В статье рассмотрена актуальность разработки модуля термостабилизации лазерного блока. В современном мире актуальной проблемой является разработка новых современных лазерных источников для дистанционного обнаружения и измерения концентрации различных газов в атмосфере. Для обеспечения стабильной работы лазерного излучателя необходимо поддерживать температуру оптических каналов в заданном диапазоне. Для данных целей используется блок термостабилизации.
Ключевые слова: термоэлектрический модуль, лазерный блок, контроллер, датчик температуры, падение напряжения.
В результате развития промышленных технологий огромные массы воздуха с различными загрязняющими веществами поступают в атмосферу. В этой ситуации для контроля качества атмосферного воздуха и предупреждения аварийных выбросов промышленного района, наиболее перспективными сегодня представляются методы лазерного дистанционного зондирования, поскольку применение стандартных методов измерений параметров таких загрязняющих веществ на больших расстояниях оперативно и одновременно является проблематичным.
Наиболее информативным для зондирования атмосферы является спектральный диапазон 3–5 мкм. Это обусловлено тем, что в этом диапазоне поглощают излучение большое количество загрязняющих атмосферу веществ, таких как аммиак, сероводород, углеводороды и др. С точки зрения эксплуатации более разумно применять в лидаре твердотельные лазеры.
Одной из неотъемлемых частей системы контроля и управления является блок термостабилизации оптических каналов лазерного блока. Мощность излучения гольмиевого лазера существенным образом зависит от температуры кристалла Ho:YAG — она снижается при его нагреве. Для поддержания оптимальной температуры, кристалл устанавливается на термоэлектрический модуль (ТЭМ) с обратной связью через датчики температуры, встроенные в теплоотвод кристалла. Обработка сигнала с датчика температуры и управление работой термоэлектрического модуля (рис. 1) осуществляется программным обеспечением системы контроля и управления в соответствии с заданным алгоритмом.
Рис. 1. Термоэлектрический модуль компании КРИОТЕРМ
В блоке лазерном установлено 5 оптических каналов (кристаллов), температуру которых необходимо поддерживать: кристалл гольмия (+14…+16°С), акустооптический модулятор (+10…+50°С), акустооптический фильтр (+38…+42°С), два параметрических генератор света (+34…+42°С).
В настоящее время на рынке представлен огромный выбор устройств, предназначенных для реализации термостабилизации различных устройств. Каждое устройство имеет возможность обеспечить широкий температурный диапазон регулировки. Одним из главных недостатков подобных терморегуляторов являются их габариты. В лазерном блоке установлено 5 термоэлектрических модулей, управление которыми необходимо обеспечить. Использование такого количества готовых устройств сильно увеличивает габариты разрабатываемого лазерного комплекса зондирования. Также одним из условий разработки комплекса зондирования атмосферы является использование отечественной элементной базы.
Таким образом, функциональное обеспечение данной системы термостабилизации должно удовлетворить следующим требованиям: возможность подключения датчиков температуры и обработки выходных сигналов с них; возможность управления термопреобразователями Криотерм как в режиме нагрев, так и охлаждение; система должна быть разработана на базе отечественных элементов; наличие интерфейса приема/передачи данных; возможность дистанционного управления системой.
Вышеперечисленным требованиям не способны удовлетворить готовые блоки термостабилизации, поэтому актуальной является проектирование собственного модуля термостабилизации лазерного блока.
Проектирование модуля начали с подбора основного элемента, который должен выполнять контроль датчиков температуры и формировать сигналы управления термоэлектрическими модулями. Проведя анализ контроллеров, представленных на рынке, было решено использовать микросхему 1986ВЕ4У компании Миландр (рис. 2).
Рис. 2. Микроконтроллер 1986ВЕ4У
Одним из преимуществ данного устройства является наличие встроенного высокоскоростного 24-х разрядного аналого-цифрового преобразователя ∑∆ АЦП [1]. Проводниковые терморезисторы часто называют термометрами сопротивления, термопреобразователями сопротивления и резистивными детекторами температуры. В данном лазерном блоке и установлены датчики температуры из платины с номинальным значением электрического сопротивления 100 Ом при температуре 0℃ [2]. Подключение терморезисторов к выводам контроллера осуществляется напрямую, не требуя дополнительных усилителей сигнала, что значительно упрощает разрабатываемую схемы модуля термостабилизации. В данном случае цифровая схема контроля выходных сигналов с датчиков представляет собой цепочку из последовательно включенных 5 термопреобразователей.
Протекающий через терморезисторы ток, в соответствии с законом Ома создает на каждом из них падение напряжения, пропорциональное текущему значению сопротивления каждого термодатчика. Так как сопротивление термопреобразователей пропорционально их температуре то и падение напряжения на каждом из термопреобразователей является функцией температуры. Таким образом, измеряя падение напряжения на каждом терморезисторе, микроконтроллер вычисляет текущее значение температуры каждого элемента.
Измеренное значение температуры сравнивается микроконтроллером с пороговыми значениями, хранящимися во внутренней энергонезависимой памяти и по результатам сравнения микроконтроллер, формирует сигналы на включение соответствующих термомодулей в режим нагрева, в режим охлаждения или их отключения.
Расчет текущего значения температуры в зависимости от значения электрического сопротивления термопреобразователей осуществляется по формуле: RT=R0(1+AT+BT2–100CT3+CT4), где RТ — текущее значение сопротивления, R0=100Ом — значение сопротивления при Т=0°С, коэффициенты А=3,908*10–3 (°С–1), В=–5,775*10–7 (°С–2), С=–4,183*10–12 (°С–4).
В ходе выполнения работы была разработана принципиальная электрическая схема модуля термостабилизации блока лазерного на базе отечественного контроллера (рис. 3).
Рис. 3. Модуль термостабилизации блока лазерного
С помощью платы имеется возможность подключить 5 датчиков температуры к выводам аналого-цифрового преобразователя и 5 термоэлектрических модулей через промежуточную схему управления. Итоговый вариант платы был установлен в комплекс авиационного дистанционного зондирования атмосферы, который обеспечивал температуру оптических каналов в требуемых диапазонах. Также, с помощью микросхемы приёмопередатчика, была организована возможность обмена данных с компьютером оператора, что позволяет вести дистанционный контроль текущей температуры кристаллов и управлять термоэлектрическими модулями.
Литература:
- Микроконтроллер 1986ВЕ4У. Спецификация ТСКЯ.431296.009СП.
- HEL-700 Series. Sensing and Control Honeywell Datasheet.
