ограничений мощности источника питания, диктуемых требованиями взрывобезопасности, необходимо минимизировать потребление удаленного модуля датчика. Для этого требуется разработка специализированных энергосберегающих алгоритмов, на основе которых осуществляется сбор измерительной информации от чувствительных элементов, обработка и передача этой информации по оптическому волокну. В дополнение к энергосберегающим алгоритмам для минимизации энергопотребления
-7-необходим отбор элементной базы с минимальным энергопотреблением, что представляет собой отдельную задачу.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ
Впервые в стране создан высокоэффективный (КПД>45%)
фотовольтаический преобразователь на основе двойных гетероструктур
AlGaAs, осуществляющий преобразование энергии монохроматического
оптического излучения в электрическую энергию с квантовой
эффективностью более 88%, напряжением холостого хода U-1,23В;
Предложена одноволоконная схема ГВОД, в которой один элемент применяется как в качестве фотовольтаического преобразователя, так и в качестве источника излучения для передачи измерительной информации;
Разработаны энергосберегающие методы построения ГВОД, позволяющие создавать измерительные системы, потребление удаленного модуля которых составляет менее 0,5мВт;
Разработаны критерии взрывобезопасности волоконно-оптических трактов, предназначенных для питания удаленных систем, имеющие абсолютный характер. Определены максимальные уровни оптической мощности, при которых измерительная система на основе ГВОД может считаться взрывобезопасной;
Разработаны энергосберегающие алгоритмы кодирования измерительной информации для создания многоканальных измерительных систем на основе ГВОД;
Разработан экспериментальный макет двухканального датчика температуры, как прототипа многоканального датчика для контроля температурных полей в технологических процессах;
На основе технологии ГВОД предложен способ создания волоконно-оптических датчиков углеводородных газов, основанный на спектральных измерениях в области основных линий поглощения этих газов;
Разработан многофункциональный датчик тока, позволяющий одновременно
измерять амплитуду, частоту, фазу тока и температуру токонесущего
провода.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.
Разработан и создан высокоэффективный (КПД>25%) фотовольтаический преобразователь, осуществляющий преобразование энергии монохроматического оптического излучения в электрическую энергию и являющийся источником питания (с выходным стабилизированным напряжением 3,3/5,0 В);
Разработана лабораторная технология сборки фотовольтаического преобразователя с волоконным входом;
Разработан экспериментальный макет двухканального ГВОД температуры, диапазон измерений (в каждом канале) -50С...250С, предел основной погрешности - 2С;
Разработан экспериментальный макет датчика метана, в основе функционирования которого лежит измерение поглощения контролируемой среды в области основной линии поглощения метана;
Разработан экспериментальный макет многофункционального датчика электрического тока, производящего измерения амплитуды, частоты и фазы тока, а также температуры токонесущего провода.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
1. Взрывобезопасность волоконно-оптического тракта в среде с температурой самовоспламенения 450-КЮО С (смесь водорода, метана, пропана и подобных с воздухом) обеспечивается при уровне передаваемой оптической мощности, не превышающем 0,5d мВт, где d - диаметр световедущей жилы (в мкм) многомодового оптического волокна.
Разработан алгоритм последовательного широтно-импульсного кодирования измерительной информации для многоканальных измерительных систем, состоящий из следующих процедур: 1) измерительный сигнал с датчика, условно принятым первым, преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов с периодом Т так, что длительность импульсов пропорциональна значению измерительного сигнала; 2) на переднем и заднем фронтах этих импульсов формируются импульсы прямоугольной формы, длительность которых связана со значением измерительных сигналов со второго и третьего датчиков. Последняя процедура может повторяться п раз для общего числа датчиков (2п+1), в результате чего образуется импульсная последовательность, содержащая (2п+1) импульсов на временном интервале Т; 3) на передних и задних фронтах импульсов полученной последовательности формируются короткие импульсы так, чтобы скважность импульсов результирующей последовательности была максимальной при используемых аппаратных средствах. Разработанный алгоритм кодирования является основой для построения многоканальных гибридных измерительных систем, в которых среднее энергопотребление измерительного блока не превышает взрывобезопасных уровней необходимой оптической мощности.
Фотовольтаические преобразователи на основе двойных гетероструктур AlGaAs-GaAs при работе от монохроматического источника излучения с длиной волны в диапазоне ^=790...830нм обеспечивают преобразование энергии оптического излучения в электрическую энергию с эффективностью до 45%, что является основой для создания источников питания для гибридных волоконно-оптических измерительных систем с выходным напряжением 3-5В и мощностью до 30мВт.
Метод построения гибридных волоконно-оптических датчиков углеводородных газов, основанный на преобразовании спектра излучения, для
- 10-которого стандартное кварцевое волокно является прозрачным, в излучение, соответствующее основным линиям поглощения исследуемых газов в спектральном диапазоне 3—4 мкм, позволяет в 50-100 раз повысить пространственную разрешающую способность датчика по сравнению с измерением на обертонах основной линии поглощения.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на X международном симпозиуме ІМЕКО ТС7 International Symposium on Advances of Measurement Science (г.Санкт-Петербург, 2004г.), XIV научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 2004г.), XVI научно-технической конференции "Датчики и преобразователи систем измерения, контроля и управления" (Судак, 2004г.), Всероссийской конференции по волоконной оптике (г.Пермь, 2007г.), Международной конференции IEEE по средствам и технике измерений I2MTC (г.Виктория, Канада, 2008г.), 21-й Канадской конференции IEEE (Ниагара Фолз, Канада, 2008г.), 63-ей научной сессии, посвященной Дню Радио, Канадской конференции CIGRE по энергетике (Виннипег, Канада, 2008г.).
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.
Во введении обоснована актуальность работы, проанализировано состояние проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая значимость работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассматривается структурная схема гибридного оптоэлектронного датчика, назначение и работа основных ее элементов. В этой главе также проводится обзор литературы, посвященной разработке, созданию и внедрению ГВОД. В общем случае питание удаленного модуля датчика может осуществляться различными способами : от чувствительного элемента датчика (если применяется чувствительный элемент) генераторного типа), от природных источников (солнце, ветер, и т.д.), от встроенных элементов
питания, а также оптическим излучением, передаваемым по волоконному световоду в зону измерений. Из четырех упомянутых способов первые три обладают существенными недостатками, связанными, главным образом, с их возобновляемостыо и зависимостью от внешних факторов. Этих недостатков лишен последний способ; кроме того, наличие уже одного волоконного тракта в конструкции датчика облегчает организацию дополнительного канала для питания оптическим излучением. Поэтому большинство работ, посвященных ГВОД, а также настоящая диссертационная работа, предусматривает последний способ питания. На основе анализа существующей литературы и современного состояния разработок ГВОД выявлены основные проблемы в этой области. Эти проблемы лежат в основе задач настоящей диссертационной работы:
Разработать эффективные системы преобразования оптического излучения в электрический сигнал для питания электронных устройств;
Разработать энергосберегающие методы построения многоканальных измерительных систем;
Разработать методы измерения спектральных параметров исследуемой среды в области основных линий поглощения;
Разработать методы построения мультиплексированных измерительных систем.
Вторая глава посвящена организации питания удаленного модуля датчика оптическим излучением. Следует отметить, что практическая ценность результатов, приведенных в этой главе, выходит за рамки применимости только в измерительных системах. Эффективное питание оптическим излучением может лежать в основе создания исполнительных механизмов и любых других систем, где необходима гальваническая изоляция удаленного источника питания.
Значительная часть этой главы посвящена разработке фотовольтаического преобразователя, обеспечивающего эффективное преобразование мощности оптического излучения в электрическую мощность. На начальном этапе исследования стояла задача определения максимально
- 12-допустимых уровней мощности оптического излучения, распространяющегося по оптическому волокну. Так как современные полупроводниковые лазеры могут обеспечить уровни оптического излучения в волокне, составляющие десятки ватт и более, ограничение этих уровней сверху необходимо во избежание воспламенения или взрыва во взрывоопасной атмосфере в результате воздействия оптического излучения. В свою очередь, значения этих уровней устанавливают требуемую эффективность функционирования фотоэлектрического преобразователя, при которой обеспечивается электрическое питание удаленного модуля с необходимыми напряжениями и мощностью.
Спектры поглощения молекул наиболее распространенных взрывоопасных газов не содержат сильных линий поглощения в области 0,7...1,7мкм. В отсутствие поглощения непосредственного разогрева газа не происходит, поэтому в чистой атмосфере воспламенение оптическим излучением не происходит. Ситуация меняется, если в атмосфере содержатся твердые микрочастицы, примером которых может служить угольная пыль. Эти частицы могут сильно поглощать оптическое излучение и разогреваться до температур самовоспламенения газов. Модель, описывающая характер взвеси частиц, их геометрию, характерные размеры, поглощающую способность и т.д., в общем случае является статистическим распределением. Для оценки возможности воспламенения излучением существуют разные подходы. В более ранних работах, посвященных этой проблеме, используется вероятностный подход, основанный на экспериментальных и теоретических данных. В рамках этого подхода определяются условия, при которых возможность воспламенения маловероятна.
В настоящей работе безопасные уровни определяются на основе критериев абсолютной безопасности, т.е. рассматриваются предельные случаи, соответствующие наиболее опасной ситуации. Таким образом определяются уровни мощности, ниже которых система является абсолютно взрывобезопасной, т.е. вероятность воспламенения или взрыва равна нулю
- 13-независимо от геометрии, статистического распределения и любых других свойств частиц в атмосфере. Были проведены расчеты, дающие оценку максимальной температуры разогрева частиц различного диаметра при их взаимодействии с оптическим излучением из волоконного световода. Для проверки полученных расчетных данных были поставлены две серии опытов. Первая серия опытов ставила своей целью измерение температуры частиц при различных уровнях оптического излучения и сравнение полученных экспериментальных данных с расчетными. Вторая серия опытов была посвящена подрыву взрывоопасной (водородо-воздушной) газовой смеси при помощи излучения из волоконного световода. Было установлено, что газовая смесь в отсутствие поглощающих частиц не воспламеняется при уровнях мощности до 1Вт. При взаимодействии частиц определенной геометрии и размеров с оптическим излучением происходил подрыв газовой смеси при определенных уровнях мощности, которые отличались высокой повторяемостью. Полученные в результате двух серий экспериментов данные демонстрируют хорошее согласие с результатами расчетов. На основе экспериментально подтвержденных расчетных данных было установлено, что безопасный уровень оптического излучения в общем случае зависит от диаметра световода, по которому распространяется излучение, и составляет 50 мВт для световода с диаметром сердцевины 100 мкм.
Далее в главе рассматривается преобразователь «свет-папряжение» и основные этапы его разработки. В основе конструкции преобразователя лежат два основных элемента: фотоэлектрический преобразователь и повышающий преобразователь напряжения. Последний необходим для обеспечения питания удаленного модуля стабилизированным напряжением 3,3В. Выходное напряжение фотоэлектрического преобразователя должно быть достаточным для запуска преобразователя напряжения и обеспечения его стабильной работы. Минимальное входное напряжение современных преобразователей составляет не менее 0,8В, а выходное напряжение фотодиодов на основе Si - не более 0,6В, Это несоответствие устраняется одним из следующих возможных решений или
- 14-их комбинацией: 1) последовательное соединение (каскадирование) фотодиодов; 2) применение фотодиодов, изготовленных на основе более широкозонного, чем Si, полупроводникового материала. В настоящей работе были реализованы оба упомянутых решения. В частности, на основе каскада из четырех фотодиодов был реализован преобразователь, успешно применявшийся в составе двухканального датчика температуры ВДГ-2Та.
В то же время, использование преобразователя на основе каскадно связанных фотодиодов имеет свои недостатки, связанные, главным образом, с низкой эффективностью кремниевых преобразователей (~15%) и необходимостью высокоточной юстировки фотодиодов относительно пучка оптического излучения. Поэтому в дальнейшем в настоящей работе применялся одноэлементный преобразователь на основе гетероструктур AlGaAs.
Для определения наиболее эффективной структуры элемента фотопреобразователя были приобретены более 20 различных полупроводниковых структур AlGaAs на основе двойного гетероперехода производства ряда отечественных и зарубежных предприятий. Для различных уровней мощности падающего оптического излучения измерялись наиболее важные в рамках решаемых задач характеристики этих структур: ток короткого замыкания Ik3, напряжение холостого хода Uxx, нагрузочные характеристики. Для каждой структуры снимался спектр поглощения в диапазоне 700-1100 нм; кроме того. Кроме того, было экспериментально установлено, что все структуры проявляют электролюминесцентные свойства, поэтому снимался также спектр электролюминесценции каждой структуры.
Опираясь на полученные экспериментальные данные по фотовольтаическим и электролюминесцентным свойствам имеющихся структур, была предложена концепция гибридной измерительной системы, использующей лишь один волоконный световод как для организации питания оптическим излучением, так и для передачи измерительной информации. Этот результат достигается тем, что в зависимости от полярности и значения приложенного к полупроводниковой структуре напряжения, эта структура
-15-попеременно работает как в фотовольтаическом, так и электролюминесцентом режимах. На предложенное устройство получен патент на полезную модель.
В результате проведенных экспериментальных исследований была выявлена структура, в наибольшей степени отвечающая решаемым задачам. На основе данных спектра поглощения выбранной структуры было установлено, что оптимальным источником монохроматического излучения для освещения этой структуры является полупроводниковый лазер с длиной волны излучения 810нм. Такие лазеры доступны на рынке и широко применяются для оптической накачки ряда тверодтельных лазеров. При освещении излучением такого лазера максимальное выходное напряжение на контактах структуры составляло 1,23В, коэффициент преобразования более 45%, коэффициент заполнения -80%. Просветляющее покрытие не применялось. Применение просветляющего покрытия может дополнительно увеличить эффективность преобразования до 52%.
Выходного напряжения на выходе фотопреобразователя достаточно для запуска повышающего преобразователя напряжения. На следующем этапе работы были исследованы различные микросхемы (разных производителей) преобразователей напряжения при совместной работе от фотопреобразователя. Исследовались такие параметры, как минимальная оптическая мощность запуска, максимальный КПД, нагрузочная характеристика. В результате исследований была выявлена модель микросхемы, осуществляющая преобразование напряжения наиболее эффективно. По данным предприятия-изготовителя максимальное значение КПД преобразования микросхемы превышает 80%>, однако реальный КПД в общем случае зависит от входной пары напряжение/ток и сопротивления нагрузки. В настоящей работе удалось добиться максимального значения КПД при преобразовании мощности оптического излучения в электрическую мощность с напряжением 3,3В, который составил 25%).
Третья глава посвящена разработке энергосберегающих алгоритмов кодирования измерительной информации и их реализации в практических примерах гибридных волоконно-оптических датчиков.
В первой части третьей главы рассмотрены основные энергосберегающие методы и алгоритмы обработки измерительной информации, ее передачи по оптическому волокну, обеспечивающие наиболее эффективное энергосбережение удаленного модуля. Предложенные методы и алгоритмы позволяют, за счет управления скважностью передаваемого импульсного сигнала от удаленного модуля, значительно снизить среднее энергопотребление удаленного модуля. Также рассмотрен вопрос об ограничениях предложенного метода на количество датчиков в одном удаленном модуле, информация от которых может передаваться в течении одного цикла измерений.
В второй части третьей главы рассматривается двухканальный датчик температуры ВДГ-2Та, который изготовлен на базе четырехэлементного кремниевого преобразователя с широтно-импульсным кодированием и в котором в качестве чувствительных элементов применялись алмазные терморезисторы. Средняя потребляемая мощность удаленного модуля этого ГВОД не превышала ЗООмкВт.
Третья часть третьей главы посвящена вопросам разработки и создания многофункционального датчика переменного электрического тока. Датчик представляет собой трехканальную измерительную систему, предназначенную для измерения силы и частоты тока в каждом из каналов. Измеряется также температура проводника в каждом из каналов и относительные фазы сигналов в качестве межканального параметра. Такое сочетание измеряемых параметров стало возможным благодаря уникальному алгоритму обработки и кодирования измерительной информации. Этот алгоритм позволяет отказаться от применения микроконтроллеров, которые зачастую используются в подобных системах. Отказ от микроконтроллеров позволяет, во-первых, производить измерения относительной фазы сигналов т.к. позволяет осуществлять синхронную передачу импульсных сигналов, фронты импульсов которых
-17-привязаны к моменту перехода через «ноль» измеряемого синусоидального сигнала. Во-вторых, отказ от применения микроконтроллеров позволяет значительно снизить энергопотребление удаленного модуля.
В этой части главы 3 также отмечена характерная особенность рассмотренных гибридных систем: их метрологические характеристики целиком и полностью определяются метрологическими характеристиками применяемых чувствительных элементов. Система кодирования-декодирования и обработки вносит дополнительную погрешность, которая мала по сравнению с погрешностями, вносимыми чувствительными элементами и, следовательно, исключается при расчетах конечных метрологических характеристик.
В третьей главе также предложен новый подход в создании волоконных датчиков углеводородных газов, использующие метод адсорбционной спектроскопии. Этот подход основан на преобразовании длины волны излучения, распространяющегося по волоконному световоду, в излучение с длиной волны, соответствующей фундаментальным линиям поглощения углеводородных газов (напр. 3,3мкм - для метана). Этот метод защищен Патентом Российской Федерации. Наиболее эффективно этот подход реализуется в технологии гибридных датчиков, где преобразование длины волны излучения осуществляется в два этапа: вначале оптическое излучение преобразуется в электрическую мощность, затем электрическая мощность используется для питания светодиодного источника на длину волны 3,3мкм. В отличие от различных высокотехнологичных оптических материалов для прямого преобразования длины волны излучения, эти светодиоды освоены современной промышленностью и доступны на рынке. Такие светодиоды могут также входить в состав оптопар (светодиод - двухканальный фоторезистор), специально предназначенных для адсорбционной спектроскопии газов.
В заключении приведены основные научные и практические результаты диссертационной работы:
1.Предложен принцип временного кодирования измерительной информации для гибридных оптоэлектронных измерительных систем, позволяющий
- 18-реализовать многофункциональный или мультиплексный режим их работы при минимальном энергопотреблении.
2.Предложен принцип построения гибридных оптоэлектронных измерительных систем с использованием одной полупроводниковой структуры как для фотовольтаического преобразования оптического излучения, так и для электролюминесцентной генерации оптического информационного сигнала. 3. Исследованы особенности фотовольтаического преобразования излучения (эффективность, спектры) двойными гетероструктурами AlGaAs и связь спектров электролюминесценции и спектров фоточувствительности. Определены структуры, обеспечивающие эффективность фотовольтаического преобразования 45-50% при напряжении холостого хода более 1,2В. На основе данных структур реализованы стабилизированные источники питания гибридных оптоэлектронных измерительных систем с КПД около 25% и выходным напряжением 3,3В и 5В.
4 .Разработана многофункциональная оптоэлектронных измерительная система для трехфазных сетей переменного тока.
5. Предложен принцип построения оптоэлектроного датчика углеводородных газов позволяющий при использовании стандартных кварцевых волоком реализовать принцип абсорбционной спектроскопии на основной (3,3 мкм) линии поглощения.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе три патента РФ на изобретение.
Современное состояние разработок фотоэлектрических преобразователей монохроматического излучения и монохроматических излучателей
Для преобразования мощности оптического излучения в электрическую мощность активно разрабатываются и применяются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи, к которым в частности относятся фотодиоды и солнечные элементы на одном или нескольких /?-/?-переходах. Длинноволновая граница поглощения полупроводникового материала определяется из соотношения [21]: где Хс - длина волны, соответствующая ширине запрещенной зоны Е„. Излучение с длинами волн, меньшими Хс, поглощается в полупроводнике с образованием электронно-дырочных пар. Коротковолновая граница фотоответа определяется коэффициентом поглощения а, имеющим сильную зависимость от длины волны излучения для различных полупроводниковых материалов. В области коротких волн коэффициент а очень велик ( 10эсм" ) и излучение поглощается в непосредственной близости от поверхности, где временя рекомбинации малы. Вследствие этого фотоносители рекомбинируют раньше, чем уходят из поверхностного слоя. Если излучение распространяется по оптическому волокну, дополнительные ограничения на спектр излучения накладывает полоса прозрачности кварцевых оптических световодов (0,7-4,7мкм), однако характер этих ограничений существенным образом зависит от расстояния передачи. Например, при передаче излучения во всей видимой части спектра на расстояния порядка нескольких метров можно пренебречь влиянием полосы прозрачности световода.
В то же время при передаче излучения на десятки и более километров реальная полоса пропускания световода будет лежать в диапазоне 1,5-Н,7мкм. Максимальное значение напряжения холостого хода фотопреобразователя U4X связано с шириной запрещенной зоны используемого полупроводникового материала. Как следствие, максимальное напряжение U44 на единичном р-п-переходе, как правило, не превышает 1,5В. Этого напряжения недостаточно для питания элементов современной микроэлектроники, стандартными напряжениями питания которых являются 3,3В и 5,0В. Существует три метода для повышения выходного напряжения до необходимого уровня: 1) последовательное соединение фотовольтаических элементов; 2) подключение к повышающему преобразователю напряжения; 3) комбинированный, т.е. объединяющий первые два метода. Так, в работе [22] приводится датчик электрического поля с оптическим питанием, в котором излучение от 75Вт-ксеноновой лампы передается по жгуту оптических волокон на удаленный модуль, где установлен массив из солнечных батарей. Аналогичный подход реализован в работе [23], где использованы широкополосный источник и жгут оптических волокон. На стороне удаленного модуля жгут расщепляется на несколько ветвей, каждая из которых засвечивает одну солнечную ячейку. В этой работе сообщается об эффективности преобразования, составляющей 7% при 24С. Недостатком такого подхода является его низкая энергетическая эффективность, ограниченность расстояний передачи и громоздкость основных компонентов. Одним из наиболее перспективных и широко применяемых в настоящее время подходов реализован в преобразователе [24], созданном в компании Photonics Power (ныне - подразделение JDS Uniphase, США). Конструкция этого преобразователя, показанная на Рис.2, представляет собой многокаскадный модуль, отдельные фотоэлементы которого имеют специальную форму и заполняют пространство, ограниченное окружностью.
Используются фотоэлементы, созданные на основе GaAs. В настоящее время Photonics Power выпускает преобразователи «свет-напряжение» с выходным напряжением до 12В, выходной электрической мощностью до 500мВт, КПД 40%. Преобразователи оптимизированы для длины волны излучения А, в диапазоне 790+85Онм. В качестве монохроматических источников излучения для систем ГВОД используются распространенные полупроводниковые лазеры, в частности лазеры на основе InGaAsP/GaAs [25] с длиной волны излучения Х,=0,808мкм, которые обладают высокой мощностью излучения (1Вт и более при характерном размере тела свечения ЮОмкм), и выпускаются массово рядом производителей, так как широко применяются для оптической накачки лазеров на основе Nd:YAG. Похожая конструкция преобразователя [18] создана в компании Lucent (США), Рис.3. Этот преобразователь оптимизирован для использования на длине волны излучения А,= 1,55мкм для передачи излучения на значительные расстояния и для использования этих преобразователей в волоконно оптических сетях связи, где излучение с А=1,55мкм наиболее доступно. Для фотоэлектрических преобразователей на основе InGaAs [18], имеющих пиковую чувствительность вблизи 1,5мкм, в качестве излучателей целесообразно использовать лазеры с длиной волны излучения А=1,55мкм. Одноэлементные фотоэлектрические преобразователи основе InGaAs, в отличие от AlxGai.xAs, обладают меньшей ( 0,5В) шириной запрещенной зоны. Однако значение коэффициента затухания в современных кварцевых волоконных световодах при і=1,55мкм минимально и составляет 0,15+0,3дБ/км, что, как было отмечено выше, позволяет осуществлять передачу энергии на значительные расстояния. Производство излучателей (к которым относятся полупроводниковые лазерные диоды [31], а также эрбиевые усилители [32]) с А.=1,55мкм также освоено мировой промышленностью, так как эти компоненты широко применяются в современных волоконно-оптических телекоммуникациях. К настоящему времени преобразователи подобной топологии изучены достаточно хорошо [26], и на эту тему опубликовано значительное количество работ [27] [28] [29]. Недостатком таких преобразователей является сложность технологии изготовления и, как следствие, их высокая стоимость, что ограничивает их массовое применение. Для широкого внедрения ГВОД в
Многоэлементные фотовольтаические преобразователи на основе кремния
В настоящее время для питания большинства элементов современной микроэлектроники используются напряжения номиналом 3,3В и 5,0В. На начальном этапе работ по созданию доступного и недорогого фотовольтаического преобразователя исследовалась возможность применения полупроводниковых структур на основе кремния. Фотодиоды на основе кремния являются наиболее распространенными и доступными. Для оценки возможности применения таких структур было измерено значение напряжения холостого хода (Uxx) для некоторых отечественных и ихх измерялось при освещении фотоприемника оптическим излучением от широкополосного источника (лампа накаливания), мощность которого увеличивалась до значений, при которых Uxx не изменялось при дальнейшем увеличении оптической мощности. Как видно из Таблицы 6, значение Uxx не превышает 0,6В. Для повышения напряжения до требуемого уровня возможно применение повышающих преобразователей напряжения, например таких, как микросхема NCP1400A. В то же время эта и другие аналогичные микросхемы импульсных преобразователей имеют характерную особенность: минимальное напряжение запуска составляет не менее 0,9В. В связи с этим выходное напряжение одного или нескольких фотодиодов, осуществляющих фотовольтаическое преобразование, должно быть не менее 0,9В. Для получения входного напряжения импульсного преобразователя на уровне не менее 0,9В при использовании фотодиодов на основе кремния, необходимо последовательное соединение фотодиодов.
Этот подход применялся при создании фотопреобразователей для лабораторных образцов некоторых ГВОД (в частности ВДГ-2Та [67][69]) оптоэлектронных датчиков (Рис. 7а). Чстырехкаскадный фотопреобразователь может быть также выполнен на основе серийного изделия ООО «МЭРИ» СФД4-03 (Рис.76), которое представляет собой четыре фотодиода, симметрично расположенных на миниатюрной плате. Выводы фотодиодов размещены на плате, что упрощает их последовательное соединение. Приведенные модели каскадных фотопреобразователей имеют выходное напряжение не менее 1.5В, которого вполне достаточно для запуска импульсного преобразователя. Однако КПД таких фотопреобразователей (по отношению к оптической мощности, распространяющейся по волокну) невелик и составляет, по данным измерений, не более 15%. Отчасти низкое значение КПД обусловлено различной геометрией пятна излучения, имеющего круглую форму, и формы фотопреобразователя. Несмотря на относительную доступность и невысокую стоимость кремниевых элементов каскадных преобразователей, применение таких преобразователей во взрывоопасных средах ограничено т.к. требует повышенной мощности оптического излучения в волокне. В качестве наиболее перспективного альтернативного подхода возможно применение в качестве элементов фотопреобразователя фотодиодов, изготовленных на основе полупроводниковых материалов, имеющих большую, по сравнению с Si, ширину запрещенной зоны. Отправной точкой в исследованиях, которым посвящен этот раздел настоящей работы, является работа [30], в которой сообщается о создании двойной гетероструктуры на основе AlxGa!_xAs и о результатах исследования ее фотовольтаических характеристик. Под воздействием монохроматического А==808нм) излучения выходное напряжение на контактах этой структуры в разомкнутой цепи составляет более 1,2В. Этого значения напряжения достаточно для запуска современных повышающих преобразователей напряжения с выходными напряжениями 3,3...5,0В. Ряд отечественных предприятий, таких как НИИМЭТ (г. Калуга), ООО «Мега-СМ» (г. Зеленоград), НИИПП (г.Томск) и ряд других, серийно выпускают полупроводниковые структуры, близкие по составу и характеристикам слоев, к структуре, разработанной в [30]. При х 0,36 материал структуры является прямозонным, поэтому эти структуры демонстрируют электролюминесцентные свойства и применяются в производстве светодиодов для спектрального диапазона 0,80...0,97мкм. Задача выбора оптимального фотовольтаического элемента в монохроматическом случае решается совместно с задачей выбора источника излучения. Если длина волны излучения источника близка к пику поглощения фотовольтаического элемента, можно говорить о том, что источник излучения оптимально соответствует данному фотовольтаическому элементу. Поэтому на начальном этапе исследовались спектры поглощения полупроводниковых структур. Поскольку исследуемые структуры проявляют как фотовольтаические, так и электролюминесцентные свойства, возможно создание одноволоконных ГВОД, речь о которых пойдет в разделе 2.6 настоящей главы. В случае одноволоконных ГВОД излучение от структуры передается по оптическому волокну, поэтому необходимо, чтобы длина волны излучения была близка или совпадала с положениями минимумов поглощения стандартных кварцевых оптических волокон. Поэтому, наряду со спектрами поглощения, исследовались также спектры электролюминесценции данных структур. В качестве объекта исследований использовались полупроводниковые двойные гетероструктуры на основе AlxGai_xAs более 20 разновидностей от различных зарубежных и отечественных производителей. Все измерения проводились на монохроматоре, в качестве источника излучения применялась лампа накаливания. Аппаратная функция была получена при помощи фотодиода ФД-256 (ЦКБ «Ритм», г. Черновцы) с известной спектральной характеристикой, измеренной при выпуске из производства. Характерные спектры фотоответа приведены на Рис.8а, а спектры электролюминесценции - на Рис.86.
В качестве идентификатора различных типов структур использовались целые цифры; в частности, на Рис.8, изображены характерные спектры структур типов 1-7, отличающихся различными значениями х и концентрацией легирующих примесей в области GaAs. В спектрах фотоответа выделяется группа структур с пиком поглощения в области 0,81мкм. Во-первых, более короткая длина волны указывает на более широкозонный материал структуры, характеризующийся большим значением напряжения холостого хода. Во-вторых, для этого спектрального диапазона (0,81мкм) целым рядом компаний-производителей серийно выпускаются полупроводниковые лазеры с выходной мощностью 150мВт и более. Лазеры этого типа широко применяются для накачки некоторых твердотельных лазеров, и поэтому распространены. В настоящей работе применялся полупроводниковый лазер с волоконным выходом ММ 62,5/125 (разъем LC) на основе лазерного модуля DL-041-35 производства Sanyo, Япония. В этой (А,=0,81нм) группе структур были исследованы фотовольтаические свойства широкого ряда образцов. Все образцы характеризовались небольшим разбросом напряжения холостого хода (1,22±0,01В), поэтому отбор наиболее эффективных структур осуществлялся на основе значения тока короткого замыкания 1КЗ при фиксированном уровне мощности оптического излучения. В результате отбора была выделена структура, которая при уровне мощности оптического излучения Р=50мВт демонстрировала 1кз=24мА, что является наилучшим показателем среди всех исследованных структур. Измерение выходной мощности лазера осуществлялось с помощью измерителя FOD-1204Н (в Государственном Реестре средств измерений - № 28384-05)[63][64]. Этот измеритель производит измерения средней мощности оптического излучения в диапазоне мощностей -53...+27дБм и имеет заводскую калибровку на длинах волн 850, 980, 1310, 1480 и 1550нм. Так как калибровка на Л,=808нм у
Двухканальный датчик температуры ВДГ-2Та
В настоящей работе приводятся результаты разработки двухканального оптоэлектронного датчика температуры [67]-[69], использующего волоконно-оптический тракт в качестве канала передачи измерительной информации и оптического сигнала для питания электронной части датчика. Структурная схема датчика представлена на рис.20. Излучение от полупроводникового лазерного диода (1), работающего в непрерывном режиме, поступает по волоконному световоду (2) на фотоэлектрический преобразователь (3). Мощность излучения в световоде составляла Р=20 мВт, длина волны излучения =0,86 мкм. Фотоэлектрический преобразователь представляет собой четыре последовательно соединенных кремниевых фотодиода (Рис.7а). Фотодиоды расположены симметрично относительно оси освещающего их световода. Расстояние между торцом волокна и приемными площадками фотодиодов выбирается исходя из максимального значения тока короткого замыкания. Напряжение на выходе фотоэлектрического преобразователя при указанной мощности излучения составляет порядка 1.4 В, ток 1=4 мА, что соответствует фотоэлектрическому преобразованию с эффективностью (КПД) примерно 25%. Выход фотоэлектрического преобразователя соединен с входом повышающего преобразователя напряжения (4), выполненного на основе микросхемы МАХ 1674, отличающейся минимальным потребляемым током (46 мкА) и низким пороговым напряжением запуска ( 0.7 В). Схема включения преобразователя — стандартная, рекомендованная фирмой-изготовителем. Из-за высокого импульсного тока через дроссель преобразователя, его запуск обеспечивается подачей на вход фотоэлектрического преобразователя (3) импульса излучения с пиковой мощностью 40 мВт.
Преобразователи (3) и (4) в совокупности составляют стабилизированный источник питания, на выходе которого поминальные значения напряжения и тока составляют 5В и 1 мА соответственно. От этого стабилизированного источника питается генератор (5), выполненный на сдвоенном ждущем мультивибраторе HCF 4098, включенном по схеме автогенератора. При этом один терморезистивиыи чувствительный элемент задает длительность выходного импульса мультивибратора, а второй - задает скважность. В этом случае анализ длительности и скважности выходных импульсов позволяет реализовать двухканальную схему измерений (Рис.21а). Конденсаторы в частотозадающих цепях выбираются так, что при произвольных значениях сопротивлений терморезисторов (в пределах измеряемых температур) скважность выходных импульсов превышает 2. Это сделано для того, чтобы можно было однозначно сопоставить временной интервал конкретному датчику. Алмазные терморезисторы, примененные в датчике (TRA-2, 100 кОм) позволяют измерять температуры в пределах 80-600 К. При температуре 25С частота выходных импульсов составляет —100 Гц при скважности —10. С выхода задающего генератора (5), к которому подключены температурные чувствительные элементы (б), импульсы поступают на вход формирователя (7), который по каждому (т.е. положительному и отрицательному) фронту импульсной последовательности формирует импульс длительностью порядка 300 не (рис.21.6), которая поступает на вход ключа (8), управляющего током светодиода (9).Светодиод питается от конденсатора емкостью 0.3 мкФ, который при скважности импульсов -1000 подзаряжается до напряжения 5 В током —25 мкА за время -0,7 мс.
Модулированное таким образом излучение светодиода поступает в волоконный световод (10) и далее на фотоприемник (11). Фотоприемник регистрирует импульсную последовательность (рис.216) которая затем подается устройство обработки (12). На входе этого устройства установлен триггер, на счетный вход которого подается импульсная последовательность от фотодиода. На выходе триггера восстанавливается исходная выходная последовательность генератора (5)(Рис.21а). Последняя --анализируется микропроцессорной системой устройства обработки, которая определяет длительность и скважность поступающих импульсов, осуществляет сопоставление этих двух параметров каждому из двух каналов датчика. Далее производится расчет измеренных значений температур по значениям записанных в ПЗУ калибровочных коэффициентов и усреднение значений температур по времени в пределах 0.3-1 с. с последующей индикацией усредненных значений. Разработанный принцип реализован в датчике ВДГ-2Та. Датчик ВДГ-2Та обеспечивает измерение температуры в каждом канале в диапазоне температур от -200С до +300С. Диапазон измерения обеспечивается рабочим диапазоном чувствительных элементов датчика. Предел основной погрешности измерения температуры в этом диапазоне составляет 1К. Калибровка датчика осуществлялась методом сличения с рабочими эталонами (ОСИ) 3-го разряда [85] в реперных точках, соответствующих температуре кипения дистиллированной воды при атмосферном давлении 755 мм. рт. ст. и температуре плавления льда. Чувствительные элементы выполнены на основе терморезисторов, изготовленных из полупроводниковых монокристаллов синтетического алмаза, отличаются долговременной стабильностью основных параметров и уникально малой тепловой инерционностью.
Терморезисторы изолированные, герметизированные с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, способны функционировать в условиях агрессивных сред и повышенной радиации. Чувствительные элементы выполнены в керамических трубках длиной порядка 30 см и допускают помещение в высокотемпературную зону технологических установок. Блок преобразователей выполнен в корпусе размером 16x30x80 мм. Уменьшению размеров этого блока способствует применение современных волоконных соединителей типа LC. Рабочая температура блока лежит в диапазоне 0- 70 С. -Принципиальным достоинством разработанного датчика является частотный принцип кодирования измерительной информации, что исключает погрешности связанные с изменениями амплитудных характеристик оптического сигнала, обусловленных, например, изменением пропускания волоконных световодов. Длина измерительного тракта, при использовании мощных (400-800мВт) лазеров для питания преобразователя и лазеров с низкими (5-10 мА) пороговыми токами применяемых в качестве вторичного источника излучения, может составлять несколько километров.
Волоконно-оптический датчик углеводородных газов с преобразователем частоты на основе ИК-светодиода
Наиболее близким к практической реализации вариантом датчика является вариант с преобразователем частоты, выполненном на основе инфракрасного светодиода. Это связано с доступностью на рынке всех необходимых, в том числе ключевых, компонентов. В их число входят инфракрасные светодиоды с длиной волны излучения в области 3,3мкм, PbSe-фоторезисторы в качестве фотодетектора, а также оптопары на их основе, нацеленные на детектирование определенных газов, различающихся по характеру спектра поглощения. Примером выпускаемой серийно оптопары отечественного производства может служить изделие OPR1-3230 производства RMT Ltd. (г. Москва) [99]. Оптопара представляет собой комплект, состоящий из инфракрасного светодиода и двухканального фотодетектора. Спектр излучения светодиода имеем максимум в области 3.3мкм, ширина спектра (по уровню 0,5) составляет примерно 0,8 мкм. Каждый канал двухканального фотодетектора оснащен - -узкополосным интерференционным фильтром. Полоса пропускания первого фильтра соответствует линии поглощения детектируемого газа, например метана. Полоса пропускания второго фильтра находится в относительной близости от полосы пропускания первого фильтра, однако отличается от положения линии поглощения детектируемого газа. Таким образом, формируются два канала измерения мощности прошедшего через кювету оптического излучения. Если первый канал реагирует на изменения мощности излучения, связанные с изменениями концентрации детектируемого газа, то второй канал служит в качестве опорного и отслеживает флуктуации мощности, связанные с другими факторами (флуктуации источника, появление примесей, рассеяние и др.).
Таким образом, значение отношения сигналов в двух каналах соответствует значению концентрации детектируемого газа в атмосфере. Основной проблемой применения инфракрасных оптопар в системах с ограниченным энергетическим бюджетом является относительно высокий, порядка 1 ООмА, ток светодиода. Для минимизации среднего энергопотребления блока, находящегося в зоне измерений, в предлагаемом устройстве реализуется схема включения элементов, как показано на Рис.32. Устройство работает следующим образом. Фоторезисторы R(CH4) и RREF подключены в качестве частотозадающих элементов RC-цепей к сдвоенным мультивибраторам 1 и 2 соответственно. Здесь R(CH.i) - значение сопротивления фоторезистора, зависящее от концентрации детектируемого газа, a RREF - опорное сопротивление. Конденсаторы в составе этих RC-цепей подбираются таким образом, чтобы при любых значениях R(CH4) и RREi: длительность импульса от мультивибратора 2 была больше соответствующей длительности импульса от мультивибратора 1. Это необходимо для последующей идентификации импульсов. Основным элементом устройства, управляющим средним энергопотреблением удаленного модуля является управляемый генератор импульсов 3. Он генерирует последовательность прямоугольных импульсов, являющуюся управляющим сигналом для светодиода, и двух сдвоенных мультивибраторов. Включение светодиода осуществляется по заднему фронту импульса от генератора 3. Одновременно, т.е. по этому же сигналу, включаются мультивибраторы 1 и 2 (см. Рис.32). Выходные сигналы с мультивибраторов 1 и 2 подаются на формирователь 4, который формирует короткие (1-2мкс) импульсы по передним и задним фронтам импульсов от мультивибраторов 1 и 2. Момент времени, соответствующий заднему фронту импульса от мультивибратора 2, соответствует окончанию цикла измерений. Этот фронт является управляющим сигналом для генератора 3 на выключение светодиода и мультивибраторов 1 и 2. Затем генератор 3 устанавливает паузу продолжительностью около 0,5сек, после чего цикл измерений повторяется.
Сигнал от формирователя 4, представляющий собой группы из трех импульсов с большой скважностью модулирует ток накачки полупроводникового излучателя 5, таким образом, оптический сигнал, несущий измерительную информацию передается по оптическому волокну в блок декодирования, обработки и отображения. Этот блок определяет длительность временных интервалов между импульсами и на основе отношения соответствующих длительностей определяет концентрацию газа в атмосфере. Как показывают расчеты, при периодичности повторения цикла измерений составляющей 2 раза в секунду, потребление удаленного модуля составляет не более 3мВт. Соответственно, необходимая для питания мощность оптического излучения, передаваемого по волоконному световоду, составляет не более 10-12мВт. Это значение не превышает предельно допустимых норм, при которых обеспечивается полная пожаро- и взрывобезопасность гибридной измерительной системы. При этом пиковое значение тока через излучатель составляет 20-30мА, что позволяет получить пиковое значение мощности оптического излучения, передающего информационный сигнал, на уровне 2мВт. Это означает, что зона измерений может быть удалена от локальной зоны на расстояние до 2 км и более, при этом будет обеспечиваться устойчивая передача данных по волоконному световоду.
