CC BY
78
Мухамадиев А. А. Mukhamadiev А. А.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационно-измерительная техника», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Тарасенко Л. С. Тагаяе^о Ь 8.
магистрант кафедры «Информационно-
измерительная техника», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 621.38:669
МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ УЗЛА ФОТОПРИЕМНИКА
Фотоприемник обеспечивает преобразование теплового излучения в выходной электрический сигнал. Учитывая, что от фотоприемника и его функционирования в значительной мере зависит качество работы акустооптического пирометра, задача его проектирования представляется весьма актуальной.
В результате проведенного анализа и исходя из конструкции акустооптического пирометра был выбран фотодиод на основе InGaAs фирмы Hamamatsu G5852-11. Также была выявлена необходимость обеспечения термостатирования приемника излучения. Для решения данной задачи наибольшее распространение получило встраивание в конструкцию фотодиода элементов Пельтье и датчика температуры, позволяющих обеспечить заданный температурный режим. Для обеспечения эффективного теплообмена с окружающей средой используется радиатор, в который вставляется фотодиод.
Авторами была разработана структурная схема информационно-измерительной системы контроля температуры фотодиода с целью обеспечения его термостатирования. Для управления термостатированием был выбран ПИД-регулятор. Проведено моделирование ПИД-регулятора в программе MathLab Simulink. Получена зависимость отношения измеренной температуры и заданной температуры ко времени. Приведено описание работы контроллера температуры, обеспечивающего термостатирование фотодиода. Описаны структура и принцип работы импульсного стабилизатора, являющегося ключевым элементом контроллера температуры.
Ключевые слова: фотодиод, термостатирование, элемент Пельтье, моделирование, ПИД-регулятор, контроллер температуры.
The photodetector provides conversion of thermal radiation into an output electrical signal. Considering that, the quality of the acoustooptic pyrometer depends on the photodetector and its functioning to a large extent, the task of designing it is very actual.
As a result of the analysis and based on the construction of an acoustooptic pyrometer, an InGaAs photodiode was selected from Hamamatsu G5852-11. The necessity of providing thermostatting of the radiation receiver was also revealed. To solve this problem, the most widespread is the integration in the construction of the photodiode of Peltier elements and the temperature sen-
АКУСТООПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА
TECHNIQUE FOR DESIGNING A PHOTODETECTOR ASSEMBLY OF AN ACOUSTOOPTIC PYROMETER
sor, which allow to provide a given temperature regime. To ensure effective heat exchange with the environment, a radiator is used, into which a photodiode is inserted.
The authors developed a structural diagram of the information-measuring system for monitoring the temperature of the photodiode in order to ensure its thermostating. To control the thermo-stating, a PID controller has been selected. The simulation of the PID controller in the MathLab Simulink program was carried out. The dependence of the ratio of the measured temperature and the given temperature to time is obtained. The description of the operation of a temperature controller providing temperature control of a photodiode is given. The structure and operating principle of a pulse stabilizer, which is a key element of a temperature controller, is described.
Key words: photodiode, thermostating, Peltier element, simulation, PID controller, temperature controller.
В соответствии с разработанной конструкцией акустооптического пирометра (АОП), рассмотренной в работах [1-10], одной из важнейших частей устройства является измерительный блок. Первичным элементом измерительного блока, воспринимающим входной сигнал в виде теплового излучения, предварительно прошедшего через коллиматор и акустооптический моно-хроматор, является фотоприемник, обеспечивающий его преобразование в выходной электрический сигнал. Учитывая, что от фотоприемника и его функционирования в значительной мере зависит качество работы АОП, задача его проектирования представляется весьма актуальной.
Несмотря на большое разнообразие фотоприемников наибольшее распространение в пирометрии получили фотодиоды, позволяющие обеспечить качественный прием излучения и его последующее преобразование в электрический сигнал (рисунок 1).
Учитывая необходимость согласования с оптическим блоком АОП, работающим в диапазоне от 1 -2 мкм, выбирается фотодиод на основе InGaAs. Также следует отметить, что в фотодиодах из ТпОаАБ достигаются боль-
R. А/Вг
шие значения показателя поглощения света, чем в фотодиодах из Ge, а плотность темно-вого тока в фотодиодах из Ge превышает на несколько порядков плотность темнового тока, выполненных из IпGaAs.
В ходе проведенного анализа различных исследований в области использования фотодиодов было выявлено, что наибольшее влияние на их характеристики оказывает температура, в связи с чем для нивелирования данного негативного воздействия необходимо обеспечить термостатирование приемника излучения. На сегодняшний день для решения данной задачи наибольшее распространение получило встраивание в конструкцию фотодиода элементов Пельтье и датчика температуры, позволяющих обеспечить заданный температурный режим.
Несмотря на большой выбор производителей авторы посчитали, что наиболее подходящим является фотодиод фирмы Hamamatsu G5852-11 (рисунок 2).
Для обеспечения эффективного теплообмена с окружающей средой необходимо использование радиатора, в который будет вставлен фотодиод. Производителем фотодиода предлагается радиатор с геометрическими
^ МКМ
Рисунок 1. Спектральные характеристики фотодиодов в зависимости от материала
Рисунок 2. Фотография фотодиода
Рисунок 3. Чертеж радиатора фотодиода
Рисунок 4. Фотография радиатора фотодиода
параметрами, соответствующими размерам и выводам фотодиода (рисунок 3). Внешний вид радиатора показан на рисунке 4.
Однако при проектировании радиатора учитывался определенный уровень тепловыделения фотодиода, что на практике зачастую невыполнимо, и присутствует постоянное изменение его температуры. Для обеспечения заложенных характеристик фотодиода необходим соответствующий тепловой режим работы. Постоянную температуру фотодиода можно обеспечить путем компенсации тепловыделений, а именно увеличением холодо-производительности элементов Пельтье. Термоэлектрический модуль поддерживает постоянную температуру во время работы, что позволяет ее точно измерять с улучшенным отношением сигнал / шум. Таким образом, необходима разработка информационно-измерительной системы контроля температуры фотодиода с целью обеспечения его тер-мостатирования. Для реализации подобной системы авторами предлагается следующая структура (рисунок 5).
Для обеспечения термостатирования фотодиода необходимо обеспечение соответствующего управления, т. е. надо выбрать правильный тип регулятора. На сегодня известны следующие типы регуляторов: пропорциональный (П-регулятор), интегральный
Рисунок 5. Структурная схема узла фотоприемника и блока обработки
(И-регулятор), пропорционально-интегральный (ПИ-регулятор), пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД-регулятор) и пропорционально-дифференциальный (ПД-регулятор). Сразу следует отметить, что широко применяемое двухпозиционное регулирование температуры не рекомендуется, так как оно ведет к перегрузке элементов Пельтье, деградации термоэлектрического модуля и значительному сокращению его срока службы. Для стабилизации температуры надо регулировать электрическую мощность на элементе Пельтье, т. е. произведение тока через модуль на напряжение на нем. Анализ литературы в данной области показывает, что недопустимо применение широтно-импульсной модуляции по причине 5 % пульсаций, поэтому необходим импульсный регулятор мощности с фильтром на выходе.
Таким образом, необходимо использовать ПИД-регулятор. Формирование управляющего сигнала можно описать следующей формулой
£
и(Ь) = кпе{€) + ки J е(т)с1т + кд ■
где кп, ku и кд — коэффициенты передачи соответственно для пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих выходного сигнала.
Рисунок 6. Схема ПИД-регулятора в MathLab
Моделирование ПИД-регулятора осуществим в программе MathLab Simulink (рисунок 6). Для моделирования выберем следующие значения параметров:
к = 0,39062500;
п 5 '
к = 0,0000390625;
и 5 '
кл = 0,312500;
д 5 '
Т = 0,5.
Полученный график (рисунок 7) показывает термостабилизацию температуры фотоприемника. По оси х — время в секундах, по оси у — отношение Т /Т , где Т — изме-
изм зао^ изм
ренная температура (полученная с датчика температуры), Тзад — заданная температура (значение температуры, до которой необходимо термостабилизировать фотоприемник).
тую регулировку выходного напряжения на термоэлектрическом модуле. В конструкции контроллера предусмотрен сглаживающий фильтр, обеспечивающий работу элемента при оптимальных настройках (исключает ускоренную деградацию элемента и локальные отказы).
Более подробно разберем структуру и принцип работы импульсного стабилизатора, являющегося ключевым элементом контроллера температуры (рисунок 8).
Рисунок 7. График выходного значения
Контроллер работает по принципу широтно-импульсной модуляции выходного напряжения, что обеспечивает бесступенча-
Рисунок 8. Схема импульсного стабилизатора
Биполярный транзистор УТ1 выступает в роли драйвера. Драйвер используется для управления затвором полевого транзистора УТ2. Резистор Я2 предназначен для ограничения тока коллектора, а также для предотвращения перегрузки порта микроконтроллера. Резистор Я3 необходим в данной схеме для того, чтобы не сжечь затвор полевого транзистора УТ2 в момент включения.
Когда с микроконтроллера приходит значение «0», транзистор УТ1 открывается, ток течет через резистор К2 на землю. Когда с микроконтроллера приходит значение «1», транзистор УТ1 закрыт, ток потечет через транзисторы Я2 и Я3, транзистор УТ2 откроется.
Выводы
Таким образом, методика проектирования узла фотоприемника акустооптического пирометра будет включать следующие пункты:
Список литературы
1. Фаррахов Р.Г., Мухамадиев А.А. Принципы построения оптических преобразователей температуры // Прикаспийский журнал: Управление и высокие технологии.
2009. № 2 (6). С. 21-26.
2. Фаррахов Р.Г., Ураксеев М.А., Мухамадиев А.А. Оптико-электронные преобразователи температуры для систем контроля технологическими процессами: науч. издание. Уфа: Уфимская государственная академия экономики и сервиса, 2010. 105 с.
3. Мухамадиев А.А., Фаррахов Р.Г., Ураксеев М.А. Акустооптические приборы информационно-измерительных систем экологического мониторинга: науч. издание. Уфа: Уфимская государственная академия экономики и сервиса, 2009. 119 с.
4. Мухамадиев А.А., Фаррахов Р.Г. Математическая модель акустооптического пирометра // Датчики и системы. 2012. № 2. С. 28-30.
5. Мухамадиев А.А., Фаррахов Р.Г. Статическая характеристика, чувствительность и разрешающая способность акустооптического пирометра // Датчики и системы. 2011. № 11. С. 41-43.
6. Мухамадиев А.А., Фаррахов Р.Г. Акустооптический преобразователь температуры // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2011. № 1. С. 2-28.
7. Фаррахов Р.Г., Мухамадиев А.А. Универсальный пирометр для измерения высоких температур // Датчики и системы.
2010. № 11. С. 23-25.
— выбор фотодиода с учетом оптических характеристик спроектированных и выбранных ранее элементов оптики и параметров падающего излучения;
— выбор типа охлаждения (естественное или принудительное) фотодиода, исходя из необходимых точностных характеристик устройства;
— подбор или проектирование радиатора для отвода тепла от фотодиода;
— проектирование информационно-измерительной системы контроля температуры фотодиода.
8. Фаррахов Р.Г Математическая модель оптического преобразователя температуры с волоконным световодом // Приборы. 2010. № 4. С. 11-14.
9. Фаррахов Р.Г., Мухамадиев А.А. Оптический преобразователь температуры для систем контроля и управления // Датчики и системы. 2010. № 10. С. 39-41.
10. Пат. 2399892 Российская Федерация, МПК 8 G 01 J 15/10. Оптический преобразователь температуры / Р.Г. Фаррахов, А.А. Мухамадиев (РФ). 2009122755/28, заявл. 15.06.2009; опубл. 20.09.10.
References
1. Farrahov R.G., Muhamadiev A.A. Principy postroenija opticheskih preob-razovatelej temperatury // Prikaspijskij zhurnal: Upravlenie i vysokie tehnologii. 2009. № 2 (6). S. 21-26.
2. Farrahov R.G., Urakseev M.A., Muhamadiev A.A. Optiko-jelektronnye preobra-zovateli temperatury dlja sistem kontrolja tehnologicheskimi processami: nauch. izdanie. Ufa: Ufimskaja gosudarstvennaja akademija jekonomiki i servisa, 2010. 105 s.
3. Muhamadiev A.A., Farrahov R.G., Urakseev M.A. Akustoopticheskie pribory informacionno-izmeritel'nyh sistem jekolo-gicheskogo monitoringa: nauch. izdanie. Ufa: Ufimskaja gosudarstvennaja akademija jekonomiki i servisa, 2009. 119 s.
4. Muhamadiev A.A., Farrahov R.G. Matematicheskaja model' akustoopticheskogo
pirometra // Datchiki i sistemy. 2012. № 2. S. 28-30.
5. Muhamadiev A.A., Farrahov R.G. Staticheskaja harakteristika, chuvstvitel'nost' i razreshajushhaja sposobnost' akustoopticheskogo pirometra // Datchiki i sistemy. 2011. № 11. S. 41-43.
6. Muhamadiev A.A., Farrahov R.G. Akustoopticheskij preobrazovatel' temperatury // Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika. 2011. № 1. S. 26-28.
7. Farrahov R.G., Muhamadiev A.A. Universal'nyj pirometr dlja izmerenija vysokih temperatur // Datchiki i sistemy. 2010. № 11. S. 23-25.
8. Farrahov R.G. Matematicheskaja model' opticheskogo preobrazovatelja temperatury s volokonnym svetovodom // Pribory. 2010. № 4. S. 11-14.
9. Farrahov R.G., Muhamadiev A.A. Opticheskij preobrazovatel' temperatury dlja sistem kontrolja i upravlenija // Datchiki i sistemy. 2010. № 10. S. 39-41.
10. Pat. 2399892 Rossijskaja Federacija, MPK 8 G 01 J 15/10. Opticheskij preobrazovatel' temperatury / R.G. Farrahov, A.A. Muhamadiev (RF). 2009122755/28, zajavl. 15.06.2009; opubl. 20.09.10.
