Способ измерения температуры и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретений: на полупроводниковый диод, размещенный в среде с контролируемой температурой, подают постоянное напряжение с полярностью, открывающей его р-n-переход. Изменяют полярность приложенного к диоду напряжения на противоположную и измеряют обратный ток I_обр. через р-n-переход. Повторно изменяют полярность приложенного к диоду напряжения, измеряют прямой ток I_пр. через p-n-переход и уменьшают приложенное напряжение до достижения равенства I_пр. = I_обр.. Значение температуры определяют по величине падения напряжения на открытом р-n-переходе. Устройство, реализующее способ, содержит генератор НЧ (1), четыре полупроводниковых диода (2-5), расположенных на общей подложке, усилитель НЧ (7), синхронный детектор (8), фильтр НЧ (9) и выходной вольтметр (10). Технический результат, создаваемый изобретениями, состоит в повышении чувствительности и точности измерения. 2 с.з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретения относятся к области термометрии и могут быть использованы для повышения точности и чувствительности измерения температуры диодными термометрами.

В диодном термометре для преобразования температуры в электрический сигнал используют один из термочувствительных параметров полупроводниковой структуры.

Основными параметрами, нашедшими применение в качестве термочувствительных для измерения температуры с помощью диода, являются обратный ток р-n-перехода I_обр. и прямое падение напряжения на р-n-переходе U_пр..

Известен способ измерения температуры [1] заключающийся в том, что на полупроводниковый диод, размещенный в среде с контролируемой температурой, подают постоянное напряжение с полярностью, запирающей его р-n-переход, и измеряют обратный ток диода, по которому определяют температуру окружающей среды.

Недостатком диодных термометров с измеряемым обратным током является сильная нелинейная зависимость измеряемого тока от температуры I_обр.(T) и зависимость его, хотя и слабая, от уровня запирающего напряжения.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ измерения температуры [2] заключающийся в том, что на полупроводниковый диод, размещенный в среде с контролируемой температурой, подают постоянное напряжение с полярностью, открывающей его р-n-переход, устанавливают определенное значение тока через переход, измеряют прямое напряжение U_пр. на диоде от установленного тока и определяют температуру T окружающей среды из функциональной зависимости где I_пр и I_обр прямой и обратный токи р-n-перехода соответственно; K постоянная Больцмана; q заряд электрона.

Устройство, реализующее этот способ [2, c.236-237, рис.8.7] содержит полупроводниковый диод, размещенный в контролируемой среде, источник питания, к которому подключен диод, усилитель низких частот и выходной вольтметр.

Измерение падения напряжения на открытом переходе диода обеспечивает теоретически линейную зависимость температуры от падения напряжения. Однако нелинейная зависимость обратного тока диода от температуры делает эту зависимость также нелинейной, особенно при измерении температуры в широком диапазоне значений.

Кроме того, обратный ток диода, мало зависящий от приложенного напряжения, значительно изменяется в процессе эксплуатации термометра из-за неизбежных физико-химических изменений в р-n-переходе.

Схема диодного термометра весьма чувствительна к замене термочувствительного диода вследствие большого технологического разброса параметров полупроводниковых структур, приводящего к изменению величины I_обр.

Задачей изобретения является создание способа измерения температуры и реализующего его устройства, в котором за счет введения структурно-временной избыточности обеспечивается достижение технического результата, состоящего в обеспечении линейности градуировочной характеристики, повышении чувствительности и практическом исключении зависимости от нестабильности индивидуальных параметров полупроводниковых датчиков.

Указанный результат достигается тем, что в известном способе измерения температуры перед измерением падения напряжения U_пр на открытом р-n-переходе, пропорционального температуре T окружающей среды изменяют полярность приложенного к диоду напряжения на противоположную, измеряют обратный ток через р-n-переход при температуре окружающей среды, вновь изменяют полярность приложенного к диоду напряжения, измеряют прямой ток через р-n-переход и уменьшают приложенное напряжение до достижения равенства прямого тока обратному.

Указанный результат достигается также тем, что в известное устройство введены второй, третий и четвертый диоды, выполненные с первым на общей подложке, синхронный детектор и фильтр нижних частот, при этом в качестве источника питания использован генератор низкой частоты, выход которого соединен с опорным входом синхронного детектора и через первый диод со вторым диодом, включенным встречно по отношению к первому диоду, общая точка указанных диодов соединена с третьим и четвертым, встречно включенными диодами, общая точка которых подключена ко входу усилителя низкой частоты, выход которого соединен с сигнальным входом синхронного детектора, выходом соединенного через фильтр нижних частот с выходным вольтметром.

Выбор I_пр=I_обр, который для S_i диодов составляет 20-500 мкА, обеспечивает высокую чувствительность диодного термометра, поскольку наибольшая крутизна термометрической характеристики имеет место при малых токах прямой ветви ВАХ диода.

Исключение влияния индивидуальных параметров термодиода на результат измерения обеспечивает высокую точность последнего.

Способ измерения температуры осуществляется в следующей последовательности.

Полупроводниковый диод размещают в среде с контролируемой температурой T и подключают к источнику питания. Полярность питающего напряжения выбирают такой, чтобы р-n-переход диода был открыт, и фиксируют наличие прямого тока через диод. Затем изменяют полярность приложенного к диоду напряжения на противоположную и измеряют обратный ток через закрытый р-n-переход. Обратный ток I_обр в зависимости от температуры T окружающей среды приблизительно описывается выражением: , где T^* приращение температуры, при котором обратный ток I_обр(T_o) удваивается (T^*-8-10^oC для германия и T^*-6-7^oC для кремния).

Измеряют обратный ток I_обр при температуре T окружающей среды.

Затем вновь изменяют полярность приложенного напряжения и открывают тем самым р-n-переход диода. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода при температуре T с учетом падения напряжения на базе диода описывается уравнением: , где r_б омическое сопротивление базы диода.

Прологарифмировав (2), найдем падение напряжения на открытом диоде:
Измеряют прямой ток через р-n-переход, от которого зависит падение напряжения на открытом диоде.

Чувствительность р-n-перехода к температуре определяется значением температурного коэффициента напряжения (ТКН) как функции тока и температуры
,
где F постоянная, равная для диодов 2 мВ/^oC и для маломощных транзисторов в диодном включении 2,3 мВ/^oC; G коэффициент, имеющий теоретическое значение 0,198; 0,375; 0,396 для диффузионного, рекомбинационного и для больших токов соответственно.

Значение ТКН для различных типов диодов и транзисторов составляет от -1 до -3,5 мВ/^oC и зависит главным образом от плотности тока в р-n-переходе. Поэтому наибольшее значение ТКН имеет место при малых значениях прямого тока I_пр< 1 мА/20 500 мкА/. Поэтому уменьшают приложенное к диоду напряжение до достижения равенства:
I_пр=I_обр (5)
Для малых значений прямого тока можно пренебречь падением напряжения на r_б. Тогда выражение (3) принимает вид:

С учетом соотношения (5) прямое падение напряжения

Измеряют падение напряжения на открытом диоде. Из выражения (7) следует, что температура окружающей среды

Из полученного выражения (8) видно, что температура T прямо пропорциональна падению напряжения на открытом диоде U_пр и при равенстве прямого тока обратному не зависит от индивидуальных параметров полупроводникового диода (тока насыщения, сопротивления базы, ширины запрещенной зоны и т.п.). Поскольку обратные токи полупроводниковых, особенно кремниевых диодов малы, то равенство (5) обеспечивает большой ТКН и, следовательно, высокую чувствительность к температуре.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего способ измерения температуры с помощью диодного термометра.

Устройство содержит генератор 1 низкой частоты, полупроводниковые диоды 2, 3, 4 и 5, расположенные на общей подложке 6, усилитель 7 низкой частоты, синхронный детектор 8, фильтр 9 нижних частот и выходной вольтметр 10.

Устройство для измерения температуры работает следующим образом.

Напряжение низкой частоты генератора 1 воздействует на встречно-включенные диоды 2 и 3, 4 и 5, общая подложка 6 которых размещена в среде с контролируемой температурой. При положительной полярности выходного напряжения генератора диод 2 закрыт, диоды 3, 4 открыты, а диод 5 также закрыт. Обратный ток диода 2 протекает через открытый переход диода 3 и создает положительное по знаку падение напряжения на нем, пропорциональное температуре окружающей среды. Падение напряжения на диоде 3 через открытый диод 4 воздействует на вход усилителя 7 низкой частоты.

При изменении полярности выходного напряжения генератора 1 на отрицательную диод 2 открывается, диоды 3, 4 закрываются, а диод 5 также открывается. Выходное напряжение генератора 1 через открытый диод 2 при закрытом диоде 3 воздействует на встречно-включенную пару диодов 4, 5. Обратный ток закрытого диода 4 протекает через открытый диод 5, создавая на нем отрицательное по знаку падение напряжения. Так как все четыре диода расположены на одной общей подложке, то это падение напряжения также пропорционально температуре окружающей среды. Падение напряжения с диода 5 непосредственно воздействует на вход усилителя 7.

В результате периодического переключения диодов 2, 3, 4 и 5 напряжением генератора 1, на вход усилителя 7 воздействует переменное напряжение, изменяющееся с частотой генератора 1 и пропорциональное температуре окружающей среды диодов. Переменное напряжение усиливается усилителем 7 низкой частоты и поступает на синхронный детектор 8, который управляется непосредственно напряжением генератора 1. Выпрямленное синхронным детектором 8 напряжение сглаживается фильтром 9 нижних частот и измеряется вольтметром 10.

Шкала вольтметра 10 может градуироваться непосредственно в единицах абсолютной температуры (К).

На вход усилителя 7 низкой частоты наряду с полезным сигналом, пропорциональным температуре, воздействуют также шумы р-n-переходов и низкочастотные помехи. Однако благодаря синхронному детектированию полезного сигнала, изменяющегося с частотой генератора 1, на выходе фильтра 9 нижних частот выделяется постоянное напряжение, которое пропорционально контролируемой температуре. При этом напряжение помех и шумов подавляется фильтром 9 нижних частот с достаточно большой постоянной времени.

В качестве идентичных полупроводниковых диодов на одной подложке использованы серийно выпускаемые транзисторные сборки КТС613А, КТС613Г, К198НТЗ с четырьмя р-n-переходами. Среднеквадратичное отклонение крутизны преобразования в каждой партии сборок не превышает 1-2% от среднего значения, что позволяет измерять температуру в диапазоне 50.+150^oC с погрешностью не более 0,05-0,1^oC, при постоянной времени фильтра нижних частот до 1 с и частоте генератора 10-15 кГц.

Формула изобретения

1. Способ измерения температуры, заключающийся в том, что на диод, размещенный в среде с контролируемой температурой, подают постоянное напряжение с полярностью, открывающей p n-переход диода, и измеряют падение напряжения U_пр на открытом p n-переходе при установившемся прямом токе через переход, отличающийся тем, что перед измерением U_пр изменяют полярность приложенного к диоду напряжения на противоположную, измеряют обратный ток через p n-переход в функции температуры среды, повторно изменяют полярность приложенного к диоду напряжения, измеряют прямой ток через p n-переход и уменьшают приложенное напряжение до достижения равенства прямого тока обратному.

2. Устройство для измерения температуры, содержащее первый диод, подключенный к источнику питания, усилитель низкой частоты и регистрирующий прибор в виде вольтметра, отличающееся тем, что в него введены второй, третий и четвертый диоды, выполненные с первым на общей подложке, синхронный детектор и фильтр нижних частот, при этом выход источника питания, в качестве которого использован генератор низкой частоты, соединен с опорным входом синхронного детектора и через первый диод с вторым диодом, включенным встречно первому, точка соединения указанных диодов подключена к третьему и четвертому диодам, включенным встречно и своей общей точкой подключенным к входу усилителя низкой частоты, выход которого соединен с сигнальным входом синхронного детектора, через фильтр нижних частот подключенного к вольтметру.

РИСУНКИ

Рисунок 1