СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ Российский патент 1995 года по МПК G01K7/00 

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для определения неравномерности температурных полей различных сред с помощью совокупности полупроводниковых датчиков, имеющих р-n-переход, без предварительного подбора и индивидуальной градуировки.

Неравномерность температурного поля оценивается по абсолютной или относительной разности температур контролируемых точек поля по отношению базисной точки, температура которой известна или принимается за условный ноль. Получение информации о профилях температуры поля в различных сечениях и оценка неравномерности распределения температур связаны с большими аппаратурными затратами, с необходимостью использования и размещения многих десятков и сотен термодатчиков, расположенных в различных точках поля и соответствующих измерительных схем, преобразующих значения температур поля в электрические сигналы, удобные для последующей обработки, передачи и хранения. Нестабильность и технологический разброс параметров термодатчиков из дешевых материалов не позволяют обнаруживать малые разности температур и, следовательно, исследовать тонкую структуру температурного поля. Вследствие этого приходится применять термодатчики из благородных металлов, обладающих высокой стабильностью и малым разбросом параметров. Однако стоимость таких систем резко возрастает.

Наиболее перспективно для определения неравномерности температурных полей использование полупроводниковых датчиков с p-n-переходом, обладающих высокой чувствительностью, малыми габаритами и высоким быстродействием, на основе серийных бескорпусных триодов и диодов. Эти приборы серийно выпускаются и относительно дешевы.

Известно, что зависимость параметров вольт-амперной характеристики (ВАХ) p-n-перехода в режиме прямого тока в диоде или транзисторе от абсолютной температуры используют в термометрии [1] Полупроводниковые диодные термометры имеют высокую чувствительность и способы перекрывать широкий диапазон температур (от 1 до 400 К).

Однако они мало пригодны для измерения разности температур, особенно малых температурных перепадов, из-за нестабильности тока через p-n-переход и большого технологического разброса параметров ВАХ.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения неравномерности темпера- турного поля [2] заключающийся в том, что в контролируемых точках температурного поля размещают термодатчики на основе полупроводниковых диодов, подключают термодатчики через коммутатор к измерительному преобразователю, пропускают через открытый p-n-переход диода заданное значение постоянного тока, не вызывающее его дополнительный контроль, преобразуют падение напряжения на диодах в переменное напряжение, по значению частоты которого определяют температуру диодов в контролируемых точках поля.

Однако из-за большого разброса ВАХ и параметров полупроводниковых диодов точность измерения температуры в контролируемых точках получается низкой. Поэтому определение неравномерности поля, которое осуществляется посредством измерения разности температур между контролируемыми точками, происходит с большими погрешностями.

В основу изобретения положена задача повышения точности измерения разности температур контролируемых точек поля относительно базисной точки путем исключения влияния технологического разброса параметров полупроводниковых приборов и их зависимости от температуры на результат измерения разностных температур.

Поставленная задача решается тем, что в способ определения неравномерности температурного поля, который заключается в том, что в базисной и контролируемых точках температурного поля размещают полупроводниковые диоды, один из которых опорный, остальные измерительные, через открытые p-n-переходы диодов пропускают заданное значение постоянного тока, преобразуют падение напряжения на диодах в переменные напряжения, измеряют частоты переменных напряжений, по значению которых судят о температуре диодов, согласно изобретению введены следующие операции: после измерения частоты F_o', соответствующей температуре опорного диода, размещенного в базисной точке поля, ток заданного значения пропускают поочередно через первый и m последующих измерительных диодов, измеряют частоты переменных напряжений F₁', F₂',F_m' в контролируемых точках температурного поля, увеличивают ток через p-n-переход последнего измерительного диода до значения, которое больше первоначального тока в 2-3 раза, измеряют второе значение частоты F_m'' переменного напряжения, пропускают этот ток через открытые переходы измерительных и опорных диодов в обратном порядке, измеряют вторые значения частоты переменных напряжений F_m-1'', F₁'',F_o'', дополнительно измеряют температуру Т_о опорного диода, определяют разность между температурами контролируемых точек T_m и температурой базисной точки Т_о по формуле
ΔT_m= T_o, определяют относительные разности температур по формуле
δT_m= , по которым судят о неравномерности температурного поля.

Введенные операции обеспечивают уменьшение погрешности разности температур контролируемых точек поля относительной базисной. Это достигается путем исключения влияния на результат измерения индивидуальных параметров полупроводниковых диодов (В и I₅), а также исключения влияния непостоянства чувствительностей масштабного и функционального измерительных преобразователей и возникающих из-за этого аддитивной и мультипликативной погрешностей измерения.

Дополнительные измерения осуществляются с помощью операций, связанных с изменением уровня пропускания через открытые p-n-переходы тока и последовательностью его пропускания, не описаны в патентной и технической литературе, что подтверждает изобретательский уровень предложенного решения.

На чертеже приведена структурная схема устройства, позволяющая осуществить способ определения неравномерности температурного поля.

Устройство содержит источник 1 постоянного напряжения, к выходу которого через постоянные резисторы 2 и 3 и переключатель 4 подключен инверсным входом операционный усилитель 5. В цепь обратной связи усилителя 5 через многоточечный коммутатор 6 включается один из диодов 7, 8, 9, 10, расположенных в базисной и контролируемых точках температурного поля. К выходу усилителя 5 подключен частотный преобразователь 11, выход которого соединен с входом микропроцессорного частотомера 12 с пультом 13 управления. К кодовым выходам частотомера 12 подключено цифропечатающее устройство 14.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

В базисную точку поля с температурой F_о помещают опорный полупроводниковый диод (ПДО), а в первую и последующие точки контроля с температурами Т₁, Т₂, Т₃,T_m измерительные полупроводниковые диоды ПД1, ПД2,ПД_m. Через открытый переход ПДО с известной температурой вначале пропускают ток I₁, который в соответствии с ВАХ диода имеет вид
I₁ I_se^-В/To(e^qU/KTo- 1) (1) где I_s exp(-B/T_o) ток обратного насыщения перехода, зависящий от абсолютной температурой Т_о; I_s значение тока насыщения при Т_о ->>∞; В коэффициент, зависящий от ширины зоны перехода и имеющий разность температуры; q заряд электрона; К постоянная Больцмана; U падение напряжения на переходе.

Ток I₁ выбирают таким, чтобы его значение превышало ток насыщения I_s exp(-B/T_o) при температуре Т_о по крайней мере в 10 раз, но было относительно небольшим и не вызывало дополнительный нагрев диода. Поэтому ток выбирают из соотношения
I₁ (10.100) I_s exp (-B/T_o) (2)
Тогда, учитывая соотношение (2) и то, что при температуре Т_о ≥ 300 К значение KT_o/q ≥ 26 мВ, можно выражение (1) рассматривать в упрощенном виде:
I₁ I_s e^-b/Toe^qUo^/KTo (3)
Падение напряжения на переходе опорного диода ПДО
U (4) усиливают и преобразуют в частоту переменного напряжения. С учетом погрешностей измерительного преобразования частота опорных колебаний равна
F S₁S₂(1+γ)+ΔF, (5) где S₁ и S₂ крутизна масштабного (по напряжению) и функционального (по частоте) преобразований соответственно; γ суммарная относительная мультипликативная погрешность преобразования от непостоянства S₁ и S₂; Δ F суммарная абсолютная аддитивная погрешность преобразования от дрейфа нуля усилителя напряжения и частотного преобразователя.

Измеряют первое значение частоты F_o', соответствующее току I₁. Затем этот ток I₁ пропускают через открытый переход первого измерительного диода ПД1 с температурой Т₁ и получают соответствующее значение частоты переменного напряжения:
F S₁S₂(1+γ)+ΔF. (6)
Измеряют первое значение частоты F₁', соответствующее первой точке.

Пропускают затем ток I₁ через второй и последующие измерительные диоды (ПД2.ПД_m), измеряя каждый раз частоту переменного напряжения:
F S₁S₂(1+γ)+ΔF; (7)
F S₁S₂(1+γ)+ΔF; (8)
F S₁S₂(1+γ)+ΔF; (9)
Значения частот переменного тока (6)-(9) пропорциональны температурам T₁.T_m соответствующих точек поля.

Далее увеличивают ток через p-n-переход последнего диода (ПД_m) до значения I₂, которое выбирают в 2-3 раза больше тока I₁, т.е.

I₂ (2.3)I₁ (10)
Измеряют второе значение частоты переменного напряжения
F S₁S₂(1+γ)+ΔF. (11)
Затем этот ток I₂ пропускают в обратном порядке через открытые переходы диодов ПД_m-1.ПДO и измеряют вторые значения частоты переменного напряжения:
F S₁S₂(1+γ)+ΔF; (12)
F S₁S₂(1+γ)+ΔF; (13)
F S₁S₂(1+γ)+ΔF. (14)
По результатам измерений (5)-(9) и (11)-(14) определяют разностные частоты:
F F S₁S₂(1+γ)T_mln(I₂/I₁); (15)
F F S₁S₂(1+γ)T_m-1ln(I₂/I₁); (16)
F F S₁S₂(1+γ)T₁ln(I₂/I₁); (17)
F F S₁S₂(1+γ)T_oln(I₂/I₁); (18)
Из выражений (15) и (18) значения температур в точках контроля имеют следующие значения:
T_m= (19)
T_m-1= (20)
T₁= (21)
T_o= (22)
Разность температур между первой точкой поля и базисной точкой
ΔT₁= T₁-T_o= (23)
Относительная разность температур
δT₁= . (24)
Аналогично определяются абсолютная и относительная разности температур последующих точек контроля поля, в которых расположены измерительные диоды ПД2, ПД3,ПД_m, относительно базисной точки с опорным диодом:
δT_m= ; (25)
ΔT_m= T_o. (26)
Из полученных выражений (25) и (26) видно, что относительная разность температур контролируемых точек поля не зависит как от индивидуальных параметров полупроводниковых диодов (В и I_s), так и физических констант (q и К). Поэтому отпадает необходимость их подбора и стабилизации индивидуальных параметров. Кроме того, исключено влияние непостоянства чувствительностей масштабного и функционального измерительных преобразований (S₁ и S₂) и возникающих из-за этого аддитивной (Δ F) и мультипликативной (γ) составляющих погрешности измерения.

Для определения абсолютных разностей температур контролируемого поля ΔТ₁ Δ Т_m достаточно знать температуру Т_о базисной точки, которая может быть измерена с помощью одного высокостабильного термодатчика из благородных металлов.

Устройство, реализующее способ определения неравномерности температурного поля, работает следующим образом.

Напряжение от источника 1 постоянного напряжения через резистор 2 с сопротивлением R₁ и переключатель 4 поступает на инвертирующий вход операционного усилителя 5. Коммутатором 6 в цепь обратной связи усилителя 5 включается один из полупроводниковых диодов 7, 8, 9, 10 (ПД0, ПД1,ПД_m), размещенных в базисной (ПД0) и контролируемых точках поля (ПД1,ПД_m). Благодаря глубокой отрицательной обратной связи в усилителе 5 через p-n-переход включенного диода входное напряжение операционного усилителя близко к нулю, а выходное напряжение усилителя пропорционально падению напряжения на p-n-переходе включенного диода с обратным знаком. Поэтому через p-n-переход любого включенного диода протекает всегда неизменный ток, задаваемый значением сопротивления резистора R₁, включенного переключателем 4. При этом значение тока не зависит от разброса сопротивлений p-n-переходов диодов 7, 8, 9, 10, а выходное напряжение усилителя 5 является функцией температуры точек расположения диодов в контролируемом поле.

Выходное напряжение усилителя 5 преобразуется в частоту переменного напряжения с помощью частотного преобразователя 11. Частота переменного напряжения измеряется микропроцессорным частотомером 12. Температура опорного диода 7, расположенного в базисной точке темпеpатурного поля, измеряется отдельным высокоточным измерителем (не показан).

Определение неравномерности температурного поля осуществляется в следующей последовательности. Вначале переключатель 4 включает резистор 2 с сопротивлением R₁, обеспечивающий требуемое значение тока I₁. Коммутатором 6 поочередно включаются полупроводниковые диоды ПД0, ПД1,ПД_m. При этом происходит измерение и запоминание частот переменного напряжения F_o', F₁',F_m'. Затем переключателем 4 вводится резистор 3 с сопротивлением R₂, что обеспечивает изменение тока I₁ до значения I₂. Коммутатором 6 в обратном порядке включаются диоды ПД_m, ПД_m-1,ПД0. Соответствующие значения частот F_m'', F_m-1'',F_o'' измеряются и запоминаются в частотомере 12.

В память микропроцессорного частотомера 12 с пульта 13 вводится значение температуры базисной точки Т_о и задается алгоритм обработки запомненных частот. По набранной программе частотомер 12 вычисляет и индуцирует на табло относительные и абсолютные разности температур между контролируемыми и базисной точками. При необходимости результаты вычислений выводятся на цифропечатающее устройство 14.

При экспериментальном исследовании предложенного способа использовались полупроводниковые диоды типа Д9. Токи через p-n-переходы задавались на уровне 1 и 2 мА, что обеспечивало падение напряжений на их переходах 40 и 70 мВ соответственно. При частотном преобразовании температур поля, неравномерность которого находилась в пределах 30^оС, частота изменялась в диапазоне 0-300 Гц, что при шести разрядах табло частотомера обеспечивало чувствительность к градиенту температурного поля не менее 0,01^о. Абсолютная погрешность измерения разности температур не превышала 0,05-0,08^оС, а относительная погрешность измерений находи- лась в пределах 0,1-0,2% Обработка результатов промежуточных измерений и вычисление параметров, характеризующих неравномерность температурного поля, осуществлялась с помощью микропроцессорного частотомера ЧЗ-65.

Использование: в измерительной технике для определения неравномерности температурных полей. Сущность изобретения: с целью уменьшения погрешности разности температур за счет исключения влияния на результат измерения индивидуальных параметров полупроводниковых диодов в базисную точку поля помещают опорный полупроводниковый диод, а в первую и последующие точки контроля измерительные полупроводниковые диоды. Через открытые p n-переходы диодов пропускают заданное значение постоянного тока, преобразуют падение напряжения на диоде в переменное напряжение измеряют частоту переменного напряжения, по которой судят о температуре диодов. При этом после измерения частоты, соответствующей температуре опорного диода, ток заданного значения пропускают поочередно через первый и последующие измерительные диоды, измеряют частоту переменных напряжений в контролируемых точках температурного поля, увеличивают ток через p n-переход последнего диода, измеряют второе значение частоты переменных напряжений и пропускают этот же ток в обратном порядке через открытые переходы измерительного и опорного диодов, измеряя второе значение частоты переменных напряжений. Разность между температурами контролируемых точек и температурой базисной точки и относительные разности температур определяют по формулам. 1 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ, заключающийся в том, что в контролируемых точках температурного поля размещают термодатчики на основе полупроводниковых диодов, подключают термодатчики через коммутатор к измерительному преобразователю, пропускают через открытый p-n-переход диода заданное значение постоянного тока, не вызывающее его дополнительный нагрев, преобразуют падение напряжения на диоде в переменное напряжение, по значению частоты которого определяют температуру диодов в контролируемых точках поля, отличающийся тем, что одну из контролируемых точек выбирают базисной и размещают в ней опорный диод, в остальных точках контроля измерительные диоды, после измерения частоты соответствующей температуре опорного диода, ток заданного значения пропускают поочередно через первый и m последующих измерительных диодов, измеряют частоты переменных напряжений увеличивают ток через p-n-переход последнего измерительного диода до значения, которое больше первоначального тока в 2 3 раза, не изменяя тепловое состояние диода, измеряют второе значение частоты переменного напряжения, затем этот же ток пропускают через открытые переходы измерительных и опорного диодов в обратном порядке, измеряют вторые значения частоты переменных напряжений дополнительно измеряют температуру T_о опорного диода и определяют разность между температурами контролируемых точек T_m и температурой T_о базисной точки поля по формуле

а относительные разности температур по формуле

по которым судят о неравномерности температурного поля.