ЦИФРОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2009 года по МПК G01K7/42 

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к электронной полупроводниковой термометрии. Наиболее эффективно оно может быть использовано для построения на его основе прецизионных и помехоустойчивых систем дистанционного измерения температуры в современных диагностических и физиотерапевтических медицинских технологиях, например для реализации методов биохронотехнологии, а также в системах противопожарной автоматики.

Известные и широко применяемые в настоящее время способы и устройства электронного измерения температуры недостаточно точны, т.к. обладают рядом недостатков, сущность которых заключается в следующем. Для термопар, при их способности к точечным измерениям, характерны низкая температурная чувствительность (десятки мкВ/К) и потребность в температурной стабилизации опорного спая. Обратносмещенные PN-переходы термодиодов имеют незначительные рабочие токи, но их температурная чувствительность также невелика (единицы мВ/К). В измерениях, основанных на применении терморезисторов, температурная чувствительность которых имеет значения порядка 20÷30 мВ/К, принципиально негативным фактором является самонагрев измерительным током (десятки мА). Самонагрев порождает тепловую инерционность и значительную динамическую погрешность измерения. Для уменьшения влияния этих недостатков на результат измерения интенсивно разрабатываются различные компенсационные и итерационные способы и устройства с использованием громоздких вычислительных алгоритмов, реализация которых требует значительные схемотехнические и временные затраты, в итоге увеличивающие в целом инерционность измерений. Эти тенденции отражены в публикациях [1-4]. Таким образом, упомянутые факторы существенно препятствуют достижению высокой точности измерения температуры.

Известен способ измерения температуры, основанный на использовании высокой температурной чувствительности полупроводниковой PN-структуры с переключательной S-образной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Он реализован в устройстве, описание которого приведено в публикации [5]. Эти способ и устройство наиболее близки к предлагаемому техническому решению и приняты за прототип. В способе-прототипе на вход термочувствительной PN-структуры, выполненной в виде однопереходного транзистора, включенного в цепь релаксационного генератора счетных импульсов, циклически подают импульсы открывающего напряжения и регистрируют на ее выходе строб-импульсы отклика, фронтами которых задают границы внутрицикловых интервалов измерения и активируют релаксационную генерацию счетных импульсов пилообразной формы с частотой следования, зависящей от температуры PN-структуры, счетными импульсами заполняют внутрицикловые интервалы и подсчитывают их количество в интервале, результаты подсчетов преобразуют в значения температуры, которые индицируют на цифровом табло.

Однако способ-прототип относительно неточен. Основные причины этого заключается в следующем. Во-первых, имеет место большая динамическая погрешность измерения, порождаемая тепловой инерционностью процесса измерения, которая изначально является следствием интенсивного самонагрева PN-структуры током счетных импульсов, вырабатываемых релаксационным генератором и проходящих через структуру. Кроме того, при термомониторинге живых организмов самонагрев первичного преобразователя оказывает активное тепловое воздействие на окружающие клетки живого организма и вызывает их ответную температурную реакцию, которая искажает результаты измерения. Во-вторых, операция преобразования количества внутрицикловых импульсов релаксационного генератора в адекватное значение температуры имеет существенно нелинейный характер, который следует из нелинейности характеристики температурного преобразования. Аналитически задать линеаризирующую коррекцию этой характеристики и тем более схемно реализовать ее на практике весьма сложно. Неучет нелинейности, имеющий место в способе-прототипе, заведомо приводит к большой погрешности измерения.

Целью изобретения является повышение точности измерения температуры за счет многократного уменьшения тепловой инерции процесса измерительного преобразования вида «температура-напряжение» и исключения влияния на точность измерения фактора нелинейности характеристики температурного преобразования.

Поставленная цель достигается следующим образом. В способе измерения температуры, в котором термочувствительную полупроводниковую PN-структуру с переключательной S-образной вольт-амперной характеристикой и порогом открывающего напряжения, функционально зависящим от температуры, помещают в тепловое поле контролируемой среды, на вход PN-структуры циклически подают импульсы открывающего напряжения и регистрируют на ее выходе строб-импульсы отклика, фронтами которых задают границы внутрицикловых интервалов измерения, генерируют счетные импульсы и заполняют измерительные интервалы счетными импульсами таким образом, чтобы их количество в цикле зависело от температуры PN-структуры, считают импульсы в цикле и по их количеству определяют температуру, при этом на подготовительном этапе опытным путем формируют для реально используемого образца PN-структуры дискретную температурно-вольтовую характеристику преобразования (т.е. зависимость порога открывающего напряжения от температуры) в виде последовательности поочередно нумеруемых в направлении возрастания напряжения отсчетов, значения вольтовых и температурных координат которых запоминают в цифровой форме в идентично нумерованных ячейках двух устройств постоянной памяти, затем на этапе измерений счетные импульсы генерируют в виде последовательности тактовых импульсов (нестабилизированной частоты), из этой последовательности формируют измерительные циклы в виде счетных циклов с модулем счета не меньшим числа уровней дискретизации, импульсы в цикле считают и в процессе счета нумеруют по очередности следования, нумерованными импульсами инициируют адресное обращение к идентично нумерованным ячейкам первого устройства постоянной памяти, откуда считывают запомненные значения пороговых напряжений, эти значения преобразуют из цифровой формы в аналоговую в виде ступенчатого функционально нарастающего напряжения, которое затем преобразуют путем синхронного прерывания тактовыми импульсами, предварительно расширенными до заданной скважности, в функционально нарастающую по амплитуде последовательность импульсов заданной скважности, эти импульсы подают в качестве открывающих импульсов на вход термочувствительной PN-структуры и на ее выходе регистрируют первый строб-импульс отклика, т.е. импульс, сформированный пороговым (при данной температуре) открывающим импульсом, строб-импульсом отклика фиксируют порядковый номер порогового импульса в импульсной последовательности и прекращают дальнейшую подачу импульсов до начала следующего цикла, по номеру порогового импульса адресно обращаются к идентично нумерованной ячейке второго устройства постоянной памяти, откуда считывают запомненное значение температуры, которое принимают за результат измерения и отображают на цифровом табло.

В устройство для реализации способа измерения температуры, содержащее генератор счетных импульсов, блок формирования импульсов открывающего напряжения, термочувствительную полупроводниковую PN-структуру с S-образной вольт-амперной характеристикой, соединенную выходным электродом через токоограничительный резистор нагрузки с общей шиной, формирователь пачек счетных импульсов и подключенный к его выходу счетным входом первый счетчик импульсов, а также блок цифровой индикации температуры, дополнительно введены второй (кольцевой) счетчик импульсов, выполненный с заданным модулем счета и снабженный двумя выходами переполнения (первым - для вывода предпоследнего импульса в счетном цикле, вторым - для вывода последнего импульса), первый и второй субблоки постоянной памяти, цифроаналоговый преобразователь, ключ-прерыватель, задатчик скважности тактовых синхроимпульсов, регистр хранения адреса и две линии синхронизирующей задержки, а полупроводниковая PN-структура выполнена в виде прямовключенного термочувствительного S-диода, входной и выходной электроды которого являются соответственно входным и выходным электродами PN-структуры, генератор счетных импульсов выполнен в виде генератора тактовых импульсов (нестабилизированной частоты), формирователь пачек счетных импульсов выполнен в виде селектора счетных импульсов с двумя управляющими входами - разрешающим и запрещающим прохождение импульсов, блок формирования импульсов открывающего напряжения выполнен в виде электрической цепи, состоящей из последовательно включенных входного первого субблока постоянной памяти, цифроаналогового преобразователя и подключенного к его выходу информационным входом выходного (в цепи) ключа-прерывателя, выход которого соединен с входным электродом S-диода, причем выход генератора тактовых счетных импульсов подключен к импульсному входу селектора счетных импульсов и ко входу второго счетчика, который подключен счетным выходом к адресному входу первого субблока постоянной памяти, первым выходом переполнения - ко входу обнуления первого счетчика, а вторым выходом переполнения - к разрешающему входу селектора счетных импульсов, общая точка соединения S-диода и резистора нагрузки подключена к запрещающему входу селектора счетных импульсов, входу обнуления регистра хранения адреса и через первую линию задержки - ко входу разрешения записи регистра хранения адреса, который входом данных соединен с выходом первого счетчика, задатчик скважности импульсов подключен импульсным входом через вторую линию задержки к выходу селектора счетных импульсов, а выходом - к управляющему входу ключа-прерывателя, второй субблок постоянной памяти подключен адресным входом к выходу регистра хранения адреса, а выходом - ко входу блока цифровой индикации температуры.

Заявленный способ измерения температуры отличается от известного, принятого за прототип, тем, что на подготовительном этапе опытным путем формируют для реально используемого образца PN-структуры дискретную температурно-вольтовую характеристику преобразования (т.е. зависимость порога открывающего напряжения от температуры) в виде последовательности поочередно нумеруемых в направлении возрастания напряжения отсчетов, значения вольтовых и температурных координат которых запоминают в цифровой форме в идентично нумерованных ячейках двух устройств постоянной памяти, затем на этапе измерений счетные импульсы генерируют в виде последовательности тактовых импульсов (нестабилизированной частоты), из этой последовательности формируют измерительные циклы в виде счетных циклов с модулем счета, не меньшим числа уровней дискретизации, импульсы в цикле считают и в процессе счета нумеруют по очередности следования, нумерованными импульсами инициируют адресное обращение к идентично нумерованным ячейкам первого устройства постоянной памяти, откуда считывают запомненные значения пороговых напряжений, эти значения преобразуют из цифровой формы в аналоговую в виде ступенчатого функционально нарастающего напряжения, которое затем преобразуют путем синхронного прерывания тактовыми импульсами, предварительно расширенными до заданной скважности, в функционально нарастающую по амплитуде последовательность импульсов заданной скважности, эти импульсы подают в качестве открывающих импульсов на вход термочувствительной PN-структуры и на ее выходе регистрируют первый строб-импульс отклика, т.е. импульс, сформированный пороговым (при данной температуре) открывающим импульсом, строб-импульсом отклика фиксируют порядковый номер порогового импульса в импульсной последовательности и прекращают дальнейшую подачу импульсов до начала следующего цикла, по номеру порогового импульса адресно обращаются к идентично нумерованной ячейке второго устройства постоянной памяти, откуда считывают запомненное значение температуры, которое принимают за результат измерения.

Устройство для реализации способа отличается от известного, принятого за прототип, тем, что дополнительно содержит второй (кольцевой) счетчик импульсов, выполненный с заданным модулем счета и снабженный двумя выходами переполнения (первым - для вывода предпоследнего импульса в счетном цикле, вторым - для вывода последнего импульса), первый и второй субблоки постоянной памяти, цифроаналоговый преобразователь, ключ-прерыватель, задатчик скважности тактовых синхроимпульсов, регистр хранения адреса и две линии синхронизирующей задержки, а полупроводниковая PN-структура выполнена в виде прямовключенного термочувствительного S-диода, входной и выходной электроды которого являются соответственно входным и выходным электродами PN-структуры, генератор счетных импульсов выполнен в виде генератора тактовых импульсов (нестабилизированной частоты), формирователь пачек счетных импульсов выполнен в виде селектора счетных импульсов с двумя управляющими входами - разрешающим и запрещающим прохождение импульсов, блок формирования импульсов открывающего напряжения выполнен в виде электрической цепи, состоящей из последовательно включенных входного первого субблока постоянной памяти, цифроаналогового преобразователя и подключенного к его выходу информационным входом выходного (в цепи) ключа-прерывателя, выход которого соединен с входным электродом S-диода, причем выход генератора тактовых счетных импульсов подключен к импульсному входу селектора счетных импульсов и ко входу второго счетчика, который подключен счетным выходом к адресному входу первого субблока постоянной памяти, первым выходом переполнения - ко входу обнуления первого счетчика, а вторым выходом переполнения - к разрешающему входу селектора счетных импульсов, общая точка соединения S-диода и резистора нагрузки подключена к запрещающему входу селектора счетных импульсов, входу обнуления регистра хранения адреса и через первую линию задержки - ко входу разрешения записи регистра хранения адреса, который входом данных соединен с выходом первого счетчика, задатчик скважности импульсов подключен импульсным входом через вторую линию задержки к выходу селектора счетных импульсов, а выходом - к управляющему входу ключа-прерывателя, второй субблок постоянной памяти подключен адресным входом к выходу регистра хранения адреса, а выходом - ко входу блока цифровой индикации температуры.

Сущность положительного эффекта изобретения заключается в следующем:

- уменьшена на несколько порядков динамическая погрешность измерения температуры за счет предельной минимизации действующего значения рабочего тока первичного преобразователя (S-диода) путем замены непрерывной последовательности пилообразных импульсов релаксационного генератора одиночным в измерительном цикле импульсом малой длительности (см. Доказательство);

- исключено влияние на точность измерения температуры фактора нелинейности температурно-вольтовой характеристики (ТВХ) преобразования за счет формирования и запоминания на подготовительном этапе ТВХ в виде нумерованных дискретных отсчетов с последующим считыванием на этапе измерений их нумерованных температурных координат идентично нумерованными пороговыми импульсами.

В отличие от PN-структуры с переключательной S-образной ВАХ ни один из типов традиционно применяемых температурных первичных преобразователей (термосенсоров) не способен работать с приемлемой точностью в режиме одиночных импульсов т.к. не обладает для этого ни достаточной чувствительностью, ни пороговой функцией переключения. Попытка использования в режиме одиночных импульсов традиционных термосенсоров потребует сложной алгоритмической и схемной реализации и будет иметь следствием большую суммарную инструментальную погрешность измерения.

Таким образом, наличие в предложенном техническом решении указанной совокупности признаков, отличающих его от прототипа, обусловливает появление в нем свойств, предопределяющих положительный эффект.

Доказательство. Проведем сравнительный анализ температурной реакции первичного преобразователя (PN-структуры) на тепловое воздействие измерительными токами двух видов - в виде одиночных, в измерительном цикле, импульсов малой длительности, следующих с большой скважностью (вариант предложенного технического решения), и следующих непрерывно друг за другом пилообразных импульсов релаксационного генератора (вариант прототипа). Результат сравнения представим в виде соотношения температур перегрева, соответствующих двум рассматриваемым вариантам воздействия, за время одного измерительного цикла. Введем обозначения:θ_Δ - диапазон измеряемых температур, θ_h - температура первичного преобразователя, θ_a - температура контролируемой среды, Δθ=θ_h-θ_a - температура перегрева преобразователя (т.е. разность температур, возникающая вследствие его самонагрева), Δθ_и - температура перегрева по окончании действия импульса, Δθ_п - остаточная температура перегрева по окончании паузы, t - текущее время, Т - период следования импульсов, F - частота следования импульсов, t_и - длительность импульса, t_п - длительность паузы, α=t_и/T - коэффициент заполнения, t_ц - длительность цикла, m - число отчетов (выборок), P_и - электрическая мощность импульса (интенсивность тепловложения); R_T - тепловое сопротивление первичного преобразователя, С_T - теплоемкость первичного преобразователя, τ=R_TC_T - постоянная времени теплового процесса (на уровне 1/е≈0,37).

Вывод уравнения, описывающего процесс теплообмена между преобразователем и средой, следует из первого закона термодинамики. Оно имеет вид дифференциального уравнения первого порядка

Условимся рассматривать результирующую температуру перегрева Δθ PN - структуры как сумму температур перегрева при раздельном воздействии на нее за один цикл одиночным пороговым импульсом и серией микроимпульсов утечки в закрытом состоянии PN-структуры. Решая дифференциальное уравнение относительно температуры Δθ перегрева за время одного цикла для трех вариантов (А, Б, В) теплового воздействия, получаем следующие выражения.

А. При воздействии одиночным пороговым импульсом имеем:

в момент t_i окончания импульса

где P_i=I² _SR_OC, t_и=αT, R_OC - сопротивление PN-структуры в открытом состоянии; в конце паузы t_п (т.е. цикла)

где t_п≈mT.

Б. При воздействии за время t_ц серией из m микроимпульсов имеем:

где t_ц=mT, - усредненная за период мощность микроимпульса, I_МИ - амплитуда тока микроимпульса, R_ЗС - сопротивление PN-структуры в закрытом состоянии, При типичных соотношениях I_МИ≈0,05I_S,R_ЗС≈0,01R_ОС получаем:

В. При воздействии за время t_ц серией из m непрерывных пилообразных импульсов релаксационного генератора (вариант прототипа) имеем:

где - усредненная за период мощность пилообразного импульса, т.е. t_ц=mT. После подстановки получаем:

Представим оценку положительного эффекта в виде процентного соотношения k [%] температур перегрева сенсора за время одного измерительного цикла в двух вариантах - предложенного технического решения и его прототипа. Используя выражения (2-4) получим:

Выбираем типичные (не предельные) значения коэффициентов и параметров: m=1000;

α=0,1; t_ц=2 с, отсюда - Т=2·10^-3 с; τ=2 с. После их подстановки в формулу (5) в итоге получаем:

k≈(1,9·10^-4+7,5·10^-6)·100%≈0,02%.

Изобретение поясняется иллюстрациями, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства, на фиг.2 (а, б, в, г, д) изображены диаграммы, поясняющие принцип его работы, на фиг.3 изображена типовая температурно-вольтовая характеристика (ТВХ) S-диода, а на фиг.4 - функциональная схема устройства формирования и запоминания ТВХ.

На фиг.1 позициями обозначены: 1 - генератор тактовых счетных импульсов; 2 -блок формирования импульсов открывающего напряжения; 3 - термочувствительная полупроводниковая PN-структура с S-образной ВАХ; 4 - токоограничительный резистор нагрузки с сопротивлением R_н; 5 - формирователь пачек счетных импульсов, выполненный в виде селектора счетных импульсов с двумя управляющими входами - разрешающим Е и запрещающим V; 6 - первый счетчик импульсов (в пачках) с обнуляющим входом R; 7 - блок цифровой индикации температуры; 8 - второй счетчик (кольцевой) импульсов, выполненный с заданным модулем счета К_СЧ=m + 2, где m - количество уровней дискретизации ТВХ, снабженный двумя выходами переполнения - для (m+1)-го и для (m+2)-го счетных импульсов; 9 - первый субблок постоянной памяти (для хранения массива D значений вольтовых координат отсчетов на ТВХ); 10 - второй субблок постоянной памяти (для хранения массива θ значений температурных координат отсчетов на ТВХ); 11 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), где U_ОП - опорное напряжение; 12 - ключ-прерыватель (дискретизатор ступенчатого видеосигнала на выходе ЦАП); 13 - задатчик скважности Q тактовых синхроимпульсов дискретизации; 14 - регистр хранения адреса, в котором R-вход обнуления, W - вход разрешения записи; 15 и 16 - первая и вторая линии синхронизирующей задержки; 17 - термочувствительный S-диод. Кроме того, на фиг.1 приняты следующие обозначения: m-количество уровней дискретизации ТВХ (отсчетов или выборок); i - текущий номер счетных импульсов, т.е. номер текущих отсчетов на ТВХ, где i=1, 2, 3...m; j - номер порогового импульса, т.е. порогового отсчета на ТВХ; N_i - код текущих номеров счетных импульсов, т.е. - номеров текущих отсчетов; N_j - код номера порогового импульса, т.е. порогового отсчета, он же - код адреса ячейки памяти; D - массив кодовых значений вольтовых координат отсчетов на ТВХ; D_i - кодовое значение вольтовой координаты текущего отсчета; θ - массив кодовых значений температурных координат отсчетов на ТВХ; θ_i - кодовое значение температуры текущего отсчета; θ_j - кодовое значение температуры порогового отсчета.

Диаграммы на фиг.2(а-д) изображают следующее: 2а - последовательность тактовых счетных импульсов на выходе генератора 1; 2б - пачки импульсов опроса, т.е. импульсов открывающего напряжения с функционально нарастающей амплитудой, где J_A, J_B, J_C - номера пороговых импульсов (последних в пачке) при различных температурах t°_A>t°_B>t°_C; 2в - типовая ВАХ S-диода, где U_S - входное напряжение, I_S - выходной ток, т.т. A, B, С - точки открывания, т.т. A', B', C' - точки удержания при различных температурах, U_TA, U_TB,U_TC - пороговые напряжения открывания при различных температурах; 2г - последовательности строб-импульсов отклика открытого S-диода и микроимпульсов утечки закрытого S-диода, формируемых на нагрузочном резисторе; 2д - последовательность пачек счетных импульсов на выходе селектора 5; N_A, N_B, N_C - кодовые состояния на выходе регистра 14 при различных температурах. На фиг.3 изображена типовая температурно-вольтовая характеристика S-диода, где U_T - пороговое напряжение отрывания (при нормативном значении R_H).

Устройство, реализующее заявленный способ, работает следующим образом. На подготовительном этапе опытным путем формируют и запоминают дискретную температурно-вольтовую характеристику преобразования (см. фиг.3) для реально используемого образца S-диода (с нормативной нагрузкой) в виде последовательности поочередно нумерованных в направлении возрастания напряжения m отсчетов. Массивы значений D вольтовых и значений θ температурных координат отсчетов запоминают в цифровой форме в идентично нумерованных ячейках двух субблоков 9 и 10 постоянной памяти. Для формирования и запоминания ТВХ используют устройство, функциональная схема которого изображена на фиг.4, где (по сквозной нумерации с фиг.1) обозначено: 9 и 10 - первый и второй субблоки постоянной памяти (А - адресный вход), 17 - термочувствительный S-диод, 18 - калибровочный термостат (с выводом цифровых значений θ_i температурных уставок ), 19 - одновибратор, 20 - вычитающий счетчик (с модулем счета m+1), 21 - первый регистр хранения данных D_i (W-вход команды разрешения записи, R - вход команды обнуления), 22 - второй регистр хранения данных θ_i (с аналогичными управляющими входами), 23 - управляемый генератор медленно нарастающего пилообразного напряжения (Е - вход команды запуска, V - вход команды останова), 24 - АЦП, n - номер шага термостатирования (n=1, 2, 3,...m), i-номер текущего отсчета на ТВХ: i=m+1-n.

Термостатом 18 пошагово задают m ступенчато нарастающих температурных уставок от значения до значения , кодовые значения θ_i которых дежурят на входе данных регистра 22. На каждом шаге n одновибратором 19 подают по одному счетному импульсу на вход вычитающего счетчика 20, с выхода которого кодовое значение N_i поступает на адресные входы субблоков 9 и 10 постоянной памяти. Одновременно счетным импульсом обнуляют регистры 21, 22 и запускают генератор 23, с выхода которого медленно нарастающее пилообразное напряжение начинает поступать на вход АЦП 24 и далее в оцифрованном виде - на вход данных регистра 21 хранения значений D_i (пороговых напряжений), а также - в качестве открывающего напряжения U_S на вход термочувствительного S-диода 17 (см. фиг.2в). В момент достижения пилообразно нарастающим напряжением порогового (при заданном ) значения U_Ti S - диод открывается и на его нагрузочном резисторе 4 формируется скачек напряжения отклика. Фронт этого скачка командует остановом генерации пилообразного напряжения в блоке 23, разрешением записи данных D_i, и θ_i в регистры 21 и 22 и через интервал времени синхронизирующей задержки - разрешением записи этих данных в блоки 9 и 10 памяти в ячейки с адресом N_i.

В режиме измерений устройство работает следующим образом (см. фиг.1 и фиг.2). Термочувствительный S-диод 17 помещают в тепловое поле контролируемой среды и подачей электропитания в схему приводят устройство в исходное состояние. Генератор 1 начинает вырабатывать счетные синхроимпульсы (фиг.2,а), которые подаются одновременно на импульсный вход (нормально открытый в исходном состоянии) селектора 5 и счетный вход кольцевого счетчика 8. Кольцевой счетчик формирует счетные измерительные циклы с модулем счета К_СЧ=m+2. Значения N_i порядковых номеров счетных импульсов указывают адреса опрашиваемых ячеек памяти в субблоке 9, инициируя при этом последовательное считывание из них массива кодовых значений D_i, вольтовых координат. Последовательность значений D_i, подается на ЦАП 11 и преобразуется им в непрерывную ступенчато нарастающую по закону, определяемому температурно-вольтовой характеристикой, последовательность уровней напряжения U_i. Эти уровни U_i дискретизируются ключом-прерывателем 12, который пропускает их только во время поступления на его управляющий вход тактовых синхроимпульсов с выхода задатчика 13 скважности. Задатчик 13 выполняет функцию расширителя тактовых счетных импульсов, подаваемых через линию 16 синхронизирующей задержки на его вход с выхода селектора 5 счетных импульсов. Сформированные посредством такой дискретизации импульсные последовательности с функционально нарастающей амплитудой и заданной скважностью циклически подаются в качестве импульсов опроса с выхода ключа-прерывателя 12 на вход S-диода 17 и открывают его импульсом с пороговой при данной температуре амплитудой, т.е. пороговым импульсом. На фиг.2,б,в видно, что импульсы опроса с номерами j_A, j_B, j_C имеют амплитуды не меньшие пороговых уровней (U_TA, U_TB, U_TC открывания при соответствующих температурах t°_A>t°_B>t°_C. Пороговые импульсы проходят через S-диод и формируют на его нагрузочном резисторе 4 строб-импульсы отклика (фиг.2г). Строб-импульсы в качестве управляющих импульсов одновременно подаются на запрещающий вход V селектора 5 для ограничения пачки счетных импульсов, на вход R обнуления регистра 14 хранения адреса и через синхронизирующую линию задержки 15 - на вход W разрешения записи нового адреса в регистре 14. Номер порогового импульса определяется подсчетом количества импульсов в пачках (фиг.2д) счетчиком 6 и запоминается в регистре 14 по команде, подаваемой на его вход W строб-импульсом. Установившееся на выходе регистра 14 кодовое значение N_j подается на адресный вход субблока 10 памяти, откуда считывается кодовое значение θ_j температуры. Это значение температуры принимается за результат измерения и отображается в десятичном коде на цифровом табло блока 7 индикации. После последнего в пачке j-го импульса поступление синхроимпульсов на управляющий вход ключа-прерывателя 12 прекращается и подача опрашивающих импульсов на вход S-диода блокируется. С приходом предпоследнего (m+1)-го импульса с первого выхода переполнения кольцевого счетчика 8 на обнуляющий вход R счетчика 6 измерительный цикл заканчивается. Приход последнего, т.е. (m+2)-го, импульса со второго выхода переполнения кольцевого счетчика 8 на разрешающий вход Е селектора 5 счетных импульсов инициирует начало нового измерительного цикла.

Для точного измерения температуры необходимо соблюдение условия

где: t_ц - длительность цикла (t_ц= t_и+t_п), t_рел - время температурной релаксации, принимаемое кратным постоянной времени τ. То есть t_рел=βτ, где β - коэффициент кратности (на практике считается достаточным для условно «полной» релаксации выбор значения β=5). Как видно из формулы (2), для минимизации остаточного перегрева S-диода за время одного измерительного цикла (для Δθ_пор0) необходимо уменьшать длительность импульса (t_и=αT) и увеличивать длительность паузы (t_п≈mT), то есть уменьшать коэффициент заполнения α и увеличивать период следования тактовых импульсов T. Из соотношения (6) следует, что для выбора оптимальной частоты следования тактовых счетных импульсов необходимо соблюдение условия:

F≤(α+m)/βτ.

Устанавливая расчетные значения скважности Q (или коэффициента заполнения α) в задатчике 13 и частоты F в генераторе 1, задают точностной режим измерения температуры.

Из патентной и научно-технической литературы не известны вышеуказанные отличительные признаки способа и устройства в их данной целенаправленности и полезной совокупности. Это позволяет сделать вывод о том, что «изобретение является новым» и соответствует критерию «изобретательский уровень».

Так как порог напряжения переключения S-диода практически не зависит от сопротивления соединительной линии (при R_H>>R_линии имеют место только микроизменения наклона нагрузочной прямой на ВАХ), то наиболее целесообразно применение изобретения в системах централизованного сбора и обработки информации с использованием дистанционного контроля температуры. Оно позволяет повысить точность и быстроту измерения температуры при наличии протяженных соединительных линий, например, для автоматического термомониторинга пациентов как в амбулаторных и клинических стационарах, так и на мобильных медицинских установках, а также в охранной противопожарной автоматике. То есть «практическая применимость» изобретения функционально многообразна.

Технический результат, получаемый от использования изобретения, заключается в повышении точности измерения температуры.

Источники информации

1. Патент JP 3626066 В2. Способ и устройство для определения температуры, кл.С01К 7/00, 7/14, 2006, РЖ Вып.084 №7.

2. Патент RU 2257553 С1. Компенсационный способ измерения температуры. кл. G07K 7/22, 2005, бюл.№21.

3. Патент RU 2269102 С1. Способ определения температуры полупроводниковым терморезистором, кл. G01K 7/22, 2006. Бюл.№03.

4. Патент US 6808307 ВА. Способ и устройство для повышения точности датчика температуры. кл. G01K 7/01, 2002, РЖ Вьш.084 №4.

5. Патент RU 2058019 С1. Электронный датчик температуры, кл. G01K 7/14, 1996, Бюл.№10 (Прототип).

6. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1990, с.207-208.

7. Справочное пособие по основам электротехники и электроники. /Под ред. А.В.Нетушила. М.: ЭАИ, 1997, с.106.

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к электронной полупроводниковой термометрии. Наиболее эффективно оно может быть использовано для построения на его основе прецизионных и помехоустойчивых систем дистанционного измерения температуры в современных диагностических и физиотерапевтических медицинских технологиях. Целью изобретения является повышение точности измерения температуры. Цель достигается путем минимизации температуры самонагрева измерительного первичного преобразователя и, следовательно, уменьшения динамической погрешности измерения. В качестве первичного преобразователя выбран S-диод, обладающий высокой чувствительностью порога открывающего напряжения к температуре, ориентировочно 50÷350 мВ/К. Способ включает в себя два этапа. Устройство для реализации содержит генератор счетных импульсов, блок формирования импульсов открывающего напряжения, термочувствительную PN-структуру с S-образной ВАХ, формирователь пачек счетных импульсов и первый счетчик импульсов в пачках, а также блок индикации температуры. При этом в устройство дополнительно введены второй кольцевой счетчик, два субблока постоянной памяти, цифроаналоговый преобразователь, ключ-прерыватель, задатчик скважности импульсов опроса, регистр хранения адреса и две линии синхронизирующей задержки, a PN-структура выполнена в виде термочувствительного S-диода. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения температуры, в котором термочувствительную полупроводниковую PN-структуру с переключательной S-образной вольт-амперной характеристикой и порогом открывающего напряжения, функционально зависящим от температуры, помещают в тепловое поле контролируемой среды, на вход PN-структуры циклически подают импульсы открывающего напряжения и регистрируют на ее выходе строб-импульсы отклика, фронтами которых задают границы внутрицикловых интервалов измерения, генерируют счетные импульсы и заполняют измерительные интервалы счетными импульсами таким образом, чтобы их количество в цикле зависело от температуры PN-структуры, считают импульсы в цикле и по их количеству определяют температуру, значение которой отображают на цифровом табло, отличающийся тем, что на подготовительном этапе опытным путем формируют для реально используемого образца PN-структуры дискретную температурно-вольтовую характеристику преобразования, т.е. зависимость порога открывающего напряжения от температуры, в виде последовательности поочередно нумеруемых в направлении возрастания напряжения отсчетов, значения вольтовых и температурных координат которых запоминают в цифровой форме в идентично нумерованных ячейках двух устройств постоянной памяти, затем на этапе измерений счетные импульсы генерируют в виде последовательности тактовых импульсов нестабилизированной частоты, из этой последовательности формируют измерительные циклы в виде счетных циклов с модулем счета не меньшим числа уровней дискретизации, импульсы в цикле считают и в процессе счета нумеруют по очередности следования, нумерованными импульсами инициируют адресное обращение к идентично нумерованным ячейкам первого устройства постоянной памяти, откуда считывают запомненные значения пороговых напряжений, эти значения преобразуют из цифровой формы в аналоговую в виде ступенчатого функционально нарастающего напряжения, которое затем преобразуют путем синхронного прерывания тактовыми импульсами, предварительно расширенными до заданной скважности, в функционально нарастающую по амплитуде последовательность импульсов заданной скважности, эти импульсы подают в качестве открывающих импульсов на вход термочувствительной PN-структуры и на ее выходе регистрируют первый строб-импульс отклика, т.е. импульс, сформированный пороговым при данной температуре открывающим импульсом, строб-импульсом отклика фиксируют порядковый номер порогового импульса в импульсной последовательности и прекращают дальнейшую подачу импульсов до начала следующего цикла, по номеру порогового импульса адресно обращаются к идентично нумерованной ячейке второго устройства постоянной памяти, откуда считывают запомненное значение температуры, которое принимают за результат измерения.2. Устройство для реализации способа измерения температуры, содержащее генератор счетных импульсов, блок формирования импульсов открывающего напряжения, термочувствительную полупроводниковую PN-структуру с S-образной вольт-амперной характеристикой, соединенную выходным электродом через токоограничительный резистор нагрузки с общей шиной, формирователь пачек счетных импульсов и подключенный к его выходу счетным входом первый счетчик импульсов, а также - блок цифровой индикации температуры, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй - кольцевой счетчик импульсов, выполненный с заданным модулем счета и снабженный двумя выходами переполнения, первым - для вывода предпоследнего импульса в счетном цикле, вторым - для вывода последнего импульса, первый и второй субблоки постоянной памяти, цифроаналоговый преобразователь, ключ-прерыватель, задатчик скважности тактовых синхроимпульсов, регистр хранения адреса и две линии синхронизирующей задержки, а полупроводниковая PN-структура выполнена в виде прямовключенного термочувствительного S-диода, входной и выходной электроды которого являются соответственно входным и выходным электродами PN-структуры, генератор счетных импульсов выполнен в виде генератора тактовых импульсов нестабилизированной частоты, формирователь пачек счетных импульсов выполнен в виде селектора счетных импульсов с двумя управляющими входами - разрешающим и запрещающим прохождение импульсов, блок формирования импульсов открывающего напряжения выполнен в виде электрической цепи, состоящей из последовательно включенных входного первого субблока постоянной памяти, цифроаналогового преобразователя и подключенного к его выходу информационным входом выходного в цепи ключа-прерывателя, выход которого соединен с входным электродом S-диода, причем выход генератора тактовых счетных импульсов подключен к импульсному входу селектора счетных импульсов и ко входу второго счетчика, который подключен счетным выходом к адресному входу первого субблока постоянной памяти, первым выходом переполнения - ко входу обнуления первого счетчика, а вторым выходом переполнения - к разрешающему входу селектора счетных импульсов, общая точка соединения S-диода и резистора нагрузки подключена к запрещающему входу селектора счетных импульсов, входу обнуления регистра хранения адреса и через первую линию задержки - ко входу разрешения записи регистра хранения адреса, который входом данных соединен с выходом первого счетчика, задатчик скважности импульсов подключен импульсным входом через вторую линию задержки к выходу селектора счетных импульсов, а выходом - к управляющему входу ключа-прерывателя, второй субблок постоянной памяти подключен адресным входом к выходу регистра хранения адреса, а выходом - ко входу блока цифровой индикации температуры.