Низкотемпературные пирометры

Скачать pdf

Введение

Основные характеристики фотодиодов среднего ИК диапазона

Передаточная функция и основные параметры цветовых пирометрических сенсоров на основе фотодиодов А3В5

Передаточная функция и ожидаемые параметры two-color пирометров на основе фотодиодов А3В5

Эксперимент

Выводы

Литература

Введение

Основные проблемы низкотемпературной пирометрии обусловлены слабым уровнем теплового излучения объекта при его температуре ниже 300 °С и смещением максимума излучения в дальнюю ИК-область спектра. В пирометрах широкого применения проблема детектирования слабого теплового излучения решается путем использования широкополосного (8-14 микрон) приемника излучении и измерением температуры на больших участках объекта. Коэффициент визирования  низкотемпературных пирометров - отношение размера участка, на котором измеряется температура, к расстоянию до входного зрачка пирометра, обычно невелик, около 1:10, что предполагает измерения температуры на площадях порядка десятков см² при расстоянии до объекта не более 50 см и достаточно большом времени измерений: 1 сек и более. Методы пирометрии, которых используются широкополосные фотоприемники, обычно называются радиационными. Радиационные пирометры градуируются на излучение АЧТ, поэтому при неизвестных значениях излучательной способности реального объекта (ε) ошибки измерений могут достигать 25-30% от измеряемой температуры и более [1]. Требования, предъявляемые к специализированным (профессиональным) пирометрам существенно выше. Коэффициент визирования таких приборов обычно не менее 1:50, время измерения может быть ограничено долями секунды (например, в задаче контроля температуры колесных букс движущегося поезда). Точность и воспроизводимость измерений температуры должна составлять доли - единицы градуса и не зависеть от материала и качества обработки поверхности объекта и неконтролируемых потерь света в промежуточной среде. В настоящее время такие параметры могут быть реализованы только в пирометрах, предназначенных для измерения температур выше 300°С, т.к. с ростом температуры мощность теплового излучения увеличивается, а наличие высокочувствительных детекторов ближнего ИК и видимого излучения  позволяет использовать узкополосные спектральные фильтры и реализовать методы цветовой  и многолучевой (multicolor) пирометрии. Мировым лидером в производстве таких специализированных пирометров является компания LumaSense Technologies Inc [2], объединившая бренды LUXTRON, MIKRON и IMPAC Infrared. Примерами таких пирометров являются  приборы M90R1-3 компании LUXTRON (диапазон температур 700-2000 °С, точность 0.7% от показаний, поле зрения 60:1, λ1=920 нм, λ2=980 нм), M770/M780 компании MIKRON³ (350-3500 °С, точность 0.5%, V=1:90, измерение в  ближней ИК области) и специализированные пирометры серии Modline R компании IRCON [3] (700-1400 °С, точность 0.75% от шкалы ,V=1:50, λ1=700-1080 нм, λ2=1080 нм).

Промышленные цветовые пирометров, предназначенные для измерения температур ниже 300°С, насколько известно авторам, изготавливаются только по однолучевой семе. Примером является пирометр серии IRE 140/34 компании IMPAC [2]: 50-500°С, поле зрения 50:1, λ=3.43 мкм.

Создание низкотемпературных двухлучевых (two-color) пирометров возможно только с использованием новых фотоприемников, имеющих высокую детектирующую способность в средней ИК области спектра (λ > 2 мкм). В этой связи представляют интерес фотодиоды среднего ИК-диапазона, разработанные в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН [4]. Они обладают высокой спектральной селективностью (Dλ/λmax≈0.15), а по быстродействию (до 10 нс) и детектирующей способности (1Е9-1Е11, см√Гц/Вт) существенно превосходят известные детекторы теплового ИК-излучения. Ранее уже был проведен сравнительный анализ различных типов фотодетекторов среднего ИК-диапазона и обоснована перспективность их использования для создания газовых сенсоров на основе принципов  недисперсионной спектроскопии. В данной работе будут рассмотрены перспективы их применения для реализации низкотемпературных цветовых пирометров с возможностью калибровки на реальный объект и two-color пирометров, реализующих принцип детектора отношения.

Для оценки перспективности использование новых типов детекторов в низкотемпературных пирометрах предлагается использовать подход, справедливый для квазимонохроматических детекторов излучения. Подход основан на аналитическом описании оптоэлектронных сенсоров с помощью передаточной функции, учитывающей спектральные и геометрические характеристики оптического канала пирометра, характеристики излучения реальных объектов, пропускание промежуточной среды и параметры фотоприемника. Анализ передаточной характеристики с учетом шумов детектора и усилительных схем позволяет оценить потенциальные значения чувствительности и погрешности сенсоров во всем диапазоне измеряемых температур для детекторов с различными спектральными характеристиками.

Основные характеристики фотодиодов среднего ИК диапазона

В ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН в течение ряда лет ведутся работы по разработке, совершенствованию технологии и производству фотодиодов на основе узкозонных полупроводниковых гетероструктур InAsSb, работающих при комнатной и повышенных температурах. Одним из результатов работы, является разработка технологии сопряжения чипов фотодиодов с иммерсионными линзами, что позволило почти на порядок повысить их детектирующую способность. Основным применением таких диодов является их использование в недисперсионных сенсорах химического анализа жидкостей и газов, имеющих сильные полосы поглощения в средней ИК области спектра. В частности, фотодиоды PD29Sr, PD34Sr, PD42Sr и PD47Sr, используются для детектирования паров воды, углеводородов (линии поглощения в области l=3.3 мкм), углекислого газа (l=4.26 мкм) и угарного газа (l=4.7 мкм).

В Таблице 1 приведены основные характеристики данных фотодиодов [4], необходимые для оценки потенциальных параметров цветовых пирометров, построенных  на их основе. Учитывая приведенные в последнем столбце таблицы эквивалентные значения собственных шумов фотодиодов, необходимо иметь в виду, что шумы предусилителя могут вносить заметный вклад в пороговую чувствительность (обнаружительную способность) пирометрического сенсора и выражение для вычисления минимальной детектируемой мощности ΔPmin должно быть записано в виде:

где индексом ор отмечены шумы усилителя. Типичные значения  входных шумов первого  каскада усиления тока фотодиода, выполненного на операционном  усилителе, имеют величину порядка ~ 2 nV/√Гц, поэтому значения минимальной детектируемой мощности ΔPmin  в сенсорах на фотодиодах PD42Sr и PD47Sr превышают приведенные значения NEP в 1.5 и 2 раза.

Передаточная функция и основные параметры цветовых пирометрических сенсоров на основе фотодиодов А3В5

Передаточная функция цветового пирометрического сенсора

Оценку параметров оптических сенсоров, используемых в измерительной аппаратуре, удобнее всего проводить путем определения передаточной характеристики измерительного устройства, которая связывает его выходной сигнал и измеряемую им физическую величину. В нашем случае измеряемой величиной является температура объекта (участка объекта) площадью В, которая вычисляется косвенным образом по результатам измерения мощности теплового излучения, регистрируемого детектором на некотором расстоянии от объекта. Фотодиод является «идеальным»  детектором излучения, т.к. его выходной ток линейно связан с падающей на него мощностью излучения через значение его токовой чувствительности SI(λ). С учетом ограниченного угла сбора излучения, определяемого оптической схемой сенсора, коэффициентов излучательной способности объекта ε(λ) и пропускания оптических элементов и промежуточной среды τ(λ), передаточная характеристика пирометрического сенсора на основе фотодиода, имеющего спектральное распределение токовой чувствительности SI(λ), будет описываться выражением:

где: kp = ¼ *(1-cos(α)) определяет эффективность сбора мощности теплового излучения  в телесном угле α; R0(λ, T) [Вт/(см2мкм)] - удельная спектральная плотность мощности теплового излучения АЧТ; Т – температура объекта в градусах Кельвина.

На Рис.1 приведены спектральные характеристики излучения АЧТ R0(λ, T) в диапазоне температур Т= -100… 400°С  и спектральные характеристики чувствительности фотодиодов, представленных в Таблице 1. Для предварительных оценок спектральные характеристики чувствительности фотодиодов достаточно хорошо могут быть аппроксимированы функциями Гаусса с параметрами λmax и Δλ, указанными в 7 столбце таблицы 1: Si(λ)= Si(λmax)·G(λmax, Δλ), где G(λmax,Δλ)- функция Гаусса, для которой выполняется условие нормировки:

Рис.1. Спектральные плотности излучения АЧТ при различных температурах и спектральные распределения чувствительности А3В5 фотодиодов (аппроксимация функциями Гаусса)

Такая аппроксимация была использована ранее 0 и получила экспериментальное подтверждение при моделировании характеристик оптических газовых сенсоров на основе данных фотодиодов. Видно, что области спектральной чувствительности фотодиодов близки к максимумам теплового излучения для рассматриваемого диапазона температур. Для выбранной аппроксимации спектральных характеристик фотодиодов были рассчитаны значения удельной (с 1 см² излучающей поверхности) мощности излучения АЧТ

для нормированных спектральных распределений G(λmax,Δλ), соответствующих фотодиодам PD29Sr, PD34Sr, PD42Sr, PD47Sr. Полученные значения для различных температур объекта представлены точками на графике Рис.2. На этом же графике сплошными линиями представлены аналогичные зависимости удельной мощности излучения АЧТ на спектральных линиях 2.9, 3.3, 4.4 и 4.7. Расчеты показывают, что относительное отклонение значений удельной мощности теплового излучения АЧТ в полосе чувствительности фотодиодов PD29Sr, PD34Sr, PD42Sr, PD47Sr от идеальной монохроматической зависимости не превышает 0.1- 1% для температур выше 0 градуса Цельсия. Это позволяет считать указанные выше детекторы с их спектральными характеристиками квазимонохроматическими и использовать монохроматическое приближение для записи передаточной функция пирометрических сенсоров на основе данных фотодиодов:

где С1 и С2- константы излучения в формуле Планка.

Рис.2. Зависимости удельной тепловой мощности излучения АЧТ на спектральных линиях 2.9, 3.3, 4.4 и 4.7 мкм в монохроматическом приближении (сплошные линии) и в спектральных диапазонах, соответствующих характеристикам фотодиодов PD29Sr, PD34Sr, PD42Sr, PD47Sr (точки). Стрелками указаны пороги детектирования температуры для этих фотодиодов при времени измерений 1 сек, площади измеряемой поверхности 1 см² и угле сбора излучения α≈ 2.2 градуса

Дифференцирование передаточной функции  определяет чувствительность сенсоров к изменению температуры:

и позволяет оценить методическую погрешность вычисления температуры в случае использования квазимонохроматического приближения для описания передаточных функций пирометрических сенсоров на основе А3В5 фотодиодов. Расчеты показывают, что отличие передаточной характеристики диодных сенсоров от идеальной монохроматической зависимости в пределах 0.1- 1% приводит к незначительной дополнительной погрешности (ΔТ/Т) не превышающей 0.1%. от измеряемой величины для температур выше 0 0C.

Из графиков Рис.2 также можно оценить диапазон изменения входной мощности фотодетектора при заданном диапазоне изменения температуры объекта. Видно, что при изменении температуры от 0 0C до 1000 0C мощность теплового излучения на спектральных линиях, соответствующих фотодиодам PD42Sr и PD47Sr изменяется всего на 4 порядка, что легко детектируется и обрабатывается стандартными аналоговыми и цифровыми средствами микроэлектроники.

Порог детектирования температуры

Порог обнаружения или минимальную измеряемую температуру, определяемую с доверительной вероятностью 0.95, можно рассчитать из условия IPhD(Tmin)= 3·dImin =3·Si(λmax)∙NEP. Подставив это значение в левую часть выражения для IPhD(T), получим уравнение для определения удельной пороговой детектируемой мощности излучения АЧТ  R0(λmax,Tmin)min, из которой определяется значение минимальной детектируемой температуры Tmin:

Графическое решение данного уравнения позволяет легко рассчитать пороговые значения температур, которые могут быть зарегистрированы с помощью пирометрических сенсоров на основе фотодиодов среднего ИК-диапазона, представленных в Таблице 1. Расчеты проведем для тел с типичным значением ε(λ)=0.7, линейных размерах измеряемого участка √В=1см, расстояниях до объекта 1 м (соответствует оптической схеме пирометров с коэффициентом визирования V= 1:100, характерном для  профессиональных измерительных приборов). Будем считать, что пропускание оптических элементов сенсора и промежуточной среды τ(λ) не хуже 0.15. Основные потери излучения обусловлены малым углом сбора теплового излучения объекта, распространяющегося равномерно в угле π радиан. Угол сбора излучения определяется оптической схемой сенсора пирометра. Исходя из диаметра входной линзы порядка 3.5 см при указанных выше расстояниях до объекта он составит величину α ≈ 2.20, при этом эффективность сбора теплового излучения составит величину kp≈ 8.2´Е-5. Значения R0(λmax,Tmin)min и соответствующие им значения минимальной детектируемой температуры для рассматриваемых фотодиодов рассчитаны по графикам Рис.2 и приведены в Таблице 2 (столбец Tmin).

Из таблицы 2 видно, что минимальный порог измеряемой температуры могут обеспечить сенсоры на основе фотодиодов PD34Sr и PD42Sr. Несмотря на то, что в области низких температур (до 300 °С) на длинноволновый диод PD42Sr приходит излучение большей мощности, значительно лучшие шумовые характеристики коротковолнового фотодиода PD34Sr позволяют производить измерения более низких температур.

Инструментальная погрешность

Инструментальная погрешность, определяющая чувствительность сенсора к изменению температуры, для каждого из рассматриваемых сенсоров может быть получена путем дифференцирования выражения (2) и ее значение с доверительной вероятностью 0.95 может быть рассчитано по формуле:

где ψ - отношения сигнал/шум на выходе сенсора  при измерении текущей температуры Т.

Рис.3. Инструментальные погрешности цветовых пирометрических сенсоров на основе А3В5 фотодиодов (сплошные линии) и двухканальных пирометрических сенсоров на основе пар светодиодов (пунктирные линии). Время измерения – 1 сек, линейные размеры измеряемого объекта-1 см, коэфф. визирования 1:100, произведение ε(λ)τ(λ)=0.1

Зависимости инструментальных погрешностей сенсоров, использующих рассмотренные выше фотодиоды, при времени измерений 1 с представлены на графике Рис.3 (сплошные линии), а их значения для температур 50 °C и 300°C представлены в столбцах 6 и 7 Таблицы 2. Как и следовало ожидать, минимальные инструментальные ошибки измерения температуры обеспечивают сенсоры с меньшим уровнем собственных шумов фотоприемника. Заметим, что реализовать инструментальную погрешность измерений в рассматриваемых сенсорах можно только при условии точного задания параметров ε(λ)τ(λ) или путем периодической калибровки сенсора на характерные температурные точки исследуемого объекта 0. Возможность такой калибровки обеспечивается достаточно точным (0.1- 1% в диапазоне температур 10-1000°C) описанием работы сенсора аналитическим выражением  вида (2).

Передаточная функция и ожидаемые параметры two-color пирометров на основе фотодиодов А3В5

Перспективы применения в пирометрии сенсоров на основе фотодиодов А3В5 связаны главным образом с возможностью практической реализации методов спектрального отношения, которые позволяют избежать методических ошибок, связанных с зависимостью выходного сигнала сенсора от точности определения величины произведения ε(λ)τ(λ) . Передаточная функция двухканального (двухцветного) пирометра, в котором используются два квазимонохроматических фотодиода со спектральными характеристиками S1i(λ1, Δλ1)и S2i(λ2, Δλ2), причем λ1 и λ2 расположены достаточно близко друг к другу, чтобы было справедливо равенство  S(λ1)*τ(λ1)= S(λ2)*τ(λ2) , будет иметь вид:

Погрешность измерений температуры в этом случае будет определяться только инструментальной погрешностью, которая с доверительной вероятности 0.95, может быть определена как:

где ψ1, ψ2 - отношения сигнал/шум на выходе каждого из спектральных измерительных каналов при измерении текущей температуры Т,

- эффективная длина волны двухцветного  пирометрического сенсора

В двух последних строках Таблицы 2 приведены расчетные значения параметров пирометров отношения, выполненных на парах фотодиодов PD34Sr/PD42Sr и PD34Sr/PD47Sr: пороговая температура и величина инструментальной ошибки при значениях измеряемой температуре 50 и 300 °С . (столбцы 6 и 7). Для пирометра отношения порог обнаружения температуры оказывается на несколько градусов выше, чем для одноканальных пирометров, выполненных на той же элементной базе.

На Рис.3 приведены расчетные значения инструментальной погрешности измерений двуцветных пирометрических сенсоров PD34Sr/PD47Sr и PD34Sr/PD42Sr (пунктирные линии) при указанных ранее условиях. Как видно из  Рис.3 пара диодов (PD34Sr/ PD42S по сравнению с парой PD34Sr/PD47Sr обеспечивает лучшие технические характеристики пирометра отношения, что выражается в значительно меньшей погрешности измерений. Этот факт объясняется лучшими параметрами диода PD42Sr по сравнению с PD47Sr. С другой стороны, выбор фотодиода PD47Sr в ряде случаев может оказаться предпочтительным, что обусловлено его нечувствительностью к углекислому газу, значительное содержание которого в атмосфере при измерениях на достаточно больших расстояниях от источника излучения может приводить к сильному неконтролируемому поглощению теплового излучения объекта.

Большая величина инструментальной ошибки измерений в пирометрах отношения по сравнению с однокональными сенсорами, выполненными на той же элементной базе, компенсируется отсутствием методической погрешности, связанной с неточностью оценки излучательной способности объекта или пропускания оптического канала. Так, при измерении температуры в области 300 °С пирометром отношения на паре диодов PD34Sr/PD42Sr инструментальная ошибка составляет 1 °С . Аналогичная погрешность измерений  достигается в одноканальных пирометрах при относительной точности определения произведения ε´τ не хуже 1%, что практически реализовать не всегда представляется возможным.

Эксперимент

Для экспериментальной проверки приведенных в данной работе оценок был изготовлен опытный образец сенсора на основе фотодиода PD47Sr (λ=4.65 мкм) со схемой детектирования тока на основе малошумящего операционного усилителя ICL28190. Фотодиод и усилитель были установлены на элементе Пельтье, с помощью которого стабилизировалась собственная температура сенсора. Объектом измерения являлось дно металлической емкости, в которую заливался кипяток. Температура объекта в процессе остывания воды менялась от 90 до 0°С (при добавлении льда) и измерялась термопарой. Для калибровки сенсора был использован метод калибровки на температурные точки исследуемого объекта [2]. На Рис.4 точками приведены экспериментальные значения выходного сигнала исследуемого пирометрического сенсора, нормированные на значения сигнала сенсора при температуре калибровки t=54 °С . Линейные размеры измеряемого участка объекта - 1 см, расстояние до объекта - 1 м, время измерения - 10 сек.

Рис.4. Экспериментальные значения выходного сигнала пирометрического сенсора на основе фотодиода PD47Sr (точки), нормированные на значения показаний сенсора к сигналу при температуре калибровки t=54 °C и соответствующая теоретическая кривая для монохроматического приближения (сплошная линия) для λmax=4.65 мкм. Время измерения – 1 сек, линейные размеры измеряемого объекта-1 см.

На этом же рисунке сплошной линией представлена теоретическая зависимость нормированного выходного сигнала сенсора, рассчитанная в соответствии с законом излучения Планка для спектральной составляющей λ =4.65 мкм. Из рисунка видно хорошее соответствие теоретической зависимости и экспериментальных точек, что свидетельствует о правомочности использования аналитического выражения (3) для описания работы сенсора. Разброс показаний в области 50 °С соответствует погрешности измерения температуры 2 °С при стабилизации его собственной температуры на уровне 18 °С. Это значение меньше, чем указанное в таблице 2, что объясняется большим временем измерения (усреднения) и приближением значения излучательной способности объекта к 1.

Выводы

Цветовые пирометры на основе новых фотодиодов среднего ИК-диапазона PD42Sr, PD47Sr и PD34Sr могут обеспечить параметры, превосходящие известные к настоящему времени цветовые пирометры как по нижнему порогу измерения температур – от 50 °C при высокой точности измерений – не хуже 0.8% в широком диапазоне измерений температуры до 1000 °C.

Высокая чувствительность и относительная узкополосность рассмотренных фотодиодов позволяет реализовать на их основе профессиональные двуцветные пирометры для диапазона температур 50 - 1000 °C, обладающие точностью не хуже 1% от шкалы при малых полях зрения (коэффициент визирования 1:100), с быстродействиием от единиц мс до 1 c и при этом менее чувствительные к неконтролируемым изменениям излучательной способности объекта и пропускания промежуточной среды .

Достоверность приведенных оценок температурных сенсоров на основе фотодиодов А3В5 подтверждается результатами испытаний образца сенсора на фотодиоде PD47Sr (λ=4.65 мкм), которые показали хорошее соответствие теоретической и экспериментальной зависимостей, что свидетельствует о правомочности использования квазимонохроматического приближения для описания работы сенсора. Это позволяет реализовать методы автокалибровки температурного сенсора для уменьшения  методической погрешности измерений. Экспериментально полученное значение нижнего порога измерения температуры составило 20 °C, температурное разрешение (чувствительность к изменению температуры)- не хуже 2 °C в диапазоне температур 20-100 °C при быстродействии - 0.1…10 с.

Литература

[1] Booth, N. and Smith, A. S., [Infrared Detectors], Goodwin House Publishers, New York & Boston, 241-248 (1997).

[2] http://www.lumasenseinc.com

[3] http://www.ircon.com

[4] http://www.ioffeled.com

[5] Sotnikova, G.Yu., Gavrilov, G.A., Aleksandrov, S.A., et al.,”Low Voltage CO2-Gas Sensor Based on III-V Mid-IR Immersion Lens Diode Optopairs: where we are and how far we can go?”, IEEE SENSORS JOURNAL,VOL.10,No.2, 225-234(2010)

[6] Sotnikova, G.Yu., Gavrilov, G.A., Aleksandrov, S.A.,”Performance analysis of diode optopair gas sensors”, Proc. SPIE 7356, 73561T-1-73561T-11 (2009).

[7] Aleksandrov,S.E.,. Gavrilov, G.A., Kapralov, A.A, Sotnikova, G.Yu. et al. “Pyrometer Unit for GaAs Substrate Temperature Control in an MBE System”, Technical Physics (Engl.Transl.), vol.74, no. 1, pp.123-127 (2004).