Выбор оптимальной рабочей температуры фотоприемника в лазерном локаторе утечек метана «Аэропоиск-3М»

Abstract

The paper presents the results of an experimental study of the temperature dependence of the main parameters of semiconductor photoresistors of the middle IR range based on PbSe. These photoresistors are used in the receiving optical path (λ ~ 3,4 mkm) of helicopter laser locators for methane leaks from the gas mains "Aeropisk-3M", developed at the Tyumen State University. These locators are operated in gas transportation enterprises of PJSC "Gazprom" in conditions of significant seasonal temperature differences, therefore, the study of the effect of temperature changes on the main parameters of photoresistors and, in general, on the operational characteristics of laser locators of methane leaks is of practical interest. The paper describes an experimental laboratory setup for investigating the dependence of the dark resistance, the volt-watt sensitivity, the spectral density of the root-mean-square noise voltage and the photoresistors detectability on temperature, the measurement procedure is presented, the experimental results obtained and their discussion are presented. Based on the analysis of the experimental data, a conclusion is drawn in the paper about the optimal temperature range of the semiconductor PbSe photoresistors used, lying within 5..10°C. It is at these temperatures that the maximum detection power of the photodetectors used is reached, while maintaining an acceptable speed of the laser locator of methane leaks. The use of an active (based on small Peltier elements) thermal stabilization of the photodetector within the specified temperature range will significantly improve the characteristics of the "Aeropisk-3M" locator, in particular, improve the stability of its operation during year-round operation and increase the sensitivity of detection of methane leaks in periods characterized by high Ambient temperature.

В работе представлены результаты экспериментального исследования температурной зависимости основных параметров полупроводниковых фоторезисторов среднего ИК диапазона на основе PbSe. Именно такие фоторезисторы используются в приемном оптическом тракте (λ ~ 3,4 мкм) вертолетных лазерных локаторов утечек метана из магистральных газопроводов «Аэропоиск-3М», разработанных в Тюменском государственном университете. Данные локаторы эксплуатируются в газотранспортных предприятиях ПАО «Газпром» в условиях значительных сезонных температурных перепадов, поэтому изучение влияния изменений температуры на основные параметры фоторезисторов и, в целом, на эксплуатационные характеристики лазерных локаторов утечек метана представляет практический интерес. В работе описана экспериментальная лабораторная установка, предназначенная для исследования зависимости темнового сопротивления, вольт-ваттной чувствительности, спектральной плотности среднеквадратичного напряжения шумов и обнаружительной способности фоторезистора от температуры, приведена методика измерений, представлены полученные экспериментальные результаты и их обсуждение. На основе анализа экспериментальных данных в работе сделан вывод об оптимальном температурном диапазоне работы используемых полупроводниковых PbSe фоторезисторов, лежащим в пределах 5..10°C. Именно при таких температурах достигается максимальное значение обнаружительной способности используемых фотоприемников при сохранении приемлемого быстродействия лазерного локатора утечек метана. Применение системы активной (на основе малогабаритных элементов Пельтье) термостабилизации фотоприемника в пределах указанного температурного диапазона позволит заметным образом улучшить характеристики локатора «Аэропоиск-3М», в частности, повысить стабильность его работы при круглогодичной эксплуатации и увеличить чувствительность обнаружения утечек метана в периоды, характеризующиеся высокой температурой окружающей среды.