Датчик экстремальных температур Советский патент 1984 года по МПК G01K7/01 

Изобретение относится к технике измерения температуры, а именно к датчикам для измерения экстремальных температур. Известны различные типы датчиков экстремальных температур, не имеющих механической или электрической связи с внешней средой и основанных на перемещении индикатора температуры в результате термического расщирения чувствительного элемента - жидкости или твердого тела 1 и 2. Недостатками известных датчиков являются практическая невозможность их миниатюризации и необходимость использования специальных устройств для фиксации (запоминания) экстремальных значений температуры. Целью изобретения является упрощение датчика экстремальных температур. Эта цель достигается применением известного Туннельного диода, изготовленного, например, из арсенида галлия, преимущественно по сплавной технологии, в качестве датчика экстремальных температур. Возможность использования туннельного диода в качестве датчика экстремальных температур обусловлена тем, что стационарное значение его пикового тока, измеренное при фиксированной температуре Тр зависит от температуры предварительной выдержки. Эта зависимость носит гистерезисный характер. Установлено, что для наличия гистерезиса пикового тока существенной является операция сплавления, имеющая место при изготовлении туннельных диодов. Другие операции, определяющие модификацию технологии, такие, как вытравливание мезаструктуры, формирование омических контактов и т.д., не оказывают заметного влияния на гистерезис пикового тока. Туннельные диоды, р - п переходы которых сформированы сплавлением, обладают значительным (до 6%) гистерезисом пикового тока. (Гистерезис пикового тока для приборов с р - п-переходом, изготовленным эпитаксией, при тех же условиях не превышает 0,2%). На фиг. 1 показан температурный ход гистерезисных кривых для пикового тока сплавного туннельного диода из GaAs; на фиг. 2 - калибровочная кривая для измерения экстремальных (минимальной или максимальной) температур; на фиг. 3 - схема устройства для измерения пикового тока туннельного диода. Если туннельный диод выдержать при некоторой минимальной температуре Та и снять зависимость пикового тока J от температуры, изменяя ее от Та до некоторой произвольной величины Tj, большей обратно, то получим гистерезисную кривую (цикл Та-г-Tj- Та), приведенную на фиг. 1 (стрелками обозначен порядок изменения температуры). Повторяя циклы до новых максимальных температур Т{ (вплоть до Тк) получаем семейство гистерезисных кривых. При этом участки гистерезисных кривых, соответствующие понижению температуры от Tj до Та, нигде не пересекаются между собой и имеют одну общую точку при Т. Видно, что пиковый ток 3 (Tj), измеренный при некоторой фиксированной температуре TO, однозначно соответствует максимальному значению температуры Т для каждого цикла, что может быть представлено в виде калибровочного графика для измерения максимальной температуры (кривая на фиг. 2). Для сложного цикла Тд- Tj- , где TJ .(, содержащего -внутренний цикл T., величина пикового тока, измеренного при температуре , не зависит от параметров внутреннего цикла, а определяется, как и для цикла ,, максимальной температурой Т/. Для практического измерения максимальной температуры предварительно прокалиброванный туннельный диод необходи.мо выдержать в течение нескольких секунд при температуре жидкого азота Т для «стирания его памяти к предшествующей высокой температуре и затем разместить на контролируемом объекте или в среде. При этом предполагается, что измеряемая температура не выходит за пределы TO - TK. После окончания испытаний туннельный диод извлекают и термостатируют при температуре TO. По завершении процессов релаксации измеряют величину пикового тока tf и, пользуясь калибровочным графиком (фиг. 2) для температуры TO, определяют значение той максимальной температуры, которой достигал контролируемый объект за все время испытаний. Калибровочный график (для измерения минимальных температур строится с помощью семейства аналогичных гистерезисных кривых (циклов на фиг. 1), участки которых, соответствующие возрастанию температуры от Ti до Т|, нигде не пересекаются и имеют одну общую точку при Тц. Для таких циклов пиковый ток J(Ti ) туннельного диода, измеренный при температуре Т , величина которой лежит заведомо выше интервала контролируемых температур, однозначно соответствует минимальной температуре Ti для каждого цикла. Методика измерения минимальных температур аналогична описанной методике из.мерения максимальных температур, за исключением того, что калиброванный туннельный диод перед размещением на контролируемом объекте выдерживают при температуре жидкого азота Тд, а затем при . Так как форма кривой гистерезиса определяется тремя температурами Т, TO и Тц, то изменение одной из них приводит к изменению формы гистерезиса и требует новой калибровки прибора.

Воспроизводимость величины пикового тока туннельного диода при многократном циклировании не хуже 0,06 % при величине гистерезиса 2%. Погрешность измерения экстремальных температур 2°С.

Информация о величине максимальной температуры в предложенном датчике может храниться более 20 сут. Время запоминания не превосходит 5 с.

Регистрация пикового тока туннельного диода не вызывает значительных технических трудностей и может быть осуществлена, например, с помощью устройства, схема которого приведена на фиг. 3.

Устройство содержит генератор 1 пилообразного напряжения , выполненный по схеме интегратора на операционном усилителе 2 с источником 3 опорного напряжения, подключенным к входу операционного усилителя 2 через токоограничивающий резистор 4, и конденсатором 5, включенным в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 2, эмиттерный повторитель 6, выполненный на транзисторе 7 и резисторе 8 и включенный на выходе интегратора, туннельный диод 9 и измерительный резистор 10, размещенный в термостатируемом объеме II, управляемые ключи

12и 13 и регистрирующий прибор 14, в качестве которого можно использовать цифровой вольтметр с классом точности не ниже 0,01.

Запуск генератора ocyщecтвJtSeтcя размыканием ключа 12, блокирующего интегрирующий конденсатор 5. Одновременно ключ

13подключает последовательно соединенные туннельный диод 9 и резистор 10 к выходу эмиттерного повторителя 6. Токовый сигнал измеряется непрерывно регистрирующим прибором 14, подключенным к измерительному резистору 10; момент прохождения током максимального значения регистрируется визуально, либо запоминается

регистрирующим прибором 14, если последний работает в соответствующем режиме индикации.

Применение туннельных диодов в качестве датчика экстремальных температур позволяет существенно упростить процесс изготовления таких датчиков, миниатюризировать их (размер туннельного диода может не превыщать 0,5 мм) и устранить дополнительные расходы на разработку вторичной измерительной аппаратуры.

Применение туннельного диода в качестве датчика экстремальных температур. (Л сд о СХ) ел

J

То

Т

Тк

Те Ti фиг 2