|
|
Разработанные в 2005 году фотоприемники на природном алмазе типа 2а ФПЯ-1,ФПЯ-2.ФПА-1 обладают высокой фоточувствительностью Рпор =(1-2)*10Е-14 Вт/Гц1/2 с высоким квантовым выходом S i= 0,15А/Вт в "солнечно-слепой" области (0,19-0,28)мкм УФ-диапазона. Однако значительный дреф "нуля" и сигнала фотоответа, как результат неконтролируемых зарядовых флуктуаций в объеме алмаза, не позволял использовать алмазные фотоприемники в измерительной технике. Получить однозначный и стабильный уровень фотоответа от алмазного датчика путем стабилизации его температуры, а следовательно и темпа высвобождения электронов иэ ловушек, тем самым не допуская значительных зарядовых флуктуаций, был предпринят в данной работе. При этом был вновь разработан усиленный тракт на микросхеме К544УД1А. В результате стабильность сигнала от алмазного датчика выросла настолько, что удалось создать первый измерительный прибор- Оптический датчик пламени (ДПЕ-1) УФ-С диапазона на природном алмазе. УДК 62 число кодов 21474 Еремин Владимир Викторович, Никитин Михаил Степанович ФГУП «Альфа» г. Москва E - mail: ereminvla@yandex.ru Тел. (495) 785-31-85 Оптический датчик пламени (ДПЕ-1) УФ-C диапазона на природном алмазе. 1. Введение Задача снижения выбросов в атмосферу от сжигания различных углеводородов, образующихся при неполном их сгорании, особенно остро встает в наши дни. Абсолютно полного сгорания, при котором в отходящих газах наблюдались бы СО2 - двууглекислый газ (в нормальных условиях слабо активен) и Н2О – вода, достичь практически невозможно. Например, при сжигании в теплотехнических установках внезапно из магистрального трубопровода может пойти более “сырой” природный газ, что приведет к снижению полноты сгорания или сменится величина атмосферного давления, факел начнет обогащаться несгоревшими радикалами углеводородов. Выбросы будут увеличиваться всегда при уходе от режима полного сгорания. Недостаток воздуха повлечет избыток несгоревших радикалов углеводородов в отходящих газах, Переизбыток воздуха начнет снижать температуру газовоздушной смеси, подаваемой в горелку. Из-за снижения температуры опять возрастут выбросы. Отсюда следует, что установив по газоанализаторам точку наиболее полного сгорания углеводородов в топке теплотехнической установки нельзя гарантировать, что через некоторое время режим полного сгорания будет сохранен. Каков же выход? Одним из вариантов выхода является предложенная в технической литературе методика непрерывного контроля мощности УФ излучения от факела и по его результатам регулировка смеси природный газ/ воздух. [1]. За точку полного сгорания в методике принят минимум мощности УФ - излучения от факела в “солнечно-слепом” диапазоне оптического спектра. Действительно, углеводородные радикалы (Сx Нy) излучают в УФ диапазоне только при достаточно высокой температуре активации свечения, причем излучение от молекул метана (СН4) может происходить уже начиная с 950 град. С0. Молекулы другого углеводородного газа - ацетилена при этой температуре еще не активированы и УФ- излучение от них становится заметным начиная с температуры около 1500 град. С0 , которую можно получить, сжигая ацетилен в присутствии кислорода. Это говорит о том, что источником УФ-излучения становиться в данном случае не «молекулярное», а «температурное» излучение сильно разогретого газа - ацетилена. Температура плазмы из молекул ацетилена и кислорода достигает 3000 град. С0 . Мощность температурного УФ - излучения от плазмы на несколько порядков выше, чем мощность излучения от активированных молекул метана. Поэтому не существует единого подхода к определению точки полного сгорания при сжигании любого углеводородного топлива. В данной статье рассматривается сжигание в теплотехнических установках только природного газа. Чем больше неокисленных (несгоревших) радикалов углеводородов в факеле природного газа, тем мощнее УФ- излучение при некоторой установившейся температуре. При этом надо учитывать, что абсолютное значение мощности в (А-ближнем, В-среднем и С-дальнем) поддиапазонах УФ излучения на 4-5 порядков меньше мощности излучения в видимом диапазоне. Поэтому важно уйти от помех, создаваемых другими излучениями. Лучшим вариантом явилось бы использование «солнечно-слепого (0,2-0,28)мкм УФ-С-дальнего поддиапазона». В этом поддиапазоне на поверхность Земли не поступает ни одного кванта от Солнца. Излучение менее 0,2 мкм поглощается воздухом, а излучение менее 0,28 мкм не пропускает озон, расположенный на высоте 25-30 км. Это значит, что диапазон шириной 0,8 мкм свободен от помех. В нем не будет ложных срабатываний УФ - датчика от солнечных бликов. УФ - С - поддиапазон спектральной чувствительности, который стремятся освоить многие разработчики электронной аппаратуры. Предлагаются множество видов спектральных фотоприемников - на основе SiC, ALх GA1-х N, GAP, природный алмаз типа 2а, ламповые ионизационные датчики по технологии UV TRON (фирма Hamamatsu) и др.. Из упомянутых выше фотоприемников полностью в границы солнечно-слепого диапазона вкладывается спектральная чувствительность только у фотоприемников на природном алмазе и у ламп UV TRON. Остальные имеют широкую спектральную характеристику и им требуются оптические фильтры, что в значительной степени (до 60%) снижает фоточувствительность и это часто становиться непреодолимым препятствием.
2. Физика фотоприёма и её особенности у датчика пламени с фоточувствительным элементом (ФЧЭ) на алмазе.
В указанной выше методике [1] используется одноэлементный алмазный датчик. Размер элемента 2х2 мм2. В отличие от громоздких датчиков-ламп, на алмазах можно получать и многоэлементные фотоприемники, что обещает самые широкие перспективы его применения. Минимальный размер работающего элемента может достигать 50х50 мкм2 и менее. См. [2]. Алмазные пластинки для нужд электроники продаются в АЛРОСЕ и ГОХРАНЕ относительно недорого. Размер продаваемых пластинок в среднем 10 мм2. Например, цена алмазного датчика ФПЯ-1 (“фотоприемник с потенциальной ямой - 1”, автор данной статьи принял непосредственное участие в его создании) из пластинок таких размеров не превышает стоимости лампы UV TRON [3],[4]. Алмазные датчики изготавливаются серийно в ЗАО «Уралалмазинвест». Там создан солидный научно - технический потенциал в области разработки и применения алмазов в электронике. См. [5 ], [ 6] и др.
Функциональная схема датчика пламени.  Рис.1 Ультрафиолетовое излучение (hν) попав на алмазный ФЧЭ вызывает в нем фотоотклик в виде напряжения, пропорционального мощности излучения. Это напряжение усиливается усилителем постоянного тока (УПТ) с высокоомным ~ (1090м) входом. Принципиальная схема усилителя на рис.2.  Рис.2
Монтажная схема УПТ на Рис.3  Рис.3 Усиленное напряжение от датчика отображается на дисплее двухканального усилителя ТРМ200-Щ2. В приемном зонде кроме УПТ располагается регулятор температуры на фоточувствительном элементе. Он необходим, как показала практика, для снижения воздействия влажности на поверхность алмазного датчика. Регулятор поддерживает температуру на (10-15)град. С0 выше температуры окружающей среды, что способствует отсутствию адсорбции паров воды и растворенных в них атомов щелочных металлов внутрь корпуса алмазного датчика.
Принципиальная схема регулятора температуры приведена на Рис.4  Рис.4 Монтажная схема блока терморегулятора приведена на Рис.5  Рис.5
Технология изготовления алмазных датчиков в настоящее время находится в зачаточном состоянии и поиски эффективного и надежного покрытия для алмаза еще не привели к желаемому результату. Справиться с инверсией поверхности алмаза гораздо сложнее, чем на кремнии. Собственная концентрация алмаза N= 1*1012 1/cм3, у кремния N= 1*1014 1/cм3. По аналогии с полупроводниками, имеющими решетку алмазного типа, например кремнием, и объемная концентрация которых близка к собственной ожидается что и у алмаза загрязнение поверхности ионами щелочных металлов при наличии полярных гидроксильных групп (ОН)- приведет к размытию границы потенциальной ямы в месте выхода двойного электрического слоя из объема алмаза на поверхность. Физическая модель фотоприёма на алмазе уже рассматривалась в технической литературе. См. например [3],[6].  Рис.6
Кроме размытия двойного электрического слоя (образование инверсионных каналов) на загрязненной поверхности алмаза снижается поверхностное сопротивление (повышаются токи утечки), Все это сказывается на фотоотклике, который становится нестабильным и дрейфует во времени. При хорошо отмытом, высушенном и качественно герметизированном корпусе утечки сведены к минимуму. Уровень фотоответа (Uф) хорошо воспроизводится Если на такой датчик подать излучение, то величина напряжения фотоответа установится не сразу. См. Рис.7.  Рис.7 Фронт нарастания (t1) напряжения фотоответа от момента включения сначала быстро растет и определяется входным сопротивлением УПТ и емкостью алмаза, затем на уровне примерно 0,8 Uф начинают, по-видимому, заполняться глубокие ловушечные уровни в алмазе [7]., что обуславливает сверхмедленный (1-2 сек.) рост фотоответа. При выключении света фронт спада (t2) тоже определяется входным сопротивлением R1 и емкостью алмаза Cалм. и в данном случае составляет 250 мксек. Медленный спад начинается примерно от уровня Uф (0,2 до 0). Здесь спад определяется высвобождением носителей заряда из ловушек. Если УФ излучение промодулировать короткими импульсами, то ловушки не будут успевать заполняться и можно получить форму импульсов близкую к прямоугольной. При этом затяжки установления Uф на верхнем и нижнем уровнях будут сведены к минимуму. Загрязнения поверхности прежде всего сказываются на удержании значения Uф, которое может дрейфовать в сторону как понижения, так и непрерывного повышения, выходя за пределы динамического диапазона усилителя и даже менять знак.
3. Цифровая обработка сигнала и алгоритм работы датчика пламени. Аналогово-цифровое преобразование напряжения фотосигнала Uф производится двухканальным измерителем ТРМ200-Щ2 фирмы «ОВЕН». Эта же фирма выпускает программное устройство ПЛК100-220.Р, модуль вывода для команд МВУ8-Р на двигатели подачи воздуха, установки начального положения заслонки и др.. Информация по обработке сигнала и выполнение команд производится по интерфейсу связи RS-485. Все данные по указанным приборам фирма «Овен» предоставляет всем заинтересованным лицам.
Программа обработки сигнала происходит по разработанному алгоритму. См. Рис.8.  Обработка сигнала может проходить в двух режимах - ручном и автоматическом. Переключения осуществляются на верхней панели датчика пламени. См.рис.9.  В автоматическом режиме программа испрашивает, есть ли сигнал от датчика. Нет сигнала – лампа «Подключите датчик» горит. Нужно снять крышку с входного зрачка и произвести засветку датчика, после чего вновь одеть крышку. При наличии фотосигнала от датчика включается лампа «Нет начальной установки заслонки» - т.е. воздушная заслонка открыта лишь настолько, насколько это необходимо для розжига? Оператор подтверждает это вручную, путем нажатия кнопки Кн1 “Подтверждение начальной установки заслонки”. Одновременно происходит запоминание величины напряжения в отсутствии излучения (крышка одета) и загорается лампа “Снимите крышку с датчика”. Оператор снимает крышку и нажимает кнопку Кн3 ”Пуск”.
После этого оператор уже не участвует в процессе регулировки соотношения газ/воздух. Автоматика следит за наличием пламени, находит минимальное напряжение фотоответа (что соответствует полному сгоранию) путем вначале увеличения расхода воздуха через заслонку относительно исходного и устанавливает 10% границы регулирования относительно найденного минимума. Если фотонапряжение выходит за границы регулирования автоматика начнет закрывает заслонку даже при небольшом уменьшении Uф (при этом зависимость мощности излучения от обогащения факела воздухом не претерпевает скачков). При увеличении Uф заслонка начнет открываться до нахождения нового значения минимума в зависимости. Найдя минимум алгоритм устанавливает +/- 10% границы регулирования относительно нового найденного оптимального соотношения газ/воздух. Таким образом для каждого значения расхода газа автоматически будет найден такой режим расхода воздуха, при котором осуществляется полное сгорание углеводородов в факеле.
В ручном режиме подбор минимального значения фотосигнала от расхода воздуха при неизменном расходе газа осуществляется оператором вручную по показаниям двухканального измерителя. Найдя минимум фотосигнала, оператор нажимает кнопку ”Пуск”. Автоматика запоминает найденное оператором значение, устанавливает +/- 10% границы регулирования. При выходе за границы регулирования вырабатываются световые и звуковые сигналы. Внешний вид датчика представлен на фотографии. См.рис.10.
 Литература:
|
|