Система точного поддержания температуры при оптических измерениях в жидких средах

ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И МАТЕРИАЛЫ

СИСТЕМА ТОЧНОГО ПОДДЕРЖАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ В ЖИДКИХ СРЕДАХ

С.В. Андреев, Я.В. Рудин

В работе рассматривается задача контроля геометрических параметров мягких контактных линз (МКЛ) в гидратированном состоянии. Большое влияние на точность измерения радиуса кривизны, диаметра, толщины по центру и толщины краевой зоны оказывает температура физиологического раствора в кювете. Разработана система точного поддержания температуры при оптических измерениях в жидких средах, позволяющая проводить исследования в широком диапазоне задания температуры (от -30 до 70°С). Узкая зона плавного регулирования (±5°С от заданной температуры) позволяет быстро выходить в заданный режим и точно поддерживать температуру, исключая погрешности, вызванные инерционностью среды. Использование «обратимости» эффекта Пельтье позволяет поддерживать температуру как выше, так и ниже начальной.

Введение

В настоящее время в различных отраслях промышленности все чаще используются оптические методы контроля не только оптических параметров, но также геометрических и физических величин. Зачастую измерения проводятся измерения в жидких средах, например, при контроле теплостойкости и морозоустойчивости оптических покрытий, коэффициентов теплового расширения оптических материалов, контроле параметров оптических деталей сложной формы в иммерсионных жидкостях, контроле геометрических параметров мягких контактных линз (МКЛ).

Контактная линза - это оптический элемент, который надевается непосредственно на роговицу глаза человека и удерживается за счет сил поверхностного натяжения и веками. В настоящее время коррекция контактными линзами широко используется как наряду с традиционной очковой коррекцией, так и с новейшими методами рефракционной хирургии. Контактные линзы с успехом применяются не только для коррекции недостатков зрения, но и в косметических и лечебных целях.

Рынок МКЛ в России постоянно расширяется, и одной из важнейших задач при росте рынка является обеспечение отрасли точной контрольно-измерительной аппаратурой. Контроль параметров необходим при производстве, аттестации, а также при подборе МКЛ непосредственно в кабинете врача-офтальмолога.

Рассмотрим особенности МКЛ, определяющие требования к приборам для контроля их параметров. Под термином МКЛ в настоящее время понимаются контактные линзы, изготовленные из полимера с особыми свойствами - гидрогеля. Гидрогель - состояние полимерного каркаса с включенной в него водой. До гидратации гидрогели похожи на жесткие полимеры. При погружении в воду гидроксильные группы сухого полимера притягивают молекулы воды, и полимер поглощает воду. Объем поглощенной воды зависит от количества гидроксильных компонентов в его структуре. После гидратации полимер становится мягким и гибким. По фазовому состоянию гидрогели аморфны. Структура гидрогелей пронизана порами, число и размеры зависят от конкретного материала. Размеры пор (0,5-3,5 мкм) слишком малы для проникновения микроорганизмов, если структура полимера не повреждена. В то же время они достаточны для диффузии ионов, консервирующих веществ и растворенных в воде препаратов как в гидрогель, так и обратно.

Независимо от метода изготовления задача контроля геометрических параметров МКЛ является весьма важной. Для измерения параметров МКЛ в гидратированном состоянии применяются проекционные микроскопы. МКЛ помещается в специальную кювету с физиологическим раствором, где и производятся измерения радиуса кривизны, диаметра, толщины по центру и толщины краевой зоны МКЛ. Большое влияние на точность измерения указанных параметров оказывает поддержание заданной температуры физиологического раствора в кювете, из-за относительно больших значений температурного коэффициента расширения гидрогелей. Очевидно, что изменение температуры может происходить как за счет влияния факторов окружающей среды (температура окружающего установку воздуха), так и из-за нагрева источником света проекционной системы. В соответствие с требованиями международных стандартов, измерение параметров МКЛ в гидратированном состоянии должно проходить при температуре 20±2°С. Типовая оптическая схема установки для контроля параметров МКЛ приведена на рис. 1.

Наблюдательный экран и шкала

Зеркало

Диафрагма

Объектив

Измеряемая контактная линза

Подставка для контактной линзы (кю-Конденсор

Источник света

Рис 1. Типовая схема проекционной установки для контроля параметров МКЛ Описание применяемой кюветы и системы поддержания температуры

В литературе широко рассмотрены устройства поддержания заданной температуры, но они обычно реализуют поддержание температуры с условием, что начальная температура больше или меньше заданной, т.е. обеспечивается либо нагрев, либо охлаждение до заданного значения. Поскольку на самом деле начальная температура может быть как больше, так и меньше заданной, необходимо обеспечить как нагрев кюветы, так и охлаждение. Но энергетически невыгодно использование одновременно как постоянного нагрева и регулируемого охлаждения, так и наоборот.

Однако точность регулирования температуры определяется не только системой управления: на точность в большой степени влияют также масса нагревателя и среды (воды и пр.), т. е. инерционность системы. После выключения нагревателя температура окружающей среды некоторое время продолжает увеличиваться благодаря отдаче теп-

ла от нагревателя в окружающую среду. Точно так же и при включении нагревателя температура среды начинает повышаться не сразу, а с некоторой задержкой. Таким образом, возникает погрешность регулирования температуры, которая может достигать нескольких градусов. Избавиться от этого недостатка можно применением терморегулятора с плавным регулированием мощности нагревательного элемента.

Возможны два способа реализации системы поддержания заданной температуры физиологического раствора:

1) одновременной установкой на кювете нагревательных элементов и охладителей (пельтье-модулей);

2) с использованием «обратимости» эффекта Пельтье (изменение знака градиента температур между поверхностями при смене полярности напряжения питания) установить только одни пельтье-модули.

Нами был выбран второй способ реализации.

После нескольких переработок была разработана удачная, на наш взгляд, конструкция кюветы (рис. 2).

кювета из ПММА

датчик температуры

Рис. 2. Схема кюветы и системы охлаждения

Кювета, выполненная из полиметилметакрилата (ПММА), зажата с помощью 4-х стяжек между двумя алюминиевыми радиаторами с установленными на них термоэлектрическими пельтье-модулями ТЕС1. Пельтье-модули представляют собой элементы Пельтье, собранные между пластинами Al2O3, которые не вступают в химическую реакцию с физиологическим раствором и обеспечивают высокий коэффициент теплопередачи. В кювете были вырезаны окна для улучшения теплообмена элементов Пельтье с раствором. Для герметизации окон кюветы использовались уплотнительные прокладки из керамико-полимерного материала «Номакон2Gs». Фиксация взаимного расположения кюветы и радиаторов обеспечивается парой штифтов между радиатором и стенкой кюветы.

При поддержании температуры раствора, значительно отличающейся от начальной (или окружающей среды), площади радиаторов оказалось недостаточно для естественного воздушного охлаждения, что привело к длительному выходу на рабочий режим. Поскольку применение вентиляторов приведет к нежелательной вибрации, алюминиевые радиаторы были заменены на латунные с водяным охлаждением. За счет

высокой теплоемкости воды при объеме радиаторов вдвое больше емкости кюветы проток воды не требуется.

Ввиду больших токов потребления пельтье-модулей и нагревательных элементов (до 12 А) использована реверсивная тиристорная схема регуляторов напряжения, которая обеспечивает поддержание заданной температуры физиологического раствора. Соответственно, в зависимости от температуры раствора пельтье-модули либо его охлаждают, либо нагревают. Для увеличения устойчивости схемы угол открывания тиристоров меняется пропорционально интегральной разности температур - заданной и контролируемой термодатчиком, установленным внутри кюветы. Структурная схема регулятора приведена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема регулятора

Задатчик интенсивности (ЗИ) представляет собой интегрирующий усилитель, формирующий разностный сигнал опорного напряжения и напряжения с датчика температуры, установленного внутри кюветы. Далее сформированный сигнал поступает на регулятор тока (РТ), обеспечивающий ограничение тока пельтье-модулей на заданном уровне в зависимости от уровня задающего напряжения. Значение тока модулей снимается с датчика тока (ДТ), на котором гальваническая развязка обеспечивается за счет передачи модулированного сигнала через импульсный трансформатор с последующей демодуляцией. Обработанный сигнал поступает на логическое устройство (ЛУ) и систему фазоимпульсного управления (СИФУ). Логическое устройство осуществляет управление силовыми вентильными комплектами преобразователя и выполняет следующие функции: выбор нужного направления тока через пельтье-модули в зависимости от знака входного сигнала путем включения соответствующих ключей; блокировка входа ЛУ сигналом датчика состояния тиристоров (ДСТ), исключая одновременное включение тиристоров разных комплектов; формирование выдержки времени между моментом снятия импульсов с работавшего ранее комплекта и подачей их на вступивший в работу комплект. Датчик состояния тиристоров выдает информацию о состоянии управляемых тиристоров силового моста за счет контроля падения напряжения на переходе катод-анод. ДСТ гальванически развязан от схемы управления через оптроны. СИФУ предназначена для преобразования модуля постоянного управляющего напряжения в последовательность управляющих импульсов соответствующей фазы, подаваемых на управляющие электроды тиристоров силовых вентильных комплектов. Поскольку пельтье-модули имеют низкое напряжение питание (15В), то синхронизация осуществляется от трансформатора силового питания.

Применение оптронных тиристоров позволило исключить импульсные трансформаторы со вспомогательными элементами, упростить схему регулирования и управлять широкими (до 180°) импульсами, что позволяет исключить проблему токоудержания тиристоров.

Принципиальная схема системы поддержания температуры

Поскольку схема описанной системы регулирования получилась громоздкой и сложной для повторения, была разработана более простая схема управления (рис. 4) с расширенным диапазоном задания температуры (от -30 до 70°С) и узкой зоной плавного регулирования (±5°С от заданной температуры), что позволило быстро выходить в заданный режим и точно поддерживать температуру.

Рассмотрим работу регулятора на положительном плече. Датчиком температуры является терморезистор R11, имеющий отрицательный температурный коэффициент сопротивления (другими словами, его сопротивление уменьшается с повышением температуры). Терморезистор является одним из плеч делителя напряжения R11/R14, сигнал с выхода которого поступает через резистор R13 на неинвертирующий вход операционного усилителя (ОУ) (вывод 5 микросхемы DA3). На инвертирующий вход ОУ (вывод 4 микросхемы DA3) через резистор R12 подается задающее напряжение с движка переменного резистора R9. Микросхема DA3 усиливает поданные на ее входы сигналы, причем коэффициент усиления определяется сопротивлениями резисторов R12, R13, R15, R16; если соблюдается пропорция R13/R15= R12/R16, то коэффициент усиления К определяется соотношением К= R16/R12.

С выхода микросхемы DA3 (вывод 10) усиленный сигнал поступает через резистор R6 на неинвертирующий вход компаратора (микросхема DA2). Выходные каскады усилителя выполнены таким образом, что напряжение на выходе компаратора может принимать одно из двух значений: высокого или низкого уровня, т. е. компаратор имеет цифровой выход.

На инвертирующий вход компаратора (вывод 4) подается пилообразное напряжение, которое синхронизировано напряжением сети и имеет частоту 100 Гц. Генератор пилообразного напряжения выполнен на транзисторах VT1, VT2. Напряжение с выпрямительного моста DA1 (рис. 5, эпюра 1) поступает на базу транзистора VT1. Большую часть времени транзистор открыт, а в моменты, когда синусоидальное выпрям-ленное напряжение приближается к нулю, транзистор закрывается. На его коллекторе формируются короткие прямоугольные импульсы (рис. 5, эпюра 1), которые подаются на базу транзистора VT2. Пока напряжение на базе равно нулю, на коллекторе транзистора формируется нарастающее напряжение (конденсатор С3 заряжается через резистор R4). В момент появления положительного импульса на базе транзистора VT2 последний открывается, и напряжение на коллекторе уменьшается почти до нуля (точнее, до напряжения прямого падения на диоде "УВ4). На рис. 5 (эпюра 3) это напряжение показано штриховой линией.

На компараторе DA2 происходит сравнение пилообразного напряжения и положительного напряжения, снимаемого с выхода микросхемы DA3. На выходе компаратора формируются прямоугольные импульсы (рис. 5, эпюра 5).

Если температура среды, в которую помещен датчик, минимальна, то сопротивление датчика температуры R11 максимально. Следовательно, на неинвертирующий вход микросхемы DA3 подано меньшее напряжение, чем на инвертирующий вход. На выходе операционного усилителя напряжение близко к нулю (поскольку это напряжение не может быть равно нулю, в цепь генератора пилообразного напряжения включен компенсирующий диод "УВ4; это позволяет открывать тиристоры в самом начале полупериода).

Таким образом, в начале каждого полупериода тиристоры VS1-VS2 будут открываться, подавая энергию в нагрузку. Мощность ее при этом максимальна. По мере повышения температуры среды сопротивление терморезистора R11 уменьшается, a напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя DA3 увеличивается. Как только это напряжение превысит напряжение на выводе 4 микросхемы DA3, нач-

нет увеличиваться выходное напряжение ОУ. При этом изменяется скважность выходных импульсов компаратора DA2 (рис. 5, эпюра 5) и уменьшается мощность нагрузки. В установившемся режиме средняя мощность будет достаточной для поддержания требуемой температуры, заданной положением движка переменного резистора R9. Поскольку здесь не происходит полное отключение нагрузки, точность подержания температуры терморегулятором выше. Если температура среды, в которую помещен датчик, превышает заданную, то начинает работать отрицательное плечо схемы, обеспечивая тиристорами VS3-VS4 реверсивную работу пельтье-модулей. Регулирование осуществляется аналогично положительному плечу. Резистором R22 устанавливается точка сопряжения плеч и компенсируются напряжения смещения усилителей. Через резистор R20 осуществляется блокировка одновременного включения тиристоров обоих плеч.

FU1— ВП1-1 2А DA1— LM7812 DA2, DA4— К554СА3 DA3, DA5— К553УД2 VT1, VT2— КТ503Г VT3, VT4— КТ814Г

VD1— DB102 VD2,VD4—КД522А С1— WOO^V C2— 0,33 C3— 0,47 C4, C5— 30

R1, R2, R12, R13, R17, R18, R23-R26, R31, R32— 5,1к R3— 20к R4— 36к

R5, R8, R10, R14, R20, R21— 1к R6, R7, R29, R30— 10к R9— 27к

R11, R22— 10к R15, R16,R27, R28— 51к R19, R33— 100 VS1-VS4— ТО132-25-4 TP1-TP2— TEC3127120-50 TR1— ТТП500

Рис. 4. Электрическая принципиальная схема регулятора

U 1

TP

>1 Ы1 Ы1 It".

Рис. 5. Временные диаграммы работы регулятора

2

3

5

Заключение

Разработанная система точного поддержания температуры при оптических измерениях в жидких средах позволяет проводить исследования в широком диапазоне задания температуры (от -30 до 70°С). Узкая зона плавного регулирования (±5°С от заданной температуры) позволяет быстро выходить в заданный режим и точно поддерживать температуру, исключая погрешности вызванные инерционностью среды. Использование «обратимости» эффекта Пельтье позволило поддерживать температуру как выше, так и ниже начальной.

Литература

1. Интегральные схемы: Операционные усилители. Том 1. М.: Физматлит, 1993.

2. Микросхемы интегральные серии К554.. ,КМ555-2-е изд. СПб: Издательство РНИИ «Электронстандарт», 1993.

3. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры. М.: Радио и связь. 1987. 576 с.