Читать книгу Все науки. №1, 2023. Международный научный журнал - Ибратжон Хатамович Алиев - Страница 5

УДК 621.38

Кулдашов Оббозжон Хокимович

Доктор технических наук, профессор Научно-исследовательского института «Физики полупроводников и микроэлектроники» при Национальном Университете Узбекистана
Эргашев Дониёр Жамолиддин угли
Магистр 2 курса кафедры «Физики полупроводников и полимеров» физического факультета Национального Университета Узбекистана имени Мирзо Улугбека

Научно-исследовательский институт «Физики полупроводников и микроэлектроники» при Национальном университете Узбекистана

Аннотация. Предложено оптоэлектронное устройство для дистанционного контроля температуры малоразмерных объектов, которое может быть успешно использовано при исследовании температурных характеристик гелиотехнических установок.

Ключевые слова: температура, оптоэлектроника, датчик, контроль, светодиод, фотодиод, блок схема, конструкция.

Annotation. An optoelectronic device for remote temperature control of small-sized objects is proposed, which can be successfully used in the study of temperature characteristics of solar installations.

Keywords: temperature, optoelectronics, sensor, control, LED, photodiode, block diagram, design.

Устройство для дистанционного контроля температуры содержит объект контроля 1, который через модулятор 2 оптически связан с первым приемником излучения 3, выход которого через первый усилитель 4, первый амплитудный детектор 5 и первый интегратор 6, соединённый с первым входом устройства получения отношения сигналов 13, второй приемник излучения 7, выход которого через второй усилитель 8, второй амплитудный детектор 9 и второй интегратор 10 соединен со вторым входом устройства получения отношения сигналов 13 выход которого соединен с входом регистрирующего устройство 14, устройство управления источника колмированного излучения 12, вход которого соединен с выходом первого усилителя 4, а выход соединен с входом источника колмированного излучения 11, который через отражение от поверхности контролируемого объекта 1 оптически связан со вторым приемником излучения 7, электрическим двигателем 15, ротор, которого механически связан с осью вращения модулятора 2. На рис.4.13. показана конструкция модулятора. Здесь: 16-ось вращения модулятора; 17-модулирующие отверстия; 18-металлический диск. На рисунок 4.14 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы предлагаемого устройства. На рис.1 приведена блок схема, а на рис 2 конструкция датчика.

Оптоэлектронное устройство работает следующим образом. Тепловой поток излучения Ф_ПИ1 (λ) объекта контроля 1, который пропорционален его температуре, проходит дистанцию l, модулируется модулятором 2 и поступает на чувствительную площадь первого приемника излучения. Поток, достигающий чувствительную площадь первого приемника излучения, согласно с теории оптоэлектронных приборов определяется как:

где: τ_c (λ) – спектральный коэффициент пропускания атмосферы; M_ко (λ) – спектральная плотность энергетической светимости, излучающая поверхности контролируемого объекта; А_ко – площадь излучающей поверхности контролируемого объекта; D_ПИ1 – диаметр входного зрачка первого приемника излучения; l – расстояние между контролируемым объектом и первым фотоприемником.

На таблице 1 приведены основные характеристики фотодиодов

С учетом что

выражения (1) примет вид:

где: ε_ко (λ) – спектральный коэффициент теплового излучения контролируемого объекта; M_ЧТ (λ) – спектральная плотность энергетической светимости черного тела. Учитывая, что приемник излучения работает в ограниченном спектральном диапазоне выражение (2) для длин волн λ1m которое соответствует максимуму чувствительности первого приемника излучений можно записать как:

где: ε_λ1mк0 – спектральный коэффициент теплового излучения контролируемого объекта на длинах волн λ1m; M_λ1mчт – спектральная плотность энергетической светимости черного тела на длинах волн λ1m; τ_λ1mс – коэффициент пропускания атмосферы на длинах волн λ1m.

Рис.1. Блок схема оптоэлектронного устройства.

Рис.2. Конструкция модулятора.

Рис.3. Временные диаграммы оптоэлектронного устройства.

Рис.4. Конструкция датчика.

С учетом закона Стефана- Больцмана что M_λ1mчт=σТ⁴ выражение (4) примет вид:

где: Т – температура контролируемого объекта; σ=5,6697*10^—8 Вт*м^-2*К^-4 – постоянная Стефана-Больцмана.

Кроме этого на чувствительную площадь первого приемника излучений 3 воздействует тепловой поток излучения от модулятора 2 который может быт описан соотношением

где: ε_λ1mм0 – спектральный коэффициент теплового излучения модулятора на длинах волн λ1m; T_мо – температура модулятора; А_мо – площадь излучаемой поверхности модулятора; l_мо – расстояние между модулятором и первым приемником излучения.

Поэтому суммарный поток воздействующий на чувствительную площадь первого приемника излучения имеет вид.

Тогда напряжение на выходе первого приемника излучений определяется как:

или

где: – коэффициент передачи первого приемника излучения.

Напряжение соответствующее выражению (9) с выхода второго приемника излучения 3 усиливается первым усилителем 4, в результате чего на его выходе формируется переменный электрический сигнал (см. фиг.3.в) амплитуда которого определяется как:

где k_y1 – коэффициент передачи первого усилителя 4.

Так как из-за использования дискового модулятора с симметричным модулирующими отверстиями, теплового излучения самого модулятора, который воздействует на чувствительную площадь первого приемника излучения в течение периода модуляции остается постоянным (см. рисунок 3 а) т.е.

Поэтому постоянная составляющего суммарного сигнала первого приёмника излучения 3 через усилитель переменного тока 4 не проходит. Т.е. амплитуда переменного составляющего усиленного сигнала является пропорциональным только лишь амплитуде потока Ф_λ1mПИ1.

Переменное составляющее усиленного сигнала детектируется первым амплитудным детектором 5. Детектированный сигнал (см. рисунок 3.д) с выхода первого амплитудного детектора 5 интегрируется первым интегратором 6 и подается на первый вход устройства получения отношения сигналов 13.

При этом напряжение, подводимое на первый вход устройства получения отношения сигналов 13, с учетом вышеизложенных может, быть описано выражением:

где k₁=kПИ1k_У1k_АД1k_ИНТ1 – общий коэффициент передачи блоков последовательно соединенных с первым приемником излучения 3, первого усилителя 4, первого амплитудного детектора 5 и первого интегратора 6; k_АД1 – коэффициент передачи первого амплитудного детектора; k_ИНТ1 – коэффициент передачи первого интегратора.

При воздействии выходного сигнала первого усилителя 4 на вход устройства управления источника коллимированного излучении 12 на его выходе формируется противофазный электрический сигнал. Последний подается на вход источника коллимированного излучения 11 и вызывает на его выходе импульсный поток коллимированного излучения.

Сформированный поток, источником коллимированного излучения 11 наводится к площади контролируемого объекта 1. При этом поток достигающий поверхность контролируемого объекта 1 в случае, А_ко≤А_киопределяется как:

где А_ки – площадь поперечного сечения коллимированного излучения; τ_λ2mc – коэффициент пропускания атмосферы на длинах волн λ2m; Ф_оλ2 – начальный поток коллимированного излучения. При этом отраженный поток от поверхности контролируемого объекта 1 определяется как:

где γ_ко – коэффициент отражения поверхности контролируемого объекта на длинах волн λ2.

При этом выражение для отраженного модулированного потока от поверхности контролируемого объекта и достигающего на чувствительную площадь второго приемника излучения 7 имеет вид:

где: D_ПИ2 – диаметр входного зрачка второго приемника излучения.

Кроме этого, в случае частичного совпадения спектр излучения контролируемого объекта со спектральной чувствительностью второго приемника излучений 7 на чувствительную площадь последнего воздействует немодулированный поток излучения от контролируемого объекта на длине волне λ2m.

где: ε_λ2mко – спектральный коэффициент теплового излучения контролируемого объекта на длинах волн λ2m;

Тогда суммарный поток излучения, воздействующий на чувствительную площадь второго приемника излучения 7 имеет вид.

Поэтому напряжение на выходе второго приемника излучений определяется как:

или

где k_ФП2 – коэффициент передачи второго приемника излучения.

Напряжение соответствующее выражению (18) с выхода второго приемника излучения 7 усиливается вторым усилителем 8 в результате чего на его выходе формируется переменный электрический сигнал (см. рис.3. г) амплитуда которого определяется как:

где k_y2 – коэффициент передачи второго усилителя 8.

Так как в течение периода повторение модуляции U_λ2mПИ2 можно считать постоянным т.е. (см. фиг.3.б)

Поэтому постоянная составляющая суммарного сигнала второго приёмника излучения 7 через усилитель переменного тока 8 не проходит. Т.е. амплитуда переменного составляющие усиленного сигнала является пропорциональным только лишь амплитуде потока Ф_λ2mПИ2.

Переменное составляющее усиленного сигнала детектируется вторым амплитудным детектором 9. Детектированный сигнал (см. рисунок 3. е) с выхода второго амплитудного детектора 9 интегрируется вторым интегратором 10 и подается на второй вход устройства получения отношения сигналов 13.

При этом напряжение, подводимое на второй вход устройства получения отношения сигналов 13, с учетом вышеизложенных может, быть определено как:

где k₂=k_ФП2k_У2k_АД2k_ИНТ2 – общий коэффициент передачи блоков последовательно соединенных второго приемника излучения 7, второго усилителя 8, второго амплитудного детектора 9 и второго интегратора 10; k_АД2 – коэффициент передачи второго амплитудного детектора; k_ИНТ2 – коэффициент передачи второго интегратора.

Известно, что у оптических приборов, предназначенных для измерения температуры в основном применяется прозрачная область спектра атмосферы. Поэтому для небольшой дистанции между объектом контроля и приемником излучений можно считать, что, τ_λ1mc=τ_λ2mc»1. Тогда при использовании идентичных электронных блоков для потоков излучения Ф_λ1mПИ1 и Ф_λ2mПИ2 имеем k₁=k₂. Поэтому на выходе устройства получения отношения сигналов 13, пропорционально температуре объекта контроля 1, формируется отношение напряжений:

или

Так как у солнечных параболоцилиндрических концентраторов коэффициент отражения в ближней и средней ИК области спектра является постоянным и составляет γ_λ2ко=0,1.

Тогда температура в локальной фокусной зоне солнечных параболоцилиндрических концентраторов определяется как:

Таким образом, из последнего выражения видно, что температура в локальной фокусной зоне солнечных параболоцилиндрических концентраторов пропорциональна отношению напряжений U_λ1m и U_λ2m, которая регистрируется регистрирующим устройством, где учитывается.

Литература

1. Эргашев С. Ф., Кулдашов О. Х. Контроль концентрации газов в геотермальной энергетике. НТЖ ФерПИ, 2014.№3. с 105—109.

2. Далиев С. Х., Насриддинов С. С., Кулдашов О. Х. Использование светодиодов (1,94 µm) для измерения влажности хлопка-сырца. Материалы международной конференции «Oптические и фотоэлектрические явления в полупроводниковых микро- и наноструктурах». Фергана, 2020, С.426—427.

3. Кулдашов О. Х. Оптоэлектронное устройство для дистанционного контроля температуры бунтов хлопка – сырца. Международная конференция «Геоинформационное обеспечение аэрокосмического мониторинга опасных природных процессов». Иркутск, НИУ,2010.

4. Безъязычная Т. В., Богданович М. В., Кабанов В. В., Кабанов Д. М., Лебедок Е. В., Паращук В. В., Рябцев А. Г., Рябцев Г. И., Шпак П. В., Щемелев М. А., Андреев И. А., Куницына Е. В., Шерстнев В. В., Яковлев Ю. П. Оптоэлектронные пары светодиод-фотодиод на основе гетероструктуры InAs/InAsSb/InAsSbP для детектирования углекислого газа. Физика и техника полупроводников, 2015, том 49, вып. 7. С1003—1006.

5. Jha S. et al.«Violet-blue LEDs based on p-GaN/n-ZnO nanorods and their stability // Nanotechnology. – 2011, doi: 10.1088/0957—4484/22/24/245202.