УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2004 года по МПК G05D23/30 

Изобретение относится к автоматике, в частности к устройствам стабилизации температуры фотоэлемента приемника лучистой энергии, и может быть использовано для термостатирования фоточувствительных элементов в оптико-электронных приборах, например фотометрических устройствах, пирометрах и оптических датчиках.

Известно устройство [1], содержащее фотодиод, включенный в фотогальваническом режиме и преобразователь ток-напряжение, выполненный на основе прецизионного операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью. Фотодиод и резистор обратной связи помещены в термостат и находятся в тепловом контакте с нагревателем и датчиком температуры термостата. Один из электродов фотодиода подключен к общей шине, а второй - ко входу преобразователя ток-напряжение и входу резисторов обратной связи, выход обратной связи соединен с выходом преобразователя ток-напряжение. Выход датчика температуры термостата подключен ко входу источника опорного напряжения и усилителю пропорционального регулятора, выход которого соединен со входом нагревателя.

Недостатком данного устройства является то, что устройство содержит дополнительный транзистор, используемый как датчик температуры, кроме того, возникающий градиент температуры между фотодиодом и датчиком температуры приводит к понижению точности поддержания температуры термостабилизации фоточувствительного элемента.

Также известно устройство [2], содержащее фотодиод и операционный усилитель, снабженное дополнительным операционным усилителем, тремя резисторами, теплопроводящей подложкой, общей шиной и по меньшей мере тремя транзисторами. Один из транзисторов служит термодатчиком, а другие - нагревателями, расположенными вокруг фотодиода на теплопроводящей подложке, имеющей тепловой контакт со всеми элементами фотоприемника.

Недостатком этого устройства является также необходимость использования датчика температуры в виде транзистора и наличие градиента между фоточувствительным элементом и датчиком температуры термостатирования.

Известно устройство [3], содержащее фоточувствительный элемент с оптическим окном, последовательно соединенные фоточувствительный элемент и усилитель, последовательно соединенные операционный усилитель и исполнительный элемент, а также задатчик температуры и импульсный источник излучения, причем задатчик температуры подключен к одному из входов усилителя, фоточувствительный элемент установлен на исполнительном элементе и оба они помещены в термостат, а импульсный источник излучения оптически связан с фоточувствительным элементом, причем в него дополнительно введены генератор импульсов и элемент памяти, вход которого соединен с выходом усилителя, а выход - с другим входом операционного усилителя, выход генератора импульсов подключен к управляющим входам импульсного источника излучения и элемента памяти.

Это устройство позволяет упростить устройство и повысить точность термостатирования за счет исключения отдельного датчика температуры. Недостатком данного устройства является ограниченная точность термостатирования при наличии внешней засветки, что обусловлено изменением сопротивления фоточувствительного элемента, а также повышенное время выхода на рабочий режим термостатирования и усложнение устройства за счет необходимости применения импульсного источника излучения и генератора импульсов, подключенного к управляющим входам импульсного источника излучения и элемента памяти.

Известно также фотоприемное устройство [4], содержащее фоторезистор, подключенный к инвертирующему входу усилителя, выход которого соединен со входом цепи усреднения, включенной на вход функционального преобразователя, выход которого соединен с неинвертирующим входом усилителя, между инвертирующим входом усилителя и выходом цепи усреднения включен резистор, а второй выход фоторезистора подключен к общей точке источника питания.

В этом устройстве датчиком температуры, формирующим термокомпенсационное воздействие, является сам фоточувствительный элемент, что повышает точность и упрощает устройство. Недостатком этого устройства является то, что при этом не исключаются погрешности, вызванные температурными изменениями спектральной чувствительности, которые можно уменьшить только термостатированием.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [5], содержащее термостат с оптическим окном, последовательно соединенные фоточувствительный элемент и измерительный усилитель, последовательно соединенные усилитель и исполнительный элемент и задатчик температуры и импульсный источник излучения, причем задатчик температуры подключен к одному из входов суммирующего усилителя, фоточувствительный элемент установлен на исполнительном элементе и оба они помещены в термостат, а импульсный источник излучения оптически связан с фоточувствительным элементом, а также генератор импульсов и первый элемент памяти, вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, выход генератора импульсов подключен к управляющим входам импульсного источника излучения и первого элемента памяти, кроме того, оно содержит последовательно соединенные второй элемент памяти, входом соединенный с входом первого элемента памяти, и блок смещения постоянной составляющей информационного сигнала, подключенный выходом к входу коррекции нуля измерительного усилителя, а также инвертирующий усилитель, включенный между выходом первого элемента памяти и другим входом суммирующего усилителя, причем управляющие входы первого и второго элементов памяти подключены к выходу генератора импульсов в противофазе.

Это устройство позволяет повысить точность и стабильность термостатирования и обеспечивает уменьшение времени вхождения в рабочий режим за счет использования в качестве датчика температуры самого чувствительного элемента и использования дополнительного элемента памяти с блоком смещения постоянной составляющей информационного сигнала, однако недостатком данного устройства является наличие погрешности термостатирования при внешней засветке в период темновой паузы и усложнение устройства, связанное с необходимостью использования в устройстве импульсного источника излучения, генератора импульсов, двух элементов памяти, блока смещения постоянной составляющей и инвертирующего усилителя.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение устройства при сохранении точности термостатирования и времени вхождения в рабочий режим.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее термостат с оптическим окном, фоточувствительный элемент, инвертирующий усилитель, последовательно соединенные суммирующий усилитель и исполнительный элемент и задатчик температуры, причем задатчик температуры подключен к одному из входов суммирующего усилителя, фоточувствительный элемент установлен на исполнительном элементе и оба они помещены в термостат, согласно изобретению дополнительно введены цепь усреднения и преобразователь напряжения в ток, при этом измерительный усилитель и цепь усреднения включены последовательно, а к выходу цепи усреднения подключены вход преобразователя напряжения в ток и вход суммирующего усилителя, причем выход преобразователя напряжения в ток включен на инвертирующий вход измерительного усилителя, к которому также подключен фоточувствительный элемент.

Цепь усреднения выполнена в виде фильтра нижних частот.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для термостатирования фоточувствительного элемента. Устройство состоит из термостата 1 с оптическим окном 2, в который помещен облучаемый модулированным лучистым потоком 3 фоточувствительный элемент 4 и находящийся с ним в состоянии теплового контакта исполнительный элемент (охладитель или нагреватель) 5, последовательно включенных измерительного усилителя 6 и цепи усреднения 7, к выходу цепи усреднения подключены вход преобразователя напряжения в ток 8 и вход суммирующего усилителя 9, ко второму входу которого подключен задатчик температуры 10, выход преобразователя напряжения в ток 8 включен на инвертирующий вход измерительного усилителя 6, к которому также подключен фоточувствительный элемент 4.

Устройство для термостатирования фоточувствительного элемента работает следующим образом.

В отсутствие облучения фоточувствительного элемента 4 на входе измерительного усилителя 6 и последовательно включенной цепи усреднения будет присутствовать электрический сигнал, соответствующий величине сопротивления фоточувствительного элемента, определяемой его температурой. Выходной сигнал цепи усреднения при помощи суммирующего усилителя 9 сравнивается со значением задатчика температуры 10 и в зависимости от разбаланса производится при помощи исполнительного элемента 5 нагрев или охлаждение фоточувствительного элемента до температуры термостатирования, которая далее будет поддерживаться на заданном уровне. Одновременно при помощи преобразователя напряжения в ток 8 будет производиться смещение постоянной составляющей на входе измерительного усилителя 6, что обеспечит удержание его выходного сигнала вблизи нуля.

При облучении фоточувствительного элемента 4 модулированным лучистым потоком 3 на выходе усилителя 6 будет переменное напряжение, пропорциональное интенсивности лучистого потока, но на выходе цепи усреднения 7 оно останется неизменным, так как среднее значение периодического переменного напряжения за период равно нулю и выходной сигнал на выходе цепи усреднения, следовательно, и температура термостатирования будут поддерживаться на уровне, определяемом величиной сопротивления фоточувствительного слоя, зависящей от его температуры.

Использование новых элементов: цепи усреднения и преобразователя напряжения в ток, работа которых основана на известных принципах (см., например, кн. Мирский Г.Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. М.: “Энергия”, 1972, стр.48-51 и кн. Ленк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство. Пер. с англ. - М.: “Мир”, 1985, стр.283-285), при их соединении по предлагаемой схеме позволяет при сохранении точности термостатирования фоточувствительного элемента и времени вхождения в рабочий режим существенно упростить устройство. Цепь усреднения обеспечивает отделение медленно изменяющейся составляющей электрического сигнала, связанной с изменением сопротивления фоточувствительного элемента под действием температуры среды от регистрируемого фоточувствительным элементом периодичного сигнала, вызванного модулируемым лучистым потоком. При этом через преобразователь напряжение-ток производится смещение постоянной составляющей на входе измерительного усилителя, что приводит к привязке сигнала на входе этого усилителя к нулевому уровню. Одновременно с выхода цепи усреднения сигнал о величине сопротивления чувствительного слоя, определяемой его температурой, сравнивается на суммирующем усилителе со значением задатчика и в зависимости от разбаланса производится при помощи исполнительного элемента нагрев или охлаждение фоточувствительного элемента до заданной температуры термостатирования.

Таким образом, в предлагаемом устройстве благодаря новым элементам: цепи усреднения и преобразователю напряжения в ток и схеме их включения достигнуто упрощение известного устройства за счет исключения двух элементов памяти, импульсного источника излучения, генератора импульсов, блока смещения постоянной составляющей, инвертирующего усилителя и схемы их включения при сохранении точности термостатирования за счет использования в устройстве в качестве датчика температуры самого фоточувствительного элемента и сохранении времени вхождения в рабочий режим за счет применения преобразователя напряжения в ток и схемы его включения.

Источники информации

1. Широкоапертурный прецизионный фотоприемник. ПТЭ, №1, 1999 г., с.101-104.

2. АС СССР №1229591, БИ №17, 1986 г., М. кл. G 05 D 23/30.

3. АС СССР №1293715, БИ №8, 1987 г., М. кл. G 05 D 23/30.

4. Свидетельство на полезную модель №27220, БИ №1, 2003 г., М. кл. G 01 J 1/44.

5. АС СССР №1836668, БИ №31, 1993., М. кл. G 05 D 23/30.

Изобретение относится к устройствам стабилизации температуры фотоэлемента приемника лучистой энергии и может быть использовано для теромостатирования фоточувствительных элементов в оптико-электронных приборах, например фотометрических устройствах, пирометрах и оптических датчиках. Сущность изобретения: с целью упрощения устройства при сохранении точности термостатирования и времени вхождения в рабочий режим в устройство введены цепь осреднения и преобразователь напряжения в ток. В качестве датчика температуры использован сам фоточувствительный элемент, полезный сигнал с которого снимается с помощью цепи осреднения, а преобразователь напряжения в ток смещает сигнал на входе измерительного усилителя к нулевому уровню. Цепь осреднения выполнена в виде фильтра нижних частот. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для термостатирования фоточувствительного элемента, содержащее термостат с оптическим окном, фоточувствительный элемент, измерительный усилитель, последовательно соединенные суммирующий усилитель и исполнительный элемент и задатчик температуры, причем задатчик температуры подключен к одному из входов суммирующего усилителя, фоточувствительный элемент установлен на исполнительном элементе, и оба они помещены в термостат, отличающееся тем, что в него введены цепь усреднения и преобразователь напряжения в ток, при этом измерительный усилитель и цепь осреднения включены последовательно, а к выходу цепи усреднения подключены преобразователь напряжения в ток и вход суммирующего усилителя, причем выход преобразователя напряжения в ток включен на инвертирующий вход измерительного усилителя, к которому также подключен фоточувствительный элемент.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь усреднения выполнена в виде фильтра нижних частот.