Электронный терморегулятор на основе ферромагнитных микропроводов Российский патент 2025 года по МПК G05D23/24 G01K7/24 

Изобретение относится к устройствам для измерения и регулирования температуры, использующим температурные датчики (ТД) с трехпроводной линией связи, и может найти применение в различных областях техники, в частности в микроэлектронике для термостатирования внутреннего объема микросхем.

Основными материалами, применяемыми в настоящее время для изготовления ТД являются платина, медь, никель и их сплавы. Наивысшей стабильностью характеристик, устойчивостью к воздействию агрессивных сред и широким диапазоном рабочих температур обладают платиновые термометры сопротивления. В последнее время показана возможность применения ферромагнитных микропроводов (ФМ) для контроля их температуры при токовом нагреве постоянным током и разработаны ТД на основе ФМ, которые характеризуются малыми размерами, достаточно высоким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), широким диапазоном измерений и высоким номинальным сопротивлением, благодаря чему их можно использовать в качестве нагревателя при пропускании тока через ФМ.

Известно устройство для регулирования температуры (Авторское свидетельство СССР №964592 кл. G05D 23/19 / Борисов Л.Г., опубл. 07.10.1982 Бюлл. №37), содержащее совмещенный датчик-нагреватель, включенный в одно из плеч мостового преобразователя температуры, компаратор, вход которого подключен к выходной диагонали мостового преобразователя температуры, а выход - к управляющему электроду тиристора. Недостатком устройства является то, что регулирование температуры осуществляется в импульсном режиме за счет изменения длительности импульса, в течение которого производится нагрев датчика-нагревателя, что дает дополнительную погрешность измерения температуры.

В известном устройстве для измерения температуры (Авторское свидетельство СССР №815523 кл. G01K 7/20 / Карасев В.А. Меренер Л.А., опубл. 23.03.1981 Бюлл. №11), содержащем термометр сопротивления, источник тока, источник компенсирующего напряжения, операционный усилитель и источник опорного напряжения, снижаются ошибки измерения, связанные с сопротивлениями соединительных проводов, однако не исключаются ошибки, связанные с нагревом элементов измерительной схемы токами в процессе измерений.

Известно также устройство, которое содержит термопреобразователь сопротивления с тремя линиями связи, измерительный усилитель, формирователь тока, включающий операционный усилитель с задающим ток резистором, источник питания и резистор установки нуля (Патент RU №2190198 C1 G01K 7/24 / Никулин Э.С., Пахоменков Ю.М., опубл. 27.09.2002). Резистор установки нуля включен между одной из линий связи и инвертирующим входом операционного усилителя в формирователе тока. Влияние сопротивлений линий связи в данном устройство устраняется путем ввода компенсирующего кода, который необходимо определять и вводить в процессе работы.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является устройство для локального измерения температуры (Патент RU №2296962 С1 / Пичугин В.С.и др., опубл. 10.04.2007 Бюлл. №10), принятое нами за прототип.Устройство содержит ТД, выполненный в виде платинового термометра сопротивления (резистивного датчика температуры), включенного по трехпроводной схеме, первый-третий резисторы R1-R3, первый из которых выполнен в виде потенциометра для настройки на величину сопротивления, равную сопротивлению датчика при нулевой температуре, а второй-третий резисторы образуют второе плечо мостовой схемы. Далее устройство содержит управляемый генератор тока, масштабирующий усилитель для осуществления баланса моста, сумматор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), жидкокристаллический индикатор, монитор питания, плюсовую и минусовую шины напряжения питания +Еп и -Еп.

Устройство обеспечивает повышение точности, стабильности и повторяемости результатов измерений, однако, применяемый в нем ТД в виде платинового термометра сопротивления имеет достаточно большие размеры (несколько сотен витков провода) и существенную инерционность к нагреву, снижающую быстродействие термометра.

Задачей предлагаемого решения является уменьшение размеров и повышение быстродействия ТД и, как следствие, снижение погрешности измерений и расширение функциональных возможностей терморегулятора.

Поставленная задача решается применением ферромагнитного микропровода (ФМ) состава Co₇₃Fe₄Si₁₂B₁₁, прошедшего многократную термическую обработку нагревом постоянным током при температуре кристаллизации более 600°С в качестве ТД.

Идеология предлагаемого решения заключается в замене платинового ТД температурным датчиком на основе ФМ в стеклянной оболочке, который характеризуется малыми размерами микропровода (внешний диаметр D=~27 мкм, диаметр кора d=~16 мкм)_;, высоким ТКС более 1.15×10^-3 1/°С, широким диапазоном измерений и высоким номинальным сопротивлением. Малые размеры ТД обеспечивают низкую тепловую инерцию нагревателя и возможность его нагрева пропускаемыми токами от 1 до 40 mA с выделением тепловой мощности, достаточной для нагрева окружающего пространства внутри микросхем.

Технический результат достигается тем, что электронный регулятор температуры на основе ферромагнитных микропроводов содержит температурный резистивный датчик, включенный по трехпроводной схеме, управляемый генератор тока, масштабирующий усилитель баланса моста, сумматор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый-третий резисторы. При этом первый вывод ТД соединен с выходом управляемого генератора тока, связанного с первым входом сумматора. Третий вывод температурного датчика подключен к первому выводу первого резистора. Управляющий выход масштабирующего усилителя баланса моста подключен к входу управляемого генератора тока, а второй его вход к точке соединения второго и третьего резисторов. Второй вывод второго резистора соединен со вторым выводом первого резистора и положительной шиной питания +Еп. Выход сумматора связан с входом АЦП.

В соответствии с предлагаемым решением ТД выполнен в виде ФМ, в схему дополнительно введены шина управляющего напряжения, четвертый и пятый резисторы, а третий вывод ТД дополнительно подключен к четвертому резистору, второй вывод ТД подключен к пятому резистору, при этом вторые выводы четвертого и пятого резисторов соединены вместе и подключены к первому входу масштабирующего усилителя баланса моста, второй вход сумматора и второй вывод третьего резистора подключены к шине управляющего напряжения, при этом выход сумматора подключен к входу АЦП. ТД выполнен в виде отрезка ферромагнитного микропровода состава Co₇₃Fe₄Si₁₂B₁₁, прошедшего специальную многократную термическую обработку нагревом постоянным током до температур выше температуры кристаллизации микропровода.

В отличие от платинового термометра сопротивления, ФМ характеризуется достаточно большим сопротивлением контактов для подключения, и его можно представить в виде двух сопротивлений: сопротивления контактов и соединительных проводов Rk и сопротивления отрезка ферромагнитного микропровода Rt (температурный датчик).

Сущность предлагаемого терморегулятора на основе ферромагнитных микропроводов поясняется следующим графическим материалом:

на Фиг. 1 показана структурная схема терморегулятора на основе ферромагнитных микропроводов. Температурный датчик условно показан в виде двух сопротивлений: Rk (сопротивления контактов и соединительных проводов) и Rt (сопротивления ферромагнитного микропровода),

на Фиг. 2 показана зависимость температуры нагрева ФМ от величины тока, пропускаемого через ФМ,

на Фиг. 3 показана зависимость сопротивления ФМ от температуры нагрева - номинальная статическая характеристика (НСХ).

Структурная схема электронного терморегулятора на основе ферромагнитных микропроводов (Фиг. 1) содержит температурный датчик 1, управляемый генератор тока 2, масштабирующий усилитель баланса моста 3, сумматор 4, аналого-цифровой преобразователь 5, первый-третий резисторы (R1, R2, R3) и дополнительно введенные четвертый и пятый резисторы (R4 и R5). Третий вывод температурного датчика подключен к первому резистору и первому выводу четвертого резистора, второй вывод температурного датчика подключен к первому выводу пятого резистора, при этом вторые выводы четвертого и пятого резисторов соединены вместе и подключены к первому входу масштабирующего усилителя баланса моста 3, а второй его вход к точке соединения второго и третьего резисторов. Первый вывод температурного датчика 1 соединен с выходом управляемого генератора тока 2 и первым вычитающим входом сумматора 4. Управляющий выход масштабирующего усилителя баланса моста 3 подключен к входу управляемого генератора тока 2, второй вывод второго резистора связан со вторым выводом первого резистора и положительной шиной питания, при этом выход сумматора 4 связан с входом аналого-цифрового преобразователя 5. Второй вход сумматора 4 и второй вывод третьего резистора связаны вместе и подключены к источнику управляющего напряжения +Еупр. Температурный датчик, выполнен в виде отрезка ФМ состава Co₇₃Fe₄Si₁₂B₁₁, прошедшего специальную многократную термическую обработку нагревом постоянным током до температур выше температуры кристаллизации микропровода.

Предусмотрены I и II режимы работы электронного терморегулятора на основе ферромагнитных микропроводов: режим термометра I и режим терморегулятора II.

В режиме термометра I на второе плечо моста (второй вывод третьего резистора) с шины +Еупр задается небольшое управляющее напряжение, чтобы обеспечить рабочий ток Ia через ФМ (Rt) в пределах от 5 до 10 мА. Тем самым, в соответствии с графиком (Фиг. 2), устанавливается рабочая температура ФМ ~30°С. Подстройка баланса моста производится резистором R1. Масштабирующий усилитель баланса моста 3 измеряет напряжение в диагонали моста (резисторы R1, R2, R3 и R4). Баланс моста достигается при равенстве напряжений на первом и втором входах масштабирующего усилителя баланса моста 3, при этом напряжение в диагонали моста должно быть равно нулю ΔU=0. Сопротивления моста подбираются из ряда прецизионных и высокостабильных, их величины должны удовлетворять условию

.

Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению сопротивления ТД 1 и разбалансу моста. В этом случае меняется напряжение на выходе масштабирующего усилителя баланса моста 3, напряжение на входе управляемого генератора тока 2 и напряжение на его выходе. Изменение напряжения на выходе управляемого генератора тока 2 приводит к изменению тока Ia через ФМ до получения баланса температуры датчика с окружающей средой и восстановлению баланса моста.

Разность между установленным значением управляющего напряжения +Еупр и напряжением на выходе управляемого генератора тока 2 определяется сумматором 4, и отображается на дисплее АЦП 5 в виде показаний температуры.

В режиме терморегулятора II на второе плечо моста (второй вывод третьего резистора) задается новое управляющее напряжение +Еупр, чтобы обеспечить рабочий ток Ia через ФМ (Rt) в пределах от 10 до 40 мА в соответствии с графиком (Фиг. 2) и установить температуру ТД 1 в пределах от 30 до 150°С. При этом баланс моста нарушается и через ТД 1 начинает протекать большой ток, разогревая его до того момента пока мост не сбалансируется. Терморегулятор в заданной рабочей точке за счет цепи отрицательной обратной связи (ЦООС), включающей масштабирующий усилитель баланса моста 3 и управляемый генератор тока 2, поддерживает нулевое напряжение в диагонали моста и стабилизирует температуру в объеме ТД 1. Разность между установленным значением управляющего напряжения +Еупр и напряжением на выходе управляемого генератора тока 2, определяемая сумматором 4, отображается на дисплее АЦП 5 в виде значения температуры.

Влияние паразитного сопротивления контактов и соединительных проводов микропровода Rk меняет уравнение баланса моста (1) следующим образом:

откуда можно получить выражение для сопротивления Rt:

если сопротивления моста выбраны из ряда прецизионных и высокостабильных, а их величины R₂, R₃, R₄ и R₅ соответствуют условию (1), то в этом случае выражение (3) сводится к виду

а влияние контактного сопротивления Rk может быть сведено к нулю или ослаблено в значительной мере.

Температурный датчик выполнен из отрезка ФМ состава Co₇₃Fe₄Si₁₂B₁₁, прошедшего специальную многократную термическую обработку нагревом постоянным током при температуре кристаллизации более 600°С известным способом (Патент RU №2696826 / Одинцов В.И., Гудошников С.А., Любимов Б.Я., Меньшов С.А., опубл. 06.08.2019 Бюлл. №22).

Температурный датчик на основе ФМ характеризуются ТКС не менее 1.15*10^-3 1/°С. На Фиг. 3 показана зависимость сопротивления ФМ от температуры нагрева - НСХ, которая характеризует его в качестве термометра сопротивления (сенсора), а на Фиг. 2 показана зависимость температуры нагрева ФМ от пропускаемого тока Ia, которая показывает возможность использования ФМ в качестве нагревательного элемента. Зависимость температуры нагрева ФМ (ТС) от пропускаемого через него тока (Ia) можно представить в виде полинома:

Уникальность такого ТД заключается в малых размерах микропровода (внешний диаметр D=~27 мкм, диаметр кора d=~16 мкм) Такие размеры обеспечивают малую тепловую инерцию нагревателя и, как следствие, высокое быстродействие терморегулятора, возможность питания нагревателя током от 1 до 40 mA при напряжении питания от 0.5 до 20 V с выделением от 0.5 до 800 мВт тепловой мощности для подогрева микропровода, что вполне достаточно для решения широкого круга задач измерения и стабилизации температуры в малогабаритных устройствах, например, микросхемах. Близость взаимного расположения сенсора и нагревателя ведут к снижению ошибки измерений при работе с малыми объектами.

Устройство обеспечивает высокую чувствительность измерения температуры за короткие промежутки времени и позволяет использовать датчики с нелинейными НСХ.

Изобретение относится к устройствам для измерения и регулирования температуры, использующим температурные датчики (ТД) с трехпроводной линией связи, и может найти применение в различных областях техники. Устройство содержит температурный датчик, управляемый генератор тока, масштабирующий усилитель баланса моста, сумматор, аналого-цифровой преобразователь, первый-третий резисторы и введенные дополнительно четвертый-пятый резисторы, третий вывод температурного датчика подключен к первому и четвертому резисторам, второй вывод температурного датчика подключен к пятому резистору. При этом вторые выводы четвертого и пятого резисторов связаны вместе и подключены к первому входу масштабирующего усилителя баланса моста, первый вывод температурного датчика соединен с выходом управляемого генератора тока и первым входом сумматора, второй управляющий вход масштабирующего усилителя подключен к точке соединения второго и третьего резисторов, а выход масштабирующего усилителя связан с входом управляемого генератора тока. Второй вход сумматора и второй вывод третьего резистора подключены к шине источника управляющего напряжения, при этом выход сумматора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Температурный датчик выполнен в виде ферромагнитного микропровода (ФМ) состава Co₇₃Fe₄Si₁₂B₁₁ малых размеров, имеющего низкую тепловую инерцию и возможность нагрева током с выделением тепловой мощности, достаточной для решения задач стабилизации температуры в малогабаритных устройствах, например, в микроэлектронике. Технический результат - устройство обеспечивает высокую чувствительность измерения температуры за короткие промежутки времени и позволяет использовать ТД с нелинейными номинальными статическими характеристиками. 3 ил.

Электронный терморегулятор на основе ферромагнитных микропроводов, включающий температурный резистивный датчик, включенный по трехпроводной схеме, управляемый генератор тока, масштабирующий усилитель баланса моста, сумматор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый, второй и третий резисторы, при этом первый вывод температурного датчика соединен с выходом управляемого генератора тока и первым входом сумматора, управляющий выход масштабирующего усилителя баланса моста подключен к входу управляемого генератора тока, а второй вход масштабирующего усилителя баланса моста к точке соединения второго и третьего резисторов, второй вывод второго резистора соединен со вторым выводом первого резистора и положительной шиной питания, при этом выход сумматора связан с входом АЦП, отличающийся тем, что температурный резистивный датчик представляет собой отрезок ферромагнитного микропровода состава Co₇₃Fe₄Si₁₂B₁₁, прошедшего многократную термическую обработку нагревом постоянным током до температур выше температуры кристаллизации микропровода, в него дополнительно введены источник управляющего напряжения, четвертый и пятый резисторы, третий вывод температурного датчика дополнительно подключен к четвертому резистору, второй вывод температурного датчика подключен к пятому резистору, при этом вторые выводы четвертого и пятого резисторов соединены вместе и подключены к первому входу масштабирующего усилителя баланса моста, а второй вывод третьего резистора и второй вход сумматора подключены к шине управляющего напряжения.