СПОСОБ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ХОЛЛА Российский патент 1997 года по МПК G01R33/06 

Изобретение относится к технике электрических измерений магнитных, электрических, электромагнитных и неэлектрических величин в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды (ТОС).

Известен способ термостатирования преобразователя Холла, реализованный в зонде для измерения термостабильной индукции магнитного поля и основанный на размещении его в трубке, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, которая помещена в трубку из материала с малой теплопроводностью, закрытую с торца, причем датчик Холла связывают со схемой регистрации результатов измерениях [1] Этот способ позволяет ослабить влияние кратковременных изменений ТОС на результаты измерения магнитной индукции В. Недостаток такого способа состоит в том, что при пассивном термостатировании, реализованном в нем, медленные изменения ТОС сильно влияют на температуру преобразователя Холла и на результаты измерения В.

Известен способ термостатирования преобразователя Холла, основанный на размещении его в подогревных термостатах. Примером реализации этого способа, повышающего стабильность коэффициента преобразования Холла К при изменении ТОС, служит измеритель магнитной индукции ИМИ-3. Недостаток такого способа термостатирования в наличии статической ошибки регулирования
δ_ст=t_кр-t_нр,
где t_нр температура термостата, при превышении которой начинается регулирование путем уменьшения нагрева,
t_кр температура термостата, при достижении которой мощность нагрева спадает практически до нуля.

Наиболее близким техническим решением является способ компенсации зависимости чувствительности холловского прибора от температуры ( заявка EПВ (ВП) N 0450910, G 01 R 33/06 ), основанный на размещении его вместе с резистивным элементом на одной подложке, причем выходной сигнал прибора измеряют путем измерения падения напряжения на нагрузочном резисторе, включенном между выходом холловского прибора и источником напряжения смещения, а на нагрузочный резистор подают ток, пропорциональный току, протекающему в резистивном элементе. В основе действия данного способа компенсации лежит предположение его авторов о том, что сопротивление резистивного элемента изменяется в соответствии с зависимостью чувствительности холловского прибора от температуры. Это предположение не подтверждается ни практикой [1] ни теорией [2] Поэтому указанный способ не может привести к эффективной компенсации зависимости чувствительности от ТОС. Анализ численных значений температурных коэффициентов изменения коэффициента преобразования K_h и удельного сопротивления K_p для выпускаемых промышленностью преобразователей Холла, приведенных в [1] показывает, что эти коэффициенты отличаются практически для всех датчиков по величине, а иногда и по знаку. Из теории [1] известно, что коэффициент преобразования

где d толщина пластины преобразователя Холла,
μ подвижность носителей,
s проводимость полупроводникового материала преобразователя Холла.

Предположение авторов было бы справедливо, если бы от температуры Т зависела только величина проводимости s, но от температуры очень сильно зависит и величина подвижности m, причем зависимости s(T) и μ(T) носят качественно разный характер. Если величина σ возрастает с ростом температуры, то величина m вначале увеличивается с ростом температуры, затем достигает максимального значения, а затем падает.

μ = (AT^-3/2+BT^+3/2),
где А и В постоянные, зависящие от свойств материала.

Таким образом, предложенный выше способ компенсации зависимости чувствительности холловского прибора от температуры не является эффективным для широкого диапазона изменения температуры.

Заявляемый способ термостатирования преобразователя Холла основан на размещении преобразователя Холла на подложке, отличается тем, что подложку термостатируют, а на токовый вход преобразователя Холла подают компенсационный ток со схемы термостатирования, зависящий от ТОС, и опорный ток, причем отношение коэффициента K_i, характеризующего температурную зависимость суммарного тока, к коэффициенту K_h, характеризующему температурную зависимость коэффициента преобразования, определяют из отношения 0>(K_i/K_h>-2.

Введение схемы термостатирования в заявляемом способе облегчает задачу компенсации зависимости чувствительности преобразователя Холла от ТОС за счет уменьшения диапазона изменения температуры этого преобразователя, что позволяет с высокой степенью точности считать линейной температурную зависимость коэффициента преобразования при изменении температуры в пределах ошибки регулирования.

Недостаток термостатирования в наличии статической ошибки регулирования. Заявляемый способ позволяет уменьшить температурную нестабильность коэффициента преобразования Холла при изменении температуры в пределах этой ошибки. Пределы изменения температурных коэффициентов можно обосновать, исходя из выражения для ЭДС Холла

где K=K_Н(1+K_hΔt); i₁=i_1Н(1+K_iΔt);
K_н и i_1н значения коэффициента преобразования К и тока через датчик Холла i₁ при температуре подложки t_n равной t_нр, при повышении которой ток нагрева в термостате начинает уменьшаться,
Δt=t_n-t_нр,
f(Δt) функция, определяющая температурную нестабильность U₂

Для уменьшения нестабильности необходимо минимизировать величину . Минимум достигается при (K_i/K_h) -1, когда

Поскольку в реальных термостатируемых преобразователях Холла , то питание токового входа преобразователя Холла током при (K_i/K_h) -1 позволяет уменьшить температурную нестабильность U₂ более чем на порядок. Соотношение (K_i/K_h) -1 легко удается реализовать лишь в устройствах, где i_1н не меняется при измерениях, например в измерителях магнитной индукции. В устройствах, где i_1н изменяется (например, в счетчиках электроэнергии и в измерителях мощности, где i_1н прямо пропорционален напряжению на нагрузке), предложенный способ термостатирования менее эффективен, чем при (K_i/K_h) -1, и может быть рекомендован при 0>(K_i/K_h)>-2.

Эффективность предполагаемого способа термостатирования преобразователя Холла при изменении (K_i/K_h) в указанных пределах можно подтвердить следующими соображениями.

В известных устройствах (например, в приборе ИМИ-3) используется схема термостатирования, но компенсационный ток i_k=i_1Н(1+K_iΔt); не подается на токовый вход преобразователя Холла. На этом входе i_k 0, а значит и K_i 0, поскольку i_1н и Δt не равны нулю. При K_i 0 получаем f(Δt)= K_hΔt. Предлагаемый способ позволяет уменьшить температурную нестабильность, т. е. получить и условия его применимости это условия выполнения указанного неравенства. В более подробной записи указанное неравенство имеет вид

Неравенство выполняется только, когда K_i и K_h имеют разные знаки, т. е. способ уменьшает температурную нестабильность при выполнении условия (K_i/K_h)<0. Последнее условие является необходимым, но не достаточным.

При нахождении второй границы применимости указанного способа учтем, что в реальных устройствах компенсационный ток i_k=i_1НK_iΔt намного меньше опорного i_1н, т. е. K_iΔt≪ 1. С учетом этого, а также с учетом того, что K_hΔτ также намного меньше единицы, можно считать, что вблизи второго границы применимости указанного способа

Т. е. вблизи границы мы пренебрегаем величиной второго порядка малости по сравнению с величиной первого порядка малости. Последнее неравенство выполняется при любых значениях K_i и K_h, удовлетворяющих условию (K_i/K_h)<0, если (K_i/K_h)>-2. Таким образом эффективность пpедлагаемого способа термостатирования преобразователя Холла по сравнению с ранее известными решениями подтверждается при выполнении условия 0>(K_i/K_h)>-2. На границах этого интервала , т. е. на границах предложенный способ не дает выигрыша по сравнению с обычным термостатированием, а вне указанного интервала изменения (K_i/K_h) приводит к увеличению температурной нестабильности U₂.

на фиг. 1 представлена схема измерителя магнитной индукции; на фиг.2 представлена схема измерителя мощности постоянного тока; на фиг.3 представлена схема измерителя мощности переменного тока.

Поясним способ термостатирования преобразователя Холла на примере его реализации в измерителе магнитной индукции, схема которого изображена на фиг. 1. Схема термостатирования собрана на транзисторах V1, V2, V3, причем транзистор V1 является датчиком температуры теплопроводящей подложки, V3 - транзистором-нагревателем. При температуре подложки t_нр транзистор V1 почти заперт, на базе транзистора V2 высокий уровень напряжения. Транзисторы V2 и V3, входящие в усилитель, собранный по каскадной схеме, открыты, при этом на коллекторном переходе транзистора V3 рассеивается относительно большая тепловая мощность P_н, приводящая к разогреву подложки. При t_n>t_нр увеличение тока эмиттера транзистора V1 вследствие его разогрева приводит к открыванию транзистора V1, постепенному запиранию транзисторов V2 и V3. При этом P_н постепенно уменьшается, а при высоких значениях ТОС t_n больше температуры конца регулирования t_кр транзисторы V2 и V3 практически закрываются, Р_н мало, регулирование t_n прекращается. Величина статической ошибки регулирования температуры подложки δ_ст= t_кр-t_нр определяет отклонения t_n от температуры статирования. Для уменьшения этой ошибки на токовый вход преобразователя Холла подают компенсационный ток со схемы термостатирования, зависящий от ТОС, и опорный ток. Компенсационный ток получают усилением сигнала регулирования с коллектора транзистора V1 буферным каскадом на транзисторе V4. Переключатель S1 ставится в такое положение, чтобы при работе схемы коэффициент K_i, характеризующий температурную зависимость суммарного тока, был противоположен по знаку коэффициенту K_h. Требуемую величину K_i -K_h получают в случае использования сумматора DW1 путем подбора сопротивлений, подключенных к его входам, или подбором напряжения -U_n в цепи формирования опорного тока. Можно питать токовый вход преобразователя Холла непосредственно с буферного каскада через переключатель S1. Требуемую величину (K_i/K_h) в этом случае можно обеспечить подбором сопротивлений в эмиттере и коллекторе транзистора V4.

Реализация способа термостатирования преобразователя Холла в измерителе мощности постоянного тока показана на фиг.2. В приведенной схеме величина В пропорциональна току через нагрузку Z_н. Опорный ток i_1н, пропорциональный напряжению на нагрузке, поступает на вход сумматора с делителя напряжения, а компенсационный ток со схемы термостатирования AI. С выхода преобразователя Холла снимается напряжение U₂, прямо пропорциональное мощности, рассеиваемой на Z_н. Схема обладает высокой термостабильностью при любых токах нагрузки и при значениях напряжения на нагрузке, при которых выполняется условие 0>(K_i/K_h)>-2. Реализация способа термостатирования преобразователя Холла в измерителе мощности переменного тока показана на фиг.3. Эта схема отличается от предыдущей (на фиг.2) наличием детектирующей цепи V6, C1 в цепи формирования опорного тока i_1н.

Изобретение относится к технике электрических измерений магнитных, электрических, электромагнитных и неэлектрических величин в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды. Заявляемый способ позволяет повысить температурную стабильность намерений. Способ термостатирования преобразователя Холла, основанный на размещении преобразователя Холла на подложке вместе со схемой термостатирования отличается тем, что подложку термостатируют, а на токовый вход преобразователя Холла подают компенсационный ток со схемы термостатирования, зависящий от температуры окружающей среды, и опорный ток, причем отношение коэффициента K_i, характеризующего температурную зависимость суммарного тока, к коэффициенту K_h, характеризующему температурную зависимость коэффициента преобразования, определяют из отношения 0>(K_i/K_h)>-2. Представлены примеры реализации способа термостатирования преобразователя Холла в устройствах для измерения магнитной индукции и в измерителях мощности постоянного и переменного токов. 3 ил.

Способ термостатирования преобразователя Холла, основанный на размещении преобразователя Холла на подложке, отличающийся тем, что подложку термостатируют, а на токовый вход преобразователя Холла подают компенсационный ток со схемы термостатирования, зависящий от температуры окружающей среды, и опорный ток, причем отношение коэффициента К₁, характеризующего температурную зависимость суммарного тока, к коэффициенту К_h, характеризующему температурную зависимость коэффициента преобразования, определяют из отношения
0>(K_i/K_h) > -2.