ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 1997 года по МПК G01K7/00 G01K7/24 

Изобретение относится к электронике, в частности к интегральным датчикам температуры.

Известно качество датчиков температуры, среди которых максимальную чувствительность имеют те, в которых в качестве термочувствительного элемента используются полупроводниковые диоды или термисторы, например, UAA3274 фирмы "Omega Eng." [1]
Именно такие датчики получили наиболее широкое распространение. Однако при их использовании точность, диапазон измеряемой температуры и другие параметры зависят от применяемой аппаратуры, изменяющей их сопротивление.

Стремление создать датчик, не зависящий от измерительной аппаратуры, а следовательно, дешевый и простой при использовании, и в максимальной степени использующий возможности термочувствительного элемента привело к созданию датчиков, которые соединяют в себе термочувствительный элемент и схему преобразования термозависимого параметра.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является датчик температуры [2] в котором термочувствительный элемент-полупроводниковый диод соединен последовательно с источником постоянного тока, анод диода и подключен к положительному выходу стабилизированного источника питания, катод диода соединен с положительным выводом источника тока и с одним из двух входов компаратора, отрицательный вывод источника тока соединен с отрицательным выходом стабилизированного источника питания.

Управляющий вход источника питания подключен к формирователю опорного напряжения. Второй вход компаратора подключен к выходу магазина сопротивления, включенного между положительным выходом стабилизированного источника питания и выходом еще одного источника опорного напряжения. Выход ключевых элементов магазина сопротивлений подключен к выходу компаратора. При прохождении через диод тока заданного источником, больше определенного порогового значения, на диоде возникает падение напряжения V_D, зависящее от температуры диода. Компаратор и магазин сопротивлений образуют АЦП, который преобразует зависящий от температуры аналоговый сигнал V_D в числовой код.

Однако такой датчик имеет ряд недостатков, ограничивающих точность измерения температуры:
1. Наличие магазина сопротивлений АЦП вносит погрешность в результаты измерения температуры, связанную с дискретностью измерения термочувствительного параметра, минимальное значение которого определяется количеством сопротивлений в АЦП. Обычно именно возможности АЦП определяют достижимую точность.

2. Наличие прямосмещенного p-n перехода в термочувствительном элементе приводит к необходимости пропускания значительного тока через диод /его нельзя уменьшить до нуля, т.к. в этом случае падает до нуля чувствительность датчика/, а это приводит к выделению мощности в термочувствительном элементе, что снижает точность измерений.

3. Кроме этого имеются сложности в реализации стабильного источника тока, особенно в интегральном исполнении датчика, а нестабильность источника тока снижает точность измерения температуры.

Технический результат изобретения увеличение точности измерения и снижение потребляемой мощности.

Результат достигается тем, что датчик температуры, содержащий полупроводниковый диод в качестве термочувствительного элемента, компаратор, ключевой элемент, имеющий сигнальный вход, сигнальный выход, управляющий вход, четыре входных шины и одну выходную шину, причем полупроводниковый диод подключен одним выводом к первой входной шине, а другим выводом к первому входу компаратора и сигнальному выходу ключевого элемента, сигнальный вход которого подключен ко второй входной шине, третья входная шина подключен к второму входу компаратора, четвертая входная шина подключена к управляющему входу ключевого элемента, а выход компаратора подключен к выходной шине, введен конденсатор, один из выводов которого подключен к первой входной шине, а второй вывод с сигнальному выходу ключевого элемента.

На чертеже представлена принципиальная схема датчика температуры при напряжении (на входной шине 1 больше, чем на входной шине 2).

Датчик температуры содержит четыре входных шины 1-4, выходную шину 5, ключевой элемент 6, конденсатор 7, параллельно которому подсоединен термочувствительный диод 8, компаратор 9.

Конденсатор 7 и диод 8 подключен одним выводом к входной шине 1, а другим к одному из входов компаратора 9 и к сигнальному выходу ключевого элемента 6. Сигнальный вход ключевого элемента 6 подключен к входной шине 2, а управляющий вход ключевого элемента 6 подключен к входной шине 4. Входная шина 3 подключена к второму входу компаратора 9, а выход компаратора 9 к выходной шине 5.

Датчик работает следующим образом.

В исходном состоянии на входную шину 4 подается сигнал такого уровня, что ключевой элемент 6 открыт. На входную шину 1 и входную шину 2 подаются напряжения, смещающие p-n-переход диода 8 в обратном направлении. Конденсатор при этом заряжается до величины разности этих напряжений. На входную шину 3 подается напряжение, имеющее значение между напряжением на входной шине 1 и напряжением на входной шине 2. На выходе компаратора 9 устанавливается некоторый определенный (высокий или низкий) уровень напряжения, затем на входную шину 4 подается управляющий сигнал, закрывающий ключевой элемент 6. С этого момента напряжение на конденсаторе начинает уменьшаться за счет обратного тока p-n-перехода диода 8, а напряжение на первом входе компаратора 9 стремится к напряжению на входной шине 1, проходя значение, равное напряжению на входной шине 3. В этот момент выход компаратора изменяет ранее установившийся уровень.

Временный интервал между изменением уровня сигнала на входной шине 4, который закрывает ключевой элемент 6, и изменением уровня выхода зависит от величины обратного тока p-n перехода диода 8, зависящего, в свою очередь, от температуры. Таким образом, датчик преобразует температуры во временной интервал между входным и выходным сигналами.

Благодаря реализуемому датчиком преобразованию температуры во временной интервал в значительной степени устраняются погрешности измерений, связанные с дискретностью измеряемой величины. Даже простейшим таймером промежуток времени измеряется значительно точнее, чем напряжение достаточно сложным АЦП (как в прототипе).

По сравнению с прототипом ток, протекающий через термочувствительный элемент, меньше на несколько порядков, что исключает погрешности, связанные с выделением мощности в датчике, и уменьшает потребляемую мощность.

По сравнению с прототипом устраняются и погрешности, связанные с нестабильностью источника тока, так как предлагаемый датчик не требует стабилизации тока через термочувствительный элемент.

Кроме того, построение схемы без точных резистивных элементов, использование только слаботочных элементов упрощают реализацию датчика температуры в интегральном исполнении.

Благодаря своим свойствам высокой точности, малой мощности потребления и простоте реализации в виде интегральной микросхемы, предлагаемый датчик температуры целесообразно применять в бытовых и медицинских (в том числе, многоканальных) термометрах.

Опытные образцы предлагаемого датчика были изготовлены в виде микросхем с кристаллами, выполненными по КМОП-технологии.

В процессе испытания на шину 4 подавалось напряжение 5 В, на шину 2 2 В, на шину 3 3 В. При напряжении на шине 4 меньше 0,4 В ключ 6 был открыт, больше 2,4 В закрыт.

Через промежуток времени, соответствующий измеряемой температуре, отсчитываемый от момента перехода напряжения на шине 4 на высокий уровень, выход 5 переходит на высокий уровень.

Испытания показали следующее:
ток потребления не превышает 3 мкА, при напряжении питания 5 В,
чувствительность датчика не менее 0,01 с/град. что позволило легко различать температуры, отличающиеся на 0,01^oC.

датчик работоспособен при температурах от +20^oC до +150^oC.

Сущность изобретения: датчик содержит п/п диод 8 в качестве термочувствительного элемента, параллельно которому подключен конденсатор, причем конденсатор и диод одним выводом подключены к первой входной шине, а другим - к одному входу компаратора 9 и через ключевой элемент 6 - к второй входной шине. Третья входная шина подключена к второму входу компаратора, четвертая входная шина - к управляющему входу ключевого элемента, а выход компаратора - к выходной шине. Компаратор меняет состояние своего выхода, когда конденсатор, разряжаясь за счет обратного тока диода 8, меняет соотношение напряжений на входах компаратора. Датчик преобразует температуру во временной интервал между фронтом импульса сигнала на четвертой входной шине, переключающего ключевой элемент в закрытое состояние, и фронтом выходного сигнала компаратора, имеет малую мощность потребления, легко реализуется в интегральном исполнении. 1 ил.

Датчик температуры, содержащий термочувствительный элемент в виде полупроводникового диода, компаратор, ключевой элемент с сигнальным и управляющим входами и сигнальным выходом, четыре входных шины и выходную шину, причем полупроводниковый диод подключен одним выводом к первой входной шине, а другим выводом к первому входу компаратора и сигнальному выходу ключевого элемента, сигнальный вход которого подключен к второй входной шине, второй вход компаратора подключен к третьей входной шине, его выход соединен с выходной шиной, а управляющий вход ключевого элемента подключен к четвертой входной шине, отличающийся том, что в него введен конденсатор, один из выводов которого подключен к первой входной шине, а второй вывод к сигнальному выходу ключевого элемента.