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3 討論
3·1 基于探測器的相對測溫靈敏度的考慮
待測溫度每變化1 K時,號電平的變化量(本文即P1或P2的變化量)稱為系統的溫度靈敏度S[8,9]。即
不失一般性,同時也為簡單起見,以反射鏡不起作用時的情況(P1)為例進行討論。此時探測器輸出的電號的強度V(T)可寫成[8,9]
由式(12)作出的Sr~λT曲線如圖3所示。由圖3可以導出,在λT=2 898μm·K附近,系統正好工作在Sr~λT曲線的峰值區域。這就是說,對PIN硅光電二極管而言,只要待測溫度不高于T≈2 898/1·1=2 634 K,探測器的輸出號就處于靈敏區域。亦即,只要被測溫度有小的變動,就能引起Sr較大的變化。顯見,采用PIN硅光電二極管作光接收器件,肯定能滿足測溫范圍的高溫段對測溫靈敏度的要求。
3·2 基于探測器的溫度分辨率的考慮
據式(1),在極窄的波段內,當待測溫度改變ΔT時,容易導出系統接收到的輻射能的變化時,才能引起探測器的響應。式中,VS/VN為噪比,在推算系統的溫度分辨率時,取VS/VN=1;Δf為后續的選頻放大器的帶寬。將式(6)、式(13)、式(14)及式(15)代入式(16)中,并考慮極限情況,可以導出
上式中的ΔT即為探頭的溫度分辨率。
下面進行定量分析。對于實際的測量環境,取大氣的衰減系數τ0=0·85,光學系統對光的總透過率τλ=0·50,調制盤的調制系數η=0·80、PIN光電二極管的探測率D*=5·0×1012cm·Hz1/2·W-1、靈敏元面積A=5 mm×5 mm[10],選頻放大器的帶寬Δf=10Hz,光學系統的焦距f′=15 cm,通光口徑D=10 cm。為分析上的方便,同時也不失一般性,取ελ=0·50、Δλ=20 nm代入計算。在不同的待測溫度下,由式(17)作出的探測器的溫度分辨率隨波長的變化曲線,如圖4所示。
由圖4顯見:(1)探測器的溫度分辨率隨系統工作波長的增加而變高。例如,對于T=773 K而言,λ=0·60μm時,系統的溫度分辨力ΔT=1·662 K,顯然不符合要求。但當λ=0·80μm時,ΔT=0·004 K,顯然符合要求;(2)當待測溫度足夠高時,例如待測溫度T=923 K,λ≥0·70μm的波長都能滿足要求。
3·3 基于抑制光路中選擇性吸收氣體吸收影響的考慮
按3·1節要求,系統的工作波長越短,則測量的上限溫度就越高;而按3·2節要求,系統的工作波長越長,則測量較低的高溫時其溫度分辨率就越高,因此二者之間必然有一個折衷。一般情況下,進入光路中的粉塵、水蒸汽以及其它一些選擇性吸收氣體如二氧化碳等,都會成為外界干擾而影響到儀器的測溫精度。圖5給出了在0·6~3·0μm內海平面300 m長度的路徑上大氣的透射光譜曲線[11]。結合圖5,考慮到前面得出的結論和PIN硅光電二極管的小可探測光功率及后面關于測溫精度的分析與討論,本文取系統的工作波長λ1=0·8μm。
順便提及,λ1=0·8μm既符合本儀器的測溫下限T=600 K處的PIN硅光電二極管的小可探測光功率要求,又滿足采用16位A/D轉換器件時的二次儀表測溫靈敏度的要求。進一步的研究還表明,它還能使發射率的測量精度達到優。
3·4 基于系統抗反射輻射能力的考慮與波長帶寬的優化選擇
探測器接收到的來自待測目標方向的紅外輻射,由待測表面自身的輻射和待測表面對周圍環境輻射的反射這兩部分組成。為討論上的方便,將待測表面的溫度記為T0。其輻射出射度可寫成
使用前面給出的參數值,利用式(1)及式(21),在T0=900 K、Ts=800 K的情況下作出的測溫不確定度隨波長帶寬的變化曲線,如圖6所示。
由圖6顯見,當Δλ≤20 nm時,Ts=800 K的背景輻射對測溫精度幾乎不產生什么影響(由背景輻射帶來的測溫不確定度僅為0·01%)。但當Δλ>20nm時,影響漸增。研究還表明,在更高溫度的背景輻射下,產生可觀測影響的波長帶寬的起點值變小,且隨著波長帶寬的增加,這種影響變得更明顯。結合本節的分析結果和探測器件的小可探測光功率要求,本文選擇Δλ=20 nm作為系統的波長帶寬。
3·5 測量精度
ελ的標準差極大地影響系統的測溫標準差。由誤差傳遞公式[10],容易導出ελ的標準差
顯見,波長越短,系統的測溫標準差就越小,這是本儀器采用近紅外波長作為工作波長的重要原因之一。使用3·2節中給出的技術參數,以45#鋼作為測量對象,并取γ1=0·75、β=0·60。在測量距離約1 m的情況下,所得P1、P2的相對測量不確定度的典型值為|ΔP1/P1|≈|ΔP2/P2|≈0·5%。由式(19)、式(20)容易算出σελ≈1·7×10-2;對900 K的待測表面而言,計算可得σT≈1·19 K;σTT≈1·32%,這是比較的。
4 結 論
本文在研究探頭的溫度分辨率和儀器的相對溫度靈敏度的基礎上,結合光路中選擇性吸收氣體吸收影響的抑制以及考慮探測器的小可探測光功率,研究了儀器工作波長與波長帶寬的選取。得出實際測溫系統的波長及波長帶寬分別為λ1=0·8μm、Δλ=20 nm時,系統的測溫精度優于0·3%,其測溫靈敏度也滿足實際需要,實驗結果見表1。
直流號隔離器 [1] 首先將變送器或儀表的號，通過半導體器件調制變換，然后通過光感或磁感器件進行隔離轉換，然后再進行解調變換回隔離前原號，同時對隔離后號的供電電源進行隔離處理。保證變換后的號、電源、地之間獨立。
中文名 直流號隔離器 外文名 Dc signal isolator 類 別 隔離器 功 能 號、電源、地之間獨立 中介設備 光感或磁感器 領 域 工程技術 學 科 電力工程
低功耗是電子產品設計永無止境的追求，伴隨技術的發展，目前隔離器和柵的功耗與過去相比，已經減小許多，性能和技術指標也得到提高。
產品的功耗是各個功能單元功耗的總和，只有降低各個功能單元的功耗才能使得總得功耗降低，增加產品的熱穩定性和壽命。隔離器和柵由輸入、輸出、隔離、電源、等單元構成，其中單元是無源的限壓限流網絡，技術上進行低功耗改進的可能性非常小。主要在輸入、輸出、電源、隔離四個單元進行技術改進。
1、 輸出單元模塊的自適應負載技術
輸出模塊可以根據負載的大小動態調整輸出模塊的輸出功率，從而減少自身的發熱。傳統的負載設計是根據額定負載的大小設計輸出功率，當輸出負載非常小時，多余的負載功率就耗散在儀表內部，從而時儀表自身發熱。假設一臺隔離器的輸出負載設計為750歐姆，那么輸出驅動功率一般設計為0.5W。如果在實際應用中此隔離器的負載使用在50歐姆的環境下，那么就有 0.5W – 0.02W = 0.48W的功率轉換為儀表自身的發熱。如果時多路輸出將產生更多的熱量，而降低輸出模塊的額定功率在實際應用中又難以應付市場的復雜狀況。
自適應負載技術很好的解決了這個矛盾，此技術的原理圖示如下：
下表是對比的測試數據:
測試條件：電源24DC；負載變化 50歐姆～750歐姆
輸出模塊類型 標準輸出模塊自適應負載輸出模塊
模塊的耗散功率（50Ω） 320mW 10mW
模塊的耗散功率（250Ω） 220mW 10mW
模塊的耗散功率（500Ω） 120mW 10mW
模塊的耗散功率（750Ω） 20mW 10mW
從上表可以看到：自適應負載技術使得模塊的耗散功率是恒定在一個很低的水平，不會受到負載變化的影響。
負荷檢測可以根據負載的大小調整輸出功率，極大的減少了輸出模塊的發熱，用戶在定貨時無須說明負載大小，極大的方便了用戶的使用和緩解了庫存壓力。
2、 隔離單元模塊的低功耗改進
隔離單元是決定產品技術指標的重要單元。
目前隔離技術主要有磁隔離與光隔離兩大類。隔離電路形式有直接調制耦合，反饋調制耦合等多種形式，具體采用什么形式要根據產品的技術指標而定。 總的來講可以大致分為開關量號采用光隔離，模擬量號采用磁隔離的方式。從技術復雜程度來看，磁隔離比光隔離處理技術復雜，采用磁隔離技術， 設計者可以根據技術指標采用合適的設計方案，隔離的線性、精度可以根據產品要求靈活控制。而光隔離的線性、精度只能依賴器件廠家提供的技術指標， 設計人員可以調整的方式很少，也不可能超過廠家提供的技術指標。由于功耗大，光電隔離也不能實現無源隔離。北京國電中自電氣有限公司采用電流互感模式、電流互感反饋模式、 電壓互感模式、電壓互感反饋模式、電流互感功率補償模式等多種磁隔離方式。根據產品的特點選擇不同的磁隔離模式。
上述隔離模式中，電流互感功率補償模式是功耗低的模式，目前在新一代的無源隔離柵中使用，在保證技術指標的同時，降低了隔離單元的功耗。
3、電源模塊
電源的技術指標是基礎，決定產品的性能。目前流行的電源拓撲形式雖然非常多，也很成熟。但我們在隔離器和柵的電源設計中進行了技術創新，目前采用的參數式開關穩壓電源設計獲得了的發明專利。根據隔離器和柵的特點，參數式開關穩壓穩壓電源了效率，降低了電源的復雜程度。從工藝和成本上得到改進，減少了產品的故障率。
三、無源隔離器和柵
傳統的隔離器和柵均為有源，需要外接24V直流電源。而無源隔離器和柵不需要外接24V直流電源，接線數量減少了三分之一，降低了安裝和維護難度。因此，無源隔離器和柵的應用越來越廣泛，特別是在DCS和PLC系統的接口應用中，普遍采用無源隔離器和柵的設計模式
無源隔離器和柵的示意圖：
無源隔離器和柵是指無須外接24V直流電源，其工作所需要的能量來源于表示號的4 ~ 20mA電流。因此，無源隔離器和柵的功耗必須非常小，是一種功耗的設計應用。更低的功耗和更高的輸入、輸出線性是衡量無源隔離器和柵的關鍵指標。
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