Способ определения температуры и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерения температуры транзисторными термодатчиками путем исключения влияния двух параметров p-n-перехода на речультат измерения. В контролируемом тепловом поле размещают транзистор, через р-п-переход которого поочередно пропускают два близких по значению тока, соответствующих минимальным значениям токов вольт-амперной характеристики (ЬАХ) транзистора. Затем узекичинлют ток черрз переход транзисторя до макс-r .лльных значений ВАХ. падение напряжения на переходе транзистора nj:n каждом значении пропускаемого тока. Но измеренным тнзчениям определяют температуру среды . МикроЭВМ управляет очередностью пропускания токов через транзистор, принимает полученные значения падении напряжения к вычисляет искомое значение температуры среды. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. i (Л

СОЮЗ COBETCHHX

РИХЪБЛИК (е) (и!

5 А1 рця О О1 К 7/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСЩАРСТОЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

flPH ГКНТ СССР (21) 4626672/10 (22) 27.12.88 (46) 30.04.91. Бюл. 9 16 (71) Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) Ю.A.Ñêðèníèê, В.И,Скрипник, Г.К.Бурченков, С.А.Затока и И.IO.Скрипник (53) 536.53 (088.8) (56) Патент США Ф 38 12717, кл. G 01 R 7/22, 1974, Техническое описание и нструкции по эксплуатации вольтметра универсального цифрового В7-27. М: нск, 1986, с. 21-22. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерения температуры транзисторными

Изобретение относится к технике измерения температуры и может быть использовано для многото чечного измерения температуры тепловых полей с помощью малогабаритных и высокочувствительных транзисторных термодатчиков.

Цель изобретения - повышение точности измерения температуры транзисторными термодатчиками путем исключения влияния двух параметров р-и-перехода на результат измерения.

На чертеже представлена схема устройства, реализующая спосo6 определения температуры транзисторным термодатчиками путем исключения влияния двух параметров р-и-перехода на результат измерения, В контролируемом тепловом поле размещают транзистор, через р-и-переход которого поочередно пропускают два близких по значению тока, соответствующих минимальным значениям токов вольт-амперной характеристики (МАК) транзистора. Затем

;": ånичинают ток через переход транзистора цо макс-.::альных значений ВАХ.

Измеряют падение напряжения на nepe .îäå транзистора при каждом значении пропускаемогс тока. По измеренным

-начениям определяют температуру среды. МикроЭВМ управляет очередностью пропускания токов через транзистор, принимает полученные значения падений напряжения и вычисляет искомое значенне температуры среды. 2 с.п. ф-лы, 1 ил . термодатчиком. устройство содержит источник 1 стабилизированного постоянного напряжения, к выходу которого подключены калиброванные резисторы 2-5,,выходы которых через мультиплексор 6 подключены к инвертирующему входу операционного усилит ля 7,В цепь обратной связи которого включен транзистор 8. К выходу операционного усилителя 7 подключен через усилитель 9 постоянного тока аналогоцифровой преобразователь 10, кодовые выходы которого через интерфейс ввода-вывода подключены к шине данных микроЭВМ 11. К этой же шине

l64 5853 через интерфейс с вывода подключены кодовые входы цепи управления мультиплексора 6 блока 12 индикации, Сущность способа заключается в следующем.

Через открытый р-и-переход транзисторного термбдатчика, размещен»ого в контролируемом тепловом поле, пропусKBloT ток I», соответствующий минимальному значению тока ВАХ, и измеряют падение напряжения на переходе

U = — — 1n(I,/I )

rKT

1 1!» 5

Для обес печ е ния надежной ре гис трации с учетом действия других дестабилизирующих факторов на падение напряжения перехода коэффициент О(, выбирают с запасом из условия: () 55

10 KOC(20

В соответствии с условием (3) уреличивают ток перехода до значения при котор1и падение напряжения где Т вЂ” абсолютная температура переход,а, К вЂ” пос тоя иная Больцмана," заряд электрона, 20

I — ток насыщения, г — параметр, зависящий от концентрации носителей и ее профиля в р-п-переходе.

Увеличивают ток через переход до 25 значения I, при котором можно зарегистрировать новое значение падения напряжения U на переходе. При этом приращение падения напряжения должно превышать максимальную случайную погрешность измерения напряжения,вы— зываемую шумами транзистора де-р,яд цесис =4 р, где Ь 1) — дисперсия случайных отклонений флюктуирующего на35 пряжения относительно среднего значения; коэффициент, связывающий среднеквадратическое отклонение (СКО) с максимальной погрешностью и зависящий от доверительной вероятнос ти, Такр при нормальном законе рас- 45 пределения отклонений флюктуирующего напряжения от среднего и вероятности

Р=0,997 коэффициент(х.=З, (4) !

ДБ =U -U = --- 1n(I /1 ), (5)

rKT (q

По разности напряжений (5) определяют 1(риближенное значение температуры контролируемой среды

И г К1п(1 /I,) (6) Увеличивают ток через переход до максимального значения ВАХ I, которое вызывает дополнительный нагрев перехода транзистора. Измеряют падение напряжения на перегретом переходе

rK(T+ Дт )

1n(I /I ) (7)

Ч

5 5 где ДТ(— температура перегрева перехода транзистора.

Температура перегрева перехода термодатчика пропорциональна электрической мощности, рассеиваемой на переходе, и его тепловому сопротивлению относительно окружающей среды.

Если тепловое сопротивление R . имеет размерность град/мВт, то температура перегрева (8) Уменьшают ток через переход до значения 14 при котором можно зарегистрировать новое значение падения напряже ния

U =U — (((4 f V = ----- --- 1п (1 / I )

Г rK(T+лт,)

4 5 > где Дт — перегрев перехода при тоЯ ке 1 .

В соответствии с выражением (8) перегрев при токе 1

Й 4 4 т (10)

Учитывая, .(то токи I y u Ig близки по значен((ю, мс жно в формулах (7) и (9) заменить перегревы ЬТ (и 6 т одним средиl(м ле ре гревом

U =V»(l(4$U = — — 1n(I /I ), Г g гКТ

2 1 q 2 5 где CKD 1 (Р ) ппредепяется типом транзистора, используемого в качестве термодатчика.

По результатам измерений падений напряжений от двух близких по значению токов I< и I < определяют разность падения напряжений на переходе транзистора

Из отношения (19) определяют точное з на че кие температуры конт ролируемой среды

5 164 5853

ЕТ, +ЬТ2 U зТ з+() 4?4

ДТ = - — -- — = — — -- — — R (») 2 2 t s

Тогда падения напряжений от токов 1 з и I4 можно представить в виде: гК(Т+ДТ) U = -------- 1n(I /1 ) Э q Э 5 (12) гК(Т+ЬТ) U4 = -------- In(Et /I ), (13) Ч 4 5

Спределяют разность падений от двух близких по значению токов

ЬП2= ПЭ- П4= гК(Т + ДТ)

Ч

По разности падений напряжений (14) определяют значение температуры перегретого перехода

Т + h,ò = --------,--- Ь(!, (15) <1

ГК1п(1я! 14) С учетом температуры окружающей среды (6) вычисляют температуру перегрева термодатчика по формуле

Ч sU1 hU<

ДТ

3 Ф (16)

Сопоставляют температуру перегрева перехода транзистора ДТ с температурой окружающей среды Т. Выбирают значение тока 1 3 таким> чтобы температура перегрева ДТ не превышала (5-107) от верхнего предела диапазона контролируемых температур. !

При выбранном значении тока I из условия ! чиц с z Э макс (17) измеряют падение напряжения на пере-! гретом переходе П 3 и вновь определяют ! уменьшенное значение тока 14, обеспечивающее соотношение (9) .

После измерения падения напряже-! ния U4 определяют разность падений напряжений на перегретом переходе ( гК(Т+ДТ )

$U<=U -U = — — ------ Ы(! /Т

Ъ 4 (18)

Далее определяют отношение разностей падений напряжений на перегретом переходе (18) транзистора к нагретому окружающей средой переходу (5) ! l

$(t< 1t3-U4 (Т+ЬТ ) Ir (I /I <)

ЙП П2.-П g Т In (Ig/Iq ) (Ug-U,)1n(J /I ) 5 --r г-=---- — -- -,— —,------г--r- Ь! . (20) (U -П„) 1 и (1 /1 )-(1! -U, ) )я (1 /1< ) 1

С учетом значения ДТ иэ (11) нзмеряемую температуру определяют из соотношения (Ug U<)1n(I /I ) (U3 U4)1n(I /I ) (U -U )1п(1 /Т )

7 1 2 1 Э 1 !

2 ()Д 3 + П4 14 (21) тепловое сопротивление R опреде Г .ляется в процессе калибровки транзпсторног о термодатчика для конкретной контролируемой среды по ее иэве70 стной температуре Тк !

1 ;g -г,. ) I f (ю 1 т, Г t -1 (21! где Т вЂ” температуры среды при калибk ,.5 ровке.

Иэ выражения (21) видно, что тем, пературу Т можно определить по четырем заданным значениям токов р-п-пе-! рехода < Ä 1, I Э, I4 и четыРем иэ30 меренным падениям напряжения на этом ! не Ре ходе 1 U z (! y y При этом параметры транзистора I и r, определяющие форму RAX р-п-перехода, не влияют на результат измерения.

Определение т м р туры по формуле (21) позволяет осуществить многоточечный контроль от ряда транзисторных термодатчиков с большим разбросом по значениям тока насы40 щения и концентрации носителей в р-и-переходе с повышенной точностью.

Кроме того, возможна замена термотранзистора того же типа, т.е. с одинаковым тепповым сопротивлением

45 Rf, без изменения градуировочный характеристики, получаемой в про" цессе калибровки.

Таким образом, повышение точности в способе достигнуто за счет исклю50 чения влияния разброса и нестабильности двух параметров р-п-перехода на термочувствительные свойства транзисторных термодатчиков..

Устройство для определения температуры работает следующим образом.

Напряжение источника 1 через один из резисторов с сопротивлениями к 4 — К4, мультиппексор 6 посту1{, 853

50 пает на инг(ерти",.ук(п{г((1 вход о- вя ионного усилителя I . Влагорар. глубокой отрицательной обратной с вязи в усилителе через р-и-переход транзистора 8, размещенного в контролируемом тепловом поле, входное напряжение операционного усилителя близко к нулю, а выходное ранчо падению напряжения на транзисторе с обратным знаком, В результате этого через р-п-переход, транзистора протекает неизменный ток, задаваемый значение сопротивления того резистора, который включается в электрическую цепь мультиплексором 6 по программе микроЭВМ, При этом значение тока не зависит эт изменений сопротивления р-и-перехода транзистора. Чек как ток транзистора 8 величина постоянная, то падение напряжения ва нем является функцией температуры Т ок ружающей среды.

Выходное напряжение операци((нного усилителя 7, пропорциональнсе изме- 25 ряемой температуре Т, усиливается усилителем 9 и преобразуется в аналого-цифровом преобразователе 10 в цифровой код, который вводи гся в мик роЭВМ и запоминается.

Программой микроЭВМ 1 1 предусмотрено поочередное включение калиброванных резисторов 2-5, задаю(цих ток через р-и-г ереход транзистора S. Высокоомные реэис1оры 2 и 3 осpa«r(rsвают токи перехода Д 1 и I<»a уровне

35 минимальных токов BAX транзист ра (десятков микроампер), что Hcк(г((!чает пефегрен р-и-перехода протекающим токо» относительно температуры окружающей среды. Соотве гстг(ую-щие падения напряжения U { и U< преобразуются в коды, которые запоминаются в памяти м{{кроЭВМ.

Вводимые мультиплексором б низкоомные ре зисторы 4 и 5 выбираютс.я из условия (17) и создают нагреваюf ( щие токи д > и д4, не превышающие максимально допустимые и вызывающие нс рмированный и":рз грев р-п-перехода, рассчитываемыи по верхнему преде;(у диапаэ она контролируемых температур.

Соответствующие падения напряжения

U и U4 кодируются и запоминаютгя

l ( в микроЭВМ.

В память микроЭВМ вводят знач r!Hå теплового сопротивления Кт транз((с— тора с учетом теплофизических с вс!(гств среды, в которую помещен трапзис i op.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1. с г(особ определения температуры с р!. ды, з я ключ ающийся в поочередном

1(ропус кании через р-п-пере ход транз((с торя, размещенного в контролируемой среде, двух близких значений тока, соответ гвующих минимальным значениям токов вольт-амперной характеpitc тики транзистора, измерении паде((ии на((,(яжений на р-и-переходе транзистора при каждом из токов, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повыше точности, увеличивают ток срез р-и-переход до значения, при котором его перегрев Т не превышает 5-10Х. от верхнего предела диапазона контролируемых темг!eða" ур, измеряют падения напряжения .(а перегретом р-и-переходе при двух бринк(х значениях тока перегрева, ((ри этом б.шзкие значения токов выбирают в пределах, при которых разность падений таких напряжений на р-и-переходе транзистора при соответ!.твуюших токах в 10-20 раз преrr»(rr!aeт среднеквадратичное отклонение падения напряжения на переходе, а значение температуры окружающей среды определяют по формуле ! I (Uz-U 1H I Д

<)(эl 4) (д,ii,)-(U -U,) In(i,/д,) !

I4

R г !

-- т--1-4) 1 ! (3 + It4!

3.!

2

U(начальный минимальный где l(ток через р-и-переход транзистора и падение напряжения На р-и-переходе;

Кроме т((го, в память вводятся эна -! I чвния гоков I < I 1 и Е, определяемые стабилизированным напряжением(И источника 1 и сопротивлениями

К4 калиброванных резисторов 2-5.

По результата;(четырех измерений

I (U > и U 4 и значениям констант

i (, I, Д(, Д и R в микропроцессоре ЭВМ вычисляется температура Т по формуле (21), Числовое значение температуры индицируется на блоке 12 индикации.

Прп нведении в программу нулевой температуры То = 273 К на дисплей нывс(дит; я контролируемое изменение температуры поля ЬТ = Т - T в граду<- ах Пе: ьсия .

1645853 6

Составитель В, Ярыч

Редактор С.Лисина Техред JI.Îëèéíûê Корректор Т.Палий

Заказ 1346 Тираж 401 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина, 101

1, l — измененный ток через р-п-переход, близкий

I<, и падение напряжеI ния на р-п-переходе

1, — значение тока перегрева р-п-перехода и соответствующее ему падение напряжения на р-ипереходе, I

I, i> — измененный ток перегре ва р-и-пе рех ода, близкий I, и падение

1 напряжения на р-и-переходе;

К вЂ” тепловое сопротивлет ние транзистора, 2. Устройство для определения т«мпературы среды, содержащее источник постоянного напряжения, операционный усилитель, в цепь обратной связи которого включен транзистор, усилитель постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь и микроЭВМ, к выходу

5 которой подключен блок индикации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены мультиплексор, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первые выводы которых объединены и подключены к выходу источника постоянного напряжения, а их вторые выводы подключены к соответствующим входам мультиплексора, выход которого через последовательно соединенные операционный усилитель, усилитель постоянного тока и аналого-цифровой преобразователь подключен к информационным входам микроЭВМ, управ20 ляющие выходы которой подключены к входам управления мультиплексора.