CC BY
15
УДК 681.7.013
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПИРО-МИКРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ ПРИ ПОГРУЖЕНИИ В ДИФФУЗИОННОЕ ПЛАМЯ
В.А.Карачинов, К.А.Зверев, Д.А.Евстигнеев, Д.А.Бондарев, Д.А.Петров
INVESTIGATION OF THE ENERGY CHARACTERISTICS OF PYRO-MEMS SYSTEM BASED ON SILICON CARBIDE AT IMMERSION IN DIFFUSION FLAME
V.A.Karachinov, K.A.Zverev, D.A.Evstigneev, D.A.Bondarev, D.A.Petrov
Институт электронных и информационных систем НовГУ, Polnovo@yandex.ru
В рамках телевизионной пирометрии разработана методика регистрации кинематических и тепловых характеристик газовых потоков в диапазоне температур 800-1300°С с помощью пиро-микромеханической системы на основе карбида кремния. Установлен характер зависимости освещенности ПЗС-матрицы от коэффициента формы исследуемого модуля датчика скорости, от его мощности излучения и температуры.
Ключевые слова: пиро-микромеханическая система, коэффициент формы, SiC-детектор, энергетический расчет, освещенность, телевизионная камера, эксперимент
Within the framework of television pyrometry, the authors developed a technique of recording the kinematic and thermal characteristics of gas flows in the temperature range of T = 800-1300 C using the pyro-MEMS system based on silicon carbide. The nature of the dependence of illumination of the CCD matrix on the shape factor of the investigated speed sensor module, its radiation power, and temperature is determined.
Keywords: pyro-MEMS system, aspect ratio, SiC detector, energy calculation, lighting, TV camera, experimen
Введение
В настоящее время существует множество методов и методик, позволяющих регистрировать скорость и температуру газовых потоков. Наиболее применимыми являются методы термопар, термоанемо-метрические методы, пирометры и другие датчики. Однако наиболее точные и наглядные результаты можно получать при помощи оптических методов, в том числе телевизионных, преимущество которых заключается в возможности визуализации технологии измерения характеристик газовых потоков [1-5]. Актуальность развития данного направления обусловлена как возможностью использования новой пиро-микромеханической измерительной системы на основе широкозонного наноматериала — карбида кремния, так и методами ее визуализации, в том числе, в реальном масштабе времени для одновременного измерения температуры и скорости раскаленного газового потока (пламени) в пределах одного кадра (сцены) [6]. При этом формирование измерительного сигнала в рамках данной системы осуществляется за счет использования энергии газового потока, что обеспечивает реализацию принципа энергонезависимой конструкции. В то же время задача получения достоверной количественной информации о скорости и температуре раскаленного газового потока вызывает повышенные требования к методике формирования качественного изображения пиро-микромеханической системы, находящейся в динамическом режиме (режим с переменным коэффициентом формы). Поэтому в данной работе анализируются особенности методики определения энергетических характеристик предложенной пиро-микромеханической системы для оценки возможности получения ее контрастного изображения в пламени.
Методика исследований
При разработке методики энергетического расчета телевизионно-измерительной системы использовалась оптико-геометрическая модель модуля датчика скорости в составе пиро-микромеханической системы, показанная на рис. 1.
В поток исследуемого газового пламени (2) со спектральным коэффициентом пропускания т = 0,72, создаваемый газовой форсункой (1), помещен маятник (3) из карбида кремния политипа 6Н, имеющий площадь 19 мм2, выполненный в виде прямоугольной пластины с коэффициентом диффузионного отражения рм = 0,8 [4,5]. Маятник закреплен в держатель (7), положение которого регулируется системой позиционирования (8). В фокальной плоскости маятника на расстоянии L расположен входной объектив телевизионной камеры (4), а на фокусном расстоянии / от линзы расположена ПЗС-матрица (5). Математические расчеты выполнялись с помощью ППП «MathCAD 15». При проведении экспериментальных исследований маятник помещался в различные области пламени: ядро, зона восстановления, факел, где нагревался за счет известных механизмов теплопередачи из раскаленного газового потока. В качестве эталонного термоприемника в экспериментах использовалась термопара ТХА с предельно допустимой температурой Тпр = 1300°С. Под действием потока происходило отклонение маятника от вертикали, которое регистрировалось при помощи телевизионной камеры VSC-751-USB. В качестве ПЗС-матрицы использовался черно-белый МФП 1/3" с разрешением 752 (Н)*582(У), объектив «Юпитер-17», с фокусным расстоянием/= 52 мм, диаметром объектива Dоб = 49 мм и со спектральным коэффициентом пропускания тоб = 0,9. Полученные изображения пере-
Рис.1. Оптико-геометрическая модель модуля датчика скорости в составе пиро-микромеханиеской системы на основе карбида кремния. 1 — система газовой форсунки; 2 — газовое пламя; 3 — маятник; 4 — объектив телевизионной камеры; 5 — ПЗС-матрица; 6 — компьютер; 7 — держатель; 8 — позиционер
давались на компьютер, на котором с помощью специального ПО «Fakel 1.0» и «Parus 5.0» производились расчеты скорости и температуры газового пламени [5].
Результаты исследований и их обсуждение
В рассматриваемой системе (рис.1) излучение от источника до объектива проходило через атмосферу незначительное расстояние (<0,4 м), поэтому эффектами ослабления пренебрегаем и принимаем коэффициент пропускания атмосферы татм = 1 [6] .
Освещенность основного объектива от излучения объекта в пламени (Вт/м2) [7]:
Po
Еоб = (1)
sû6
где Ро — мощность излучения объекта в пламени, Вт;
2 t 2 Боб = л-Dbx/4 — площадь поверхности объектива, м ;
Dbx — диаметр входного объектива, м.
Мощность излучения объекта в пламени можно найти как:
(2)
P = рм-a-S-(T 4 - T04 )
где ст — постоянная СтефанаБольцмана, Втм- К- ;
— площадь наблюдаемого объекта в пламени, м2; Т — температура пламени, К; То — температура окружающей среды, К.
Освещенность ПЗС-матрицы [3]:
Е _ Еоб ' ^ ил ' ^об ' ^атм [ Евх | (3)
Епзс _ 4'(Р+1)2 'I /') ' (3)
где Р_ б?ПЗСу/£>вх — линейное увеличение оптической системы.
Полной освещенностью телекамеры является сумма освещенностей от объекта в пламени Епзс, а также фоновая освещенность дневным светом. Освещенность в комнате у окна составляет около 100200 лк. Поэтому оценим фоновую освещенность объектива [4]:
Еф_об
k Po ^об
Г
S
- dk,
(4)
об
где Х1 и Х2 — длины волн, зависящие от температуры теплового излучения пламени, нм.
Фоновая освещенность ПЗС-матрицы может быть найдена:
Е
ф_пзс
_ Еф_об ' ^пл ' ^об ' ^атм (D
4'(Р+1)2 V / J ■ (5)
Детали изображения начинают сливаться, если за время накопления суммарное количество фотонов достигнет предельного значения (200000 или более, в зависимости от ПЗС-матрицы), и зарядовый пакет начнет перетекать в соседние пикселы [5]. Поэтому необходимо определить среднее число фотоэлектронов ^Пзс , накопленных на одном элементе ПЗС-матрицы:
N = t '5 ^k-LЕ
1 v пзс н Э h С 3C'
(6)
где ^ — время накопления заряда, с; 5э — площадь элемента, м2; % — квантовая эффективность ПЗС-матрицы, %; h — постоянная Планка; с — скорость света, м/с.
Среднее число фотоэлектронов Nф пзс , накопленных на одном элементе ПЗС-матрицы, при фоновом излучении:
Г^1
("kl
Jk1
h - c
'- ЕФпзс - dk.
(7)
Соотношение сигнал-шум можно определить
[6]:
N
ц = 20lg
1 ' ттт
(8)
где Nm — суммарное значение среднеквадратичного отклонения (СКО) шума:
Nm, (9)
2
где NФ — СКО фотонного шума потока от уровня суммарной освещенности, NП ПЗС — паспортное значение СКО темнового шума ПЗС.
Исследование проводилось в лаборатории на специальном макете (рис.1). Объект исследования в виде маятника располагался в различных зонах пламени, этому свидетельствуют 3 точки на графиках. Расчетные значения освещенности ПЗС-матрицы представлены на рис.2-4 в виде графиков зависимостей.
4-03;-302:20- 1 Е,Лк
10-
Р,Вт
1 ' 10 12
Рис.2. График зависимости освещенности ПЗС-матрицы от мощности излучения маятника из карбида кремния
- Е Лк
I >к
290 400 600 5С 0 1000 1200 1400 1600
Рис.3. График зависимости освещенности ПЗС-матрицы от температуры исследуемого маятника
В результате проведенных исследований расчетным путем определена зависимость освещенности ПЗС-матрицы от мощности излучения маятника из карбида кремния и от его температуры, помещенного в различные зоны пламени. Анализ данных, полученных при помощи методики определения энергетических характеристик, наглядно демонстрирует возможность применения метода в условиях высоких температур. Четко фиксируемый контраст изображения исследуемого объекта при помощи телевизионной камеры позволяет измерять скорость потока газового пламени по известной методике.
Рис.4. Зависимость освещенности ПЗС матрицы от изменения коэффициента формы излучающего маятника в пламени
При исследовании освещенности излучаемого объекта в пламени учитывался такой параметр, как коэффициент формы, который изменял свое значение в диапазоне от 9,52 до 12,6. Этот параметр введен с целью определения чувствительности ПЗС-матрицы телевизионной камеры к изменению площади излучаемой поверхности при отклонении маятника от вертикали под воздействием газового пламени. Во время проведения эксперимента коэффициент формы исследуемого объекта изменялся только в большую сторону, на что реагировала телевизионная камера.
Разработанная методика определения энергетических характеристик предложенной системы для оценки возможности получения контрастного изображения объекта в пламени в результате эксперимента доказала ее практическую значимость для оценки энергетических параметров.
Вывод
Разработанная методика расчета энергетических характеристик позволяет подобрать телевизионное оборудование таким образом, чтобы получить контрастное изображение нагретого тела в диффузионном пламени.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ 16-47-530820ра.
1. Мошаров В.Е., Орлов А.А., Радченко В.Н. Технология люминесцентных преобразователей давления и температуры в экспериментальной аэродинамике // Датчики и системы. 2004. №3. С.19-21.
2. Маслов Н.А., Бойко В.М., Голубев М.П. и др. Оптические приборы: учеб. пособие. Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т, 2008. 166 с.
3. Гиль В.В. Оптические методы исследования процессов горения. М.: Наука, 1984. 169 с.
4. Карачинов В.А., Карачинов Д.В., Торицин С.Б. Зондовые методы телевизионной пирометрии нагретых газовых потоков. В.Новгород: НовГУ, 2006. 108 с.
5. Карачинов В.А., Карачинов Д.В., Ильин С.В. Методы телевизионной термометрии гетерогенных систем. Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. 298 с.
6. Карачинов Д.В., Карачинов В.А., Зверев К.А. Заявка на изобретение. Класс МПК G01J5/00. Универсальная система на основе карбида кремния. Заявл 11.12.2016.
7. Пустынский И.Н., Зайцева Е.В. К расчету освещенности изображения и числа сигнальных электронов в телевизионном датчике на ПЗС-матрице // Доклады Томского гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники. 2009. №2(20). С.5-10.
References
1. Mosharov V.E., Orlov A.A., Radchenko V.N. Tekhnologiia liuminestsentnykh preobrazovatelei davleniia i temperatury v eksperimental'noi aerodinamike [Luminescence pressure and temperature transducers technology in experimental aerodynamics]. Datchiki i Sistemy - Sensors and Systems, 2004, no. 3, pp. 19-21.
2. Maslov N.A., Boiko V.M., Golubev M.P., Pavlov A. A., Pavlov Al.A., Pozdniakov G.A. Opticheskie pribory [Optical devices]. Novosibirsk, NSU Publ., 2008. 166 p.
3. Gil' V.V. Opticheskie metody issledovaniia protsessov goreniia [Optical methods for investigating combustion processes]. Moscow, "Nauka" Publ., 1984. 169 p.
4. Karachinov V.A., Karachinov D.V., Toritsin S.B. Zondovye metody televizionnoi pirometrii gazovykh potokov [Probe methods of the gas flow television pyrometry]. Veliky Novgorod, 2006. 108 p.
5. Karachinov V.A. Karachinov D.V., Il'in S.V. Metody televizionnoi termometrii geterogennykh sistem [The methods of television thermometry of heterogeneous systems]. Saarbrucken, LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. 298 p.
6. Karachinov D.V., Karachinov V.A., Zverev K.A. Univer-sal'naia sistema na osnove karbida kremniia [Universal system based on silicon carbide]. Claim for an invention, IPC class G01J5/00, 2016.
7. Pustynskii I.N., Zaitseva E.V. K raschetu osveshchennosti izobrazheniia i chisla signal'nykh elektronov v televizionnom datchike na PZS-matritse [To calculation of light exposure of the image and alarm electrons number in the television gauge on the CCD matrix]. Doklady Tomskogo gosudarstvennogo universiteta sistem upravleniia i radioelektroniki - Proceedings of the Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 2009, no. 2(20), pp. 5-10.
