Результат интеллектуальной деятельности: ПИРОМЕТР

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, а именно, к полупроводниковым детекторам, предназначенным для измерения и анализа характеристик инфракрасного (ИК) излучения. Имеется обширная область оптического приборостроения, где средневолновые ИК детекторы, например, имеющую рабочую полосу вблизи 3-5 мкм, могут оказаться незаменимыми для газоанализаторов [1], а также устройств, дистанционно измеряющих (радиационную) температуру, т.е. для пирометров [2, 3].

Известен пирометр [4], содержащий матрицу полупроводниковых инфракрасных фотоприемников (ИК камеру), оптическую систему, обеспечивающую концентрацию излучения от измеряемого объекта на фотоприемники, и электронные блоки усиления, аналого-цифрового преобразования и обработки электрических сигналов, вычислений, передачи и визуализации данных. Для получения данных на разных длинах волн используется вращающийся диск с фильтрами с рабочим длинами волн, находящимися в двух поддиапазонах 3-4.15 и 4.5-5 мкм соответственно. Недостатком известного пирометра является сложность конструкции, наличие механически подвижных частей и необходимость проведения дополнительных калибровок для измерений, например, для корректировки, связанной с нестабильностью прозрачности атмосферы.

Известен пирометр, содержащий, по крайней мере, два полупроводниковых ИК фотоприемника с возрастающей по ходу входящих лучей граничной длиной волны фоточувствительности, оптическую систему, обеспечивающую концентрацию излучения от измеряемого объекта, по крайней мере, на один из фотоприемников и электронные блоки усиления, аналого-цифрового преобразования и обработки электрических сигналов, вычислений, передачи и визуализации данных [5]. В известном пирометре в качестве фотоприемников используются фотодиоды (ФД), расположенные на расстоянии ~0.5 мм друг от друга. ИК ФД выполнены с активной областью из полупроводников с непрямой структурой зон (Si и Ge), при этом верхний фотодиод из Si выполняет роль светофильтра таким образом, что излучение проходит через него и попадает в нижний фотодиод из Ge. Размеры фотодиодов - до 3 мм. При этом один объектив может направить ИК излучение контролируемого объекта одновременно на два ФД, что позволяет достаточно точно согласовать площади измеряемой поверхности в обоих спектральных/измерительных каналах и использовать такой датчик для определения радиационной температуры объекта «методом отношения» [6, 7]. Достоинством пирометра является его простота, а недостатком - невысокая эффективность в длинноволновой части спектра, связанная с неполным использованием подающего на модуль излучения, обусловленная неэффективным выводом длинноволнового излучения из первого ФД и его неэффективным вводом во второй ФД. Кроме того, фотодиод на основе Si имеет высокую чувствительность к засветкам в видимом диапазоне спектра (0.4-0.8 мкм), а спектральный диапазон детектирования фотоприемника на основе Ge перекрывает возможные линии поглощения атмосферы/технологических газов.

Эти особенности известного пирометра приводят к значительным погрешностям в измерениях температуры и тем самым сужают область его применения.

Наиболее близким к изобретению является пирометр, содержащий, по крайней мере, два полупроводниковых инфракрасных фотоприемника, расположенную по ходу входящих лучей оптическую кювету, заполненную газом или газовой смесью, поглощающей часть излучения в рабочем диапазоне длин волн, оптическую систему, обеспечивающую концентрацию излучения от измеряемого объекта, по крайней мере, на один из фотоприемников и блок электронной обработки [8].

Блок электронной обработки обеспечивает усиление, аналого-цифровое преобразование и обработку электрических сигналов, расчеты, передачу и визуализацию данных.

Достоинством известного пирометра является его высокая точность измерений, т.к. наличие оптической кюветы, заполненной газом, поглощающим часть излучения в рабочем диапазоне длин волн фотоприемников, снижает методическую погрешность измерений, поскольку неспровоцированное появление газа в оптическом тракте пирометра приведет лишь к незначительному изменению сигнала в измерительном фотоприемнике (ах) из-за поглощения этого излучения в кювете. Кювета в данном случае выполняет «отрицательную» фильтрацию излучения. Существенное снижение погрешности имеет место при выполнении условия (α_г⋅C1⋅L1)>>(α_cp⋅C2⋅L2,), где С1, С2 - концентрация газа, имеющего полосу поглощения в рабочей области, по крайней мере, одного из фотоприемников, в кювете (С1) и в пространстве между пирометром и объектом измерения (С2), L1, L2 - оптический ход лучей внутри кюветы и в пространстве между пирометром и объектом измерения, соответственно, а α_ср и α_г - интегральные значения коэффициента поглощения газа по всей спектральной области чувствительности фотоприемника (αср) и по ее части, наиболее чувствительной к газу (α_г>>α_ср).

Недостатком известного пирометра являются его большие габариты.

Задачей изобретения является уменьшение габаритов пирометра.

Задача решается тем, что в пирометре, содержащем, по крайней мере, два полупроводниковых инфракрасных фотоприемника, расположенную по ходу входящих лучей оптическую кювету, заполненную газом или газовой смесью, поглощающей часть излучения в рабочем диапазоне длин волн, оптическую систему, обеспечивающую концентрацию излучения от измеряемого объекта, по крайней мере, на один из фотоприемников и блок электронной обработки, оптическая кювета выполнена в виде защитного герметичного корпуса оптической системы.

Выполнение оптической кюветы в виде защитного герметичного корпуса оптической системы уменьшает габариты пирометра, поскольку при этом отпадает необходимость в использовании отдельного громоздкого устройства - оптической кюветы. При этом создаются условия для реализации малогабаритных пирометров с защищенной от внешних воздействий пыли и влаги оптикой, поскольку функции защитного корпуса и кювет совмещены.

Пирометр может содержать большое число фотоприемников (1, 2, 7, … n) с возрастающей по ходу входящих лучей граничной длиной волны фоточувствительности λ_n…>λ₄>λ₂>λ₁. Модуль фотоприемников пирометра может содержать как фотосопротивления, так и фотодиоды, имеющие различающиеся по типу проводимости области, т.е. имеющие р-n переход. Стрелками, направленными вниз, на Фиг. 1 обозначены потоки излучения в разных спектральных областях: λ₁ - сплошные стрелки, λ₂ - короткий пунктир (λ₂>λ₁). Количество спектральных диапазонов может быть увеличено по сравнению с пирометрами, изображенными на Фиг. 1, до четырех и более при добавлении в конструкцию пирометра дополнительных фотоприемников так, что λ_n>λ_n-1>…>λ₃>λ₂>λ₁.

По типу подложки можно представить себе следующие сочетания структур типа А3В5 для ИК фотоприемников: GaAs(для фотоприемника №1)/CaSb((для фотоприемника №2), GaSb(1)/InAs(2), InAs(1)/InSb(2), n+-InAs(1)/InAs(2), GaSb(1)/InAs(2)/InSb(n) и т.д., обеспечивающие выполнение условия λ_n>λ₂>λ₁. В некоторых случаях подложка последнего по ходу лучей фотоприемника может быть непрозрачной (например, для лучей с λ=λ_n), если активный слой фотоприемника обращен (и в некоторых случаях состыкован) к оптическому клею.

Наиболее часто встречающийся газ, имеющий полосу поглощения вблизи оптимального для измерения температур 100-300°С диапазона (λ=3-5 мкм) это - углекислый газ (СО₂, λ=4.2-4.3 мкм), который содержится в нормальной атмосфере (его концентрация колеблется вблизи уровня 0.03 об. %). Поэтому его введение в кювету для ослабления или полного исключения его влияния на результаты измерений температуры особенно важно при проведении измерении на значительных расстояниях от объекта (более 1 м) и при вероятности появления на пути измерения углекислого газа с большими (более 1% об.) концентрациями, т.е. когда на оптическом пути имеется большое число молекул CO₂.

Заявляемое устройство поясняется чертежом, где:

на фиг. 1 схематически изображен вариант воплощения пирометра, в котором цифрами обозначены

1 - первый по ходу лучей фотоприемник

2 - второй по ходу лучей фотоприемник

3 - оптическая кювета

4 - газ или газовая смесь

5 - оптическая система

6 - блок электронной обработки (электронные блоки усиления, аналого-цифрового преобразования и обработки фототоков фотоприемников, вычислений, передачи и визуализации данных). Может также включать систему управления охладителем.

7 - стенки герметичного корпуса

8 - входное окно герметического корпуса/кюветы

9 - выходное окно герметического корпуса/кюветы

10 - оптический клей, заполняющий пространство между фотоприемниками

11 - корпус для монтажа фотоприемников, например, содержащий термоэлектрический охладитель (ТЭО).

На фиг. 2 приведены спектральные характеристики одного из вариантов двухспектрального, т.е. содержащего два независимых ФД, пирометра.

Заявляемый пирометр работает следующим образом. Пирометр направляют на объект измерений, излучающий тепловое излучение. При проходе излучения через кювету с газом происходит «фильтрация» этого излучения, а именно, из спектра излучения удаляются («вырезаются») области, соответствующие поглощению в газе, находящемуся в кювете/корпусе. Далее ИК излучение поглощается в первом фотоприемнике и создает в нем фототок и/или изменяет его сопротивление, при этом малоэнергетичные фотоны (обозначенные пунктирными стрелками) проходят сквозь первый фотоприемник (1) и поглощаются в активной области второго фотоприемника (2), создавая в нем фототок и/или изменяя его сопротивление, в соответствии с величиной потока излучения в пределах полосы чувствительности второго фотоприемника. Обычно для фотодиодов фототок пропорционален падающему потоку излучения. При наличии большего числа фотоприемников (n>3) процессы аналогичны описанным выше. Электрические сигналы от всех имеющихся в пирометре фотоприемников преобразуется с помощью блоков усиления, аналого-цифрового преобразования и обработки фототоков фотоприемников, вычислений, передачи и визуализации данных с использованием предварительных калибровок на тестовом объекте. При этом вычисления основываются на законе излучения черного тела, открытого М. Планком.

Один из вариантов вышеуказанных вычислений был продемонстрирован нами ранее [9] для квазимонохроматического ИК фотодиодного пирометра, который допускает аналитическое описание его работы с помощью известной функциональной зависимости - закона Планка - для некоторой «эффективной длины волны» измерения β, которая является постоянным параметром пирометра, определяемым спектральными характеристиками фотодиода (при условии неизменности его рабочей температуры и параметров оптической системы). Описание работы пирометра с помощью функциональной зависимости (передаточной функции пирометра) с параметрами, определяемыми при начальной градуировке, позволяет реализовать его периодическую калибровку и оценить величины инструментальной и методической погрешностей измерения температуры. Передаточная функция квазимонохроматического фотодиодного пирометра с учетом возможного поглощения теплового излучения в промежуточной среде между объектом измерения и фотодиодом может быть записана в виде:

где I_фД1,2 - измеряемые значения токов фотодиодов, пропорциональные регистрируемому потоку теплового излучения,

Т, К - абсолютная температура объекта,

β_1,2, мкм - параметр «эффективной длины волны» измерения, определяемый при градуировке пирометра при заданной рабочей температуре фотодиода,

К, А⋅см²⋅мкм/Вт - параметр пирометра, определяемый при калибровке, и зависящий от характеристик оптической, электронной схем пирометра и спектральной чувствительности фотодиода,

τ_1,2 - спектральный коэффициент пропускания промежуточной среды между объектом измерения и фотодиодом,

ε_1,2 - спектральный коэффициент излучения объекта,

C₁=3,7415⋅10^-16 Вт⋅м²- 1-я постоянная Планка,

С₂=14388 мкм⋅К - 2-я постоянная Планка.

Инструментальная составляющая погрешности измерения температуры связана с отношением сигнал/шум (ψ) для измеряемого тока фотодиода следующим соотношением:

где 1/ψ=dI_фД1,2/I_фД1,2 определяется величиной шумов фотодиода (dI_фД1,2), включенного в электронную измерительную схему пирометра.

Первоначальная градуировка пирометра осуществляется традиционным способом, т.е. с помощью калиброванного источника теплового (ИК) излучения - модели абсолютно черного тела (АЧТ) - для которого ε_1,2 полагается равным 1. В результате градуировки определяются параметры «эффективной длины волны» измерения, β_1,2, мкм, которые остаются неизменными для данной конструкции пирометра.

Произведение параметров К⋅т_1,2⋅ε_1,2 может меняться при изменении условий и/или смене объекта измерений, что часто является источником методических ошибок измерений, значительно превышающих инструментальные. Одним из методов снижения методической погрешности пирометра является его периодическая калибровка. В предлагаемом пирометре может быть реализован простой алгоритм калибровки, заключающийся в уточнении значения произведения параметров К⋅τ_1,2⋅ε_1,2 по одной «калибровочной температурной точке Т_с». Он состоит в определении токов фотодиодов (Ic_1,2), соответствующих выбранной температуре калибровки (Т_с). При этом выражение для расчета температуры для каждого из измерительных каналов пирометра будет иметь вид:

Суммарная погрешность обычно увеличивается за счет появления методической составляющей погрешности, связанной с наличием в атмосфере (между датчиком и объектом) газа (например, СО₂), поглощающего ИК излучение в спектральной области измерений, а также неконтролируемого появления на оптическом пути вышеупомянутого газа в неизвестной концентрации.

Влияние газа, поглощающего инфракрасное излучение в спектральной области измерений пирометра, описывается изменением параметра его передаточной функции τ_1,2. Величина возникающей при этом методической ошибки измерений может быть получена аналогично значению инструментальной ошибки измерений, при этом роль отношением сигнал/шум будет играть величина возможных отклонений спектрального коэффициента пропускания:

Для оценки возможных изменений тока фотодиода I_фД1,2 (измеряемого пирометрического сигнала I₀(Т)) под влиянием неконтролируемых изменений пропускания промежуточной среды (атмосферы) воспользуемся законом поглощения Бугера-Бера при условии, что применительно к закону излучения Планка фотоприемник можно считать квазимонохроматическим:

где β - эффективная длина волны фотоприемника,

Δλ=λ2-λ1 - спектральная полоса чувствительности ИК фотоприемника.

Тогда коэффициент пропускания «τ» промежуточной среды при наличии в ней поглощающего газа, характеризуемого спектральным коэффициентом поглощения α(λ), может быть представлен через некоторое среднее значение «τ_ср (α_ср)» коэффициента поглощения газа по всей спектральной полосе чувствительности фотоприемника Δλ:

Он также может быть представлен через сумму двух существенно различающихся средних значений коэффициента поглощения газа для участков спектра чувствительности фотоприемника, где нет сильного поглощения газа «τ₀(α₀)» и где поглощение газа существенно «τ_г(α_г)»

где L, м - расстояние от фотодиода до объекта измерений,

С - концентрация газа,

Δλ = спектральная полоса чувствительности фотоприемника,

Δλ_г = спектральная область сильного поглощения газа в пределах полосы чувствительности фотоприемника.

Таким образом, можно записать

В выражении (8) α_г>>α_ср>α₀.

Ранее нами была предложена аналитическая модель ИК газового сенсора [10], основанная на линейчатом характере спектров поглощения газов в средней ИК-области спектра. На основании этой модели можно вычислить средние значения коэффициента поглощения газа для различной спектральной полосы детектирования. Расчеты и эксперименты по измерению коэффициента поглощения углекислого газа во всей полосе детектирования квазимонохроматического ФД с максимумом чувствительности 4.15 мкм (ширина полосы детектирования ФД Δλ≈0.4 мкм) дают значение α_ср≈0,19 см^-1. При этом поглощение СО₂ сосредоточено в значительно более узкой области (Δλ_CO2≈0.1 мкм) полосы детектирования ФД, которая характеризуется значительно большей величиной коэффициента поглощения α_СО2≈7,6 см^-1 >> α_ср.

Рассмотрим влияние фильтрующей газовой кюветы/герметичного корпуса длиной L1, наполненной газом с концентрацией С1. Присутствие газа на оптическом пути, конечно, несколько ослабляет интегральный сигнал пирометрического сенсора в соответствии с (2) в 1/τ_ср=exp(α_cpL1C1) раз. С другой стороны, это приведет к значительному ослаблению чувствительности сенсора в области Δλ_г, где находятся линии поглощения газа. Расчеты показывают, что при использовании газовой кюветы длиной 1 см с 100%-ой концентрацией CO₂ измеряемый пирометрический сигнал ослабляется всего на 20% (в 1.2 раза), в то время как вклад поглощения вблизи спектральных линий, соответствующих линиям поглощения углекислого уменьшится в 1/τ_г=ехр(7,6)=2000 раз. При этом вторым слагаемым в (8) можно пренебречь и значение методической погрешности будет определяться коэффициентом α₀<<α_ср, то есть пирометр с газовой кюветой можно считать нечувствительным к углекислому (мешающему) газу.

Пример. Фотоприемники были изготовлены в ООО «ИоффеЛЕД» на основе гетероструктур P-InAsSbP/n-InAs/n+-InAs и P-InAsSbP/n-InAsSb/n+-InAs и состыкованы с помощью халькогенидного стекла друг с другом и с иммерсионной линзой из кремния (не показана на Фиг. 1), как было описано в [11, 12]. При этом первый по ходу лучей ФД1 имел активную область из InAs, а второй (ФД2) - из InAsSb. Этим достигалось увеличение граничной длины волны фоточувствительности ФД по ходу лучей (λ2_InAsSb>λ_InAs). Полученный двухволновый ИК ФД (сборка двух ФД) монтировался на холодную грань ТЭО 1МС06 024/1 (позиция 11 на фиг. 1), горячая грань которого была припаяна к основанию корпуса ТО-8. Проводники от ФД1 и ФД2, ТЭО и термодатчика распаивались на ножки корпуса (корпус ТО-8 не показан на фиг.), которые в свою очередь присоединялись к входам электронного блока (6). Перед запайкой крышки корпуса ФД, на которой был герметично прикреплен круглый диск из сапфира (т.е. окошко для излучения), из корпуса ТО-8 вытеснялся воздух и запускался сухой углекислый газ (L1=0.5 см, С1≈100 об. % СО₂). После этого крышка корпуса запаивалась, и корпус становился герметично закрытым. Спектр фоточувствительности двухволнового ФД представлен на Фиг. 2. Как видно из Фиг. 2 датчик пирометра имел две полосы чувствительности - в области 3 мкм (поглощение в InAs) и 4 мкм (поглощение в InAsSb), при этом область поглощения углекислого газа находится в области чувствительности второго по ходу лучей фотоприемника.

В пирометре применялась оптическая схема, изображенная на Фиг. 1. В качестве фокусирующего элемента пирометра было использовано сферическое зеркало диаметром D=60 мм и радиусом кривизны R=400 мм (фокусное расстояние F=200 мм), что обеспечивало возможность исследования объекта с линейными размерами 20 мм на расстоянии порядка 200 см (коэффициент визирования V=1:100). Зеркальные элементы находились внутри кюветы заполненной углекислым газом так, что оптический ход лучей внутри кюветы составлял 15 см.

Аналоговая часть схемы детектирования и усиления сигналов фотодиодов (6) выполнена на прецизионных малошумящих операционных усилителях ISL28190 фирмы Intersil, обладающих низкими уровнями шумов по напряжению и току (e_noise=1 нВ/√Гц, i_noise=2.1 пА/√Гц). Регистрация тока фотодиодов осуществлялась в полосе 30 кГц (соответствует быстродействию фотометра не хуже 30 мкс) с коэффициентами преобразования ток-напряжение К=(3-5)⋅10⁵ В/А.

Цифровая часть пирометра, включающая схемы обработки сигналов фотодиодов и блок передачи осуществлена на Evaluation Board EVAL-ADuC 7026QS фирмы Analog Device [13]. Микроконтроллер ADuC 7026 представляет собой законченную интегральную систему сбора данных, разработанную для промышленных систем управления и автоматизации, «smart»-сенсоров, оптических сетей и т.п. Он включает высокопроизводительный микропроцессор ARM7TDMI, многоканальный АЦП (12 бит, частота выборок до 1 МГц), встроенную память, 4 выхода ЦАП, последовательный UART порт.

Микропроцессор также осуществлял расчет температуры по заданным аналитическим выражениям (формулы «зашивались» в микропроцессор через интерфейс RS232) с коэффициентами, определяемыми в процессе градуировки и калибровки, передачу расчетных значений температуры на цифровой выход - последовательный UART порт.

Дополнительные микропроцессоры ATTiny фирмы ATMEL осуществляли управление термоэлектрическими охладителями Пельтье (ТЭО), являющихся элементами конструкции фотодиодов. При экспериментальных исследованиях температура фотодиодов стабилизировалась на уровне (20±2)°С и поддерживалась с точностью ±0.1°С, что позволяло обеспечить стабильность спектральных характеристик фотодиодов (значений) при минимальном энергопотреблении ТЭО.

Градуировка пирометра осуществлялась традиционным способом с помощью калиброванного источника теплового излучения - модели абсолютно черного тела (АЧТ).

Экспериментально полученные значения среднеквадратичного уровня шумов фотодиодов при указанном быстродействии (шумов фотометра в полосе 30 кГц) составили величину порядка 2 nA для ФД2 и 5 nA для ФД1.

При заполнении кюветы углекислым газом наблюдалось ослабление измеряемого фотосигнала всего на 27% (≈ в 1.4 раза) в то время, как излучение в областях, соответствующих линиям поглощения углекислого подавлялось более чем на 150 дБ, то есть пирометр был нечувствительным к углекислому газу. Изготовленный пирометр стабильно работал в условиях сильно меняющейся концентрации углекислого газа (до 100% на пути измерения L2=200 см), возникающей, например, при быстропротекающем процессе горения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Б.А. Матвеев, Г.Ю. Сотникова, «Светодиоды средневолнового ИК диапазона на основе гетероструктур А3В5 в газоаналитическом приборостроении. Возможности и применения 2014-2018», Оптика и спектроскопия, 2019, том 127, вып. 2, стр. 300-305.

2. Александров С.Е., Гаврилов Г.А., Капралов А.А., Сотникова Г.Ю., Черных Д.Ф., Алексеев А.Н., Дудин А.Л., Коган И.В., Шкурко А.П.,"Устройство пирометрического контроля температуры подложки GaAs для установки молекулярно-лучевой эпитаксии", ЖТФ, 2004, том 74, выпуск 1, 213-127.

3. С.С. Сергеев, «ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ПИРОМЕТР СПЕКТРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ», Заявка: 2005116755/28, 01.06.2005.

4. Ed. J. Bevan, М.М. Briggs, J. Didomenico, R.W. Gedridge Jr., "Compact emissivity and temperature measuring infrared detector" заявка на изобретение WO 2006044883 A2 (США).

5. С.С. Сергеев, «Двухканальный пирометр», Патент РФ №2008119722, Заявка: 2008119722/28, 19.05.2008, G01J5/00.

6. «Method and apparatus for emissivity independent self-calibrating of a multiwavelength pyrometer», патент США US 5690429 A.

7. «Method of measuring temperature*, европейский патент ЕР 0759543 A1.

8. Дунаев В.Б., «СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ», патент РФ №1340302 с приоритетом от 16.12.1985, опубл. 27.03.1995; G01J 5/20.

9. Aleksandrov. S.E., Gavrilov, G.A., Sotnikova, G.Yu., "A3B5 photodiode sensors for low-temperature pyrometry", Proc. SPIE vol. 8073, 80731A-1-9 (2011).

10. Александров C.E., Гаврилов Г.А., Капралов A.A., Матвеев Б.А., Сотникова Г.Ю., Ременный М.А., «Моделирование характеристик оптических газовых сенсоров на основе диодных оптопар среднего ИК-диапазона спектра», Журнал технической физики, 2009, том 79, вып. 6, 112-118.

11. G.Yu. Sotnikova, S.E. Aleksandrov, G.A. Gavrilov, A.A. Kapralov, B.A. Matveev, M.A. Remennyi, M. Saadaoui, D. Zymelka, «Radiometric temperature measurements using In(Ga)As(Sb) backside illuminated photodiodes», Abstract of the 42-th Freiburg Infrared Colloquium, 3-4 March 2015, pp. 89-90.

12. Матвеев Б.А., Ременный M.А., «Многоканальный фотоприемный модуль», Патент РФ 2647977, Заявка на изобретение # 2014107335 (011592) от 25.02.2014.

13. www.analog.com