Способ определения температуры и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01K7/22 

Изобретение относится к технике измерения температуры и может быть использовано для многоточечного измерения температуры тепловых полей с помощью малогабаритных и высоко- чувствительных транзисторных термодатчиков.

Цель изобретения - повышение точности измерения температуры транзисторными термодатчиками путем исключения влияния двух параметров p-n-перехода на результат измерения .

На чертеже представлена схема устройства, реализующая способ определения температуры транзисторным

термодатчиком.

Устройство содержит источник 1 стабилизированного постоянного напряжения, к выходу которого подключены калиброванные резисторы 2-5, .выходы которых через мультиплексор 6 подключены к инвертирующему входу операционного усилителя 7,в цепь обратной связи которого включен транзистор 8. К выходу операционного усилителя 7 подключен через усилитель 9 постоянного тока аналого- цифровой преобразователь 10, кодовые выходы которого через интерфейс ввода-вывода подключены к шине данных микроЭВМ 11. К этой же шине

& 4

ел

оо

СЛ

GO

через интерфейс с вывода подключены кодовые входы цепи управления мультиплексора 6 блока 12 индикации.

Сущность способа заключается в

следующем.

Через открытый p-n-переход транзисторного термсЗдатчика, размещен- чого в контролируемом тепловом поле, пропускают ток соответствующий минимальному значению тока ВАХ, и измеряют падение напряжения на переходе

rkTT

l -.lnU,/I9).

(О

где Т - абсолютная температура перехода;К - постоянная Больцмана;

q Ч - г

заряд электрона;

ток насыщения; параметр, зависящий от концентрации носителей и ее профиля в р-п-переходе. Увеличивают ток через переход до значения I-, при котором можно зарегистрировать новое значение падения напряжения U на переходе. При этом приращение падения напряжения должно превышать максимальную случайную погрешность измерения напряжения,вызываемую шумами транзистора

VVutW S&u (2)

где & I)2 - дисперсия случайных отклонений флюктуирующего напряжения относительно среднего значения; Об- коэффициент, связывающий

среднеквадратическое отклонение (СКО) с максимальной погрешностью и зависящий от доверительной вероятности.

Так, при нормальном законе распределения отклонений флюктуирующего напряжения от среднего и вероятности ,997 коэффициент06 3.

ч

Для обеспечения надежной регистра

50

ции с учетом действия других дестабилизирующих факторов на падение напряжения перехода коэффициент оЈ выбирают с запасом из условия:

10 С - 20 .(3) 55

В соответствии с условием О) увеличивают ток перехода до значения 2, при котором пачение напряжения

, - ln(I2/T5), (А)

где СКО ( j&l)2) определяется типом транзистора, используемого в качестве термодатчика.

По результатам измерений падений напряжений от двух близких по значению токов I и Ig определяют разность падения напряжений на переходе транзистора

гКТ

iU,U2-U, --- ln(I2/I,)

(5)

15

По разности напряжений (5) определяют приближенное значение температуру контролируемой среды

т )

Увеличивают ток через переход до максимального значения ВАХ Ij, которое вызывает дополнительный нагрев перехода транзистора. Измеряют падение напряжения на перегретом переходе

и.

ЕА1ЈЛА.Ы Щ(1я/т ), (7)

0

5

35

40

45

50

5

где &Т( - температура перегрева перехода транзистора. Температура перегрева перехода термодатчика пропорциональна электрической мощности, рассеиваемой на переходе, и его тепловому сопротивлению относительно окружающей среды. Если тепловое сопротивление RT имеет размерность град/мВт, то температура перегрева

ДТ( U3 I ,RT.(8)

Уменьшают ток через переход до значения Т., при котором можно зарегистрировать новое значение падения напряжения

vv,JfS . ййаы ,,

где ДТЈ - перегрев перехода при токе Ц.

В соответствии с выражением (8) переiре в при гоке I.

UT2 14 I4 RT ,(10)

Учитывая, что токи I - и 1 близки по значении, можно в формулах (7) и (9) замечи п. перегревы АТ| и А Т одним средним перегревом

У ЬрИКт1. (П)

Тогда падения напряжений от токов 1 и 1 можно представить в виде:

U;

гК(И-ДТ)

1п(1./1), (12) q J 5

гК(Т+ДТ)

ln(U4/I5), (13)

45853

Из отношения (19) определяют точное значение температуры контролируемой

среды

(Uj-tbnnUi/li). : ,

(npu rna r -d s-ujlnr /r) ь u

С учетом значения Д.Т из (11) из- меряемую температуру определяют из соотношения

10

(Ui-uOin(ij/ii) (uf-uJTina У-(иг:и;)Гп(т;71)

Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерения температуры транзисторными термодатчиками путем исключения влияния двух параметров p-n-перехода на речультат измерения. В контролируемом тепловом поле размещают транзистор, через р-п-переход которого поочередно пропускают два близких по значению тока, соответствующих минимальным значениям токов вольт-амперной характеристики (ЬАХ) транзистора. Затем узекичинлют ток черрз переход тран- зисторя до макс-r .лльных значений ВАХ. падение напряжения на переходе транзистора nj:n каждом значении пропускаемого тока. Но измеренным тнзчениям определяют температуру среды. МикроЭВМ управляет очередностью пропускания токов через транзистор, принимает полученные значения падении напряжения к вычисляет искомое значение температуры среды. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. i (Л

Спределяют разность падении от двух близких по значению токов

Диг и, - и4

rK()

q

in (i3/i4) .

По разности падений напряжении (14) определяют значение температуры перегретого перехода

Т 4 ЬЛ

А1 2

(15)

условия

rKln(T3/I4)

С учетом температуры окружающей среды (6) вычисляют температуру перегрева термодатчика по формуле

. т q Г AUi

Л1 ГК 1п(137 J Tn(I2/J, )J

( 1f

Сопоставляют температуру перегрева перехода транзистора ДТ с температурой окружающей среды Т. Выбирают значение тока таким, чтобы температура перегрева ДТ не превышала (5-10%) от верхнего предела диапазона контролируемых температур.

При выбранном значении тока I. из

1МИЦС

измеряют падение напряжения на перегретом переходе U$ и вновь определяют уменьшенное значение тока I,,, обеспечивающее соотношение (9).

После измерения падения напряжения Uj определяют разность падений напряжений на перегретом переходе

i

, гК(Т+ДТ ) , /т -- InUa/Vйи и;-и

34ч- (18)

Далее определяют отношение разностей падений напряжений на перегретом переходе (18) транзистора к нагретому окружающей средой переходу (5)

Al4 I l-yi (T+AT)ln(li/l -0 П0л

uu, Dt-u, f

i f i yj Ii i yf:Ii

R.

(21)

15

Тепловое сопротивление R определяется в процессе калибровки тран- чисторнсго термодатчика для конкретной контролируемой среды по ее изве- 0 стиой температуре Тк

ik . I I U ;k-I Hi (1 I, I

я1 ч ,к то uu ,Ku r;Ki4 « ил

5

л

;

35

где Т - температуры среды при калибровке .

Из выражения (21) видно, что температуру Т можно определить по четырем заданным значениям токов р-п-пе- рехода I,, 12, 1}, четырем из30 меренным падениям напряжения на этом переходе U,,, U2, U, U. При этом параметры транзистора Ig и г, определяющие форму ЬАХ p-n-перехода, не влияют на результат измерения.

Определение температуры по формуле (21) позволяет осуществить многоточечный контроль от ряда транзисторных термодатчиков с большим разбросом по значениям тока насы40 щения и концентрации носителей в p-n-переходе с повышенной точностью. Кроме того, возможна замена термотранзистора того же типа, т.е. с одинаковым тепловым сопротивлением

45 Rt, без изменения градуировочный характеристики, получаемой в процессе калибровки.

Таким образом, повышение точности в способе достигнуто за счет исклю50 чения влияния разброса и нестабильности двух параметров р-п-перехода на термочувствительные свойства транзисторных термодатчиков..

Устройство для определения тем55 пературы работает следующим образом.

Напряжение источника 1 через один из резисторов с сопротивлениями R - R$. мультиплексор 6 поступает на инвертирующий РХОД онного усилителя 7. Благодаря глубокой отрицательной обратной связи в усилителе через p-n-переход транзистора 8, размещенного в контролируемом тепловом поле, входное напряжение операционного усипителя близко к нулю, а выходное ранчо падению напряжения на транзисторе с обратным знаком. В результате этого через p-n-переход.транзистора протекает неизменный ток, задаваемый значение сопротивления того резистора, который включается в электрическую цепь мультиплексором 6 по программе мик- роЭВМ. При этом значение тока не зависит от изменений сопротивления p-n-перехода транзистора. Так как ток транзистора 8 величина постоянная, то падение напряжения нл нем является функцией температуры Т окружающей среды.

Выходное напряжение операционного усилителя 7, пропорционально измеряемой температуре Т, усиливается усилителем 9 и преобразуется в анл- лого-цифровом преобразователе 10 в цифровой код, который вводится в мин роЭВМ и запоминается.

Программой микроЭВМ 11 предусмотрено поочередное включение калиброванных резисторов 2-5, задающих ток через p-n-переход транзистора 8. Вы- сокоомные резисторы 2 и 3 ограничивают токи перехода I ( и 1 на уровне минимальных токов ВАХ транзистора (десятков микроампер), что исктю- чает перегрев p-n-перехода протекающим током относительно температуры окружающей среды. Соответствующие падения напряжения U( и Ug преобразуются в коды, которые запоминаются в памяти мнкроЭВМ.

Вводимые мультиплексором Ь пиз- коомные резисторы 4 и 5 выбираются из условия (17) и создают нагревающие токи т и 1, не превышаюцие максимально допустимые и вызывающие нормированный т-р-.трев р-п-пере хода, рассчитываемый по верхнему пределу диапазона контролируемых температур. Соответствующие падения напряжения U« и U кодируются и запоминаются в микроЭВМ.

В память микроЭВМ вводят значение теплового сопротивления Rr транзистора с учетом теплофизических стойстн среды, в которую помещен транзит1 ор.

0

Кроме того, в память вводятся значения токов Ij, I, Tj и Itl, определяемые стабилизированным напряженпеМ| U0 источника 1 и сопротивлениями R( - . калиброванных резисторов 2-5.

По результатам четырех измерений U4, иг, U з и U4 и значениям констант I , 12, 1, 1 и RT в микропроцессоре ЭВМ вычисляется температура Т по формуле (21). Числовое значение температуры индицируется на блоке 12 индикации.

При «ведении в программу нулевой температуры То 273 К на дисплей вынодит.-я контролируемое изменение температуры поля ДТ Т - Т0 в градусах Цельсия.

Формула изобретения

0

5

0

5

50

(U2-U )ln(l s/U)

(UJ -DJ) In (lz7l7)-(Uz-U, Hn(iyiJ)

iti

U 3 + 14 14 X - --- - -K., ,

где I

1

начальный минимальный ток через p-n-переход транзистора и падение напряжения на р-п-переходе;

«.

С а ч.

и„ измененный ток через p-n-иереход, близкий 11, и падение напряжения на р-п-переходе; значение тока перегрева р-п-перехода и соответствующее ему падение напряжения на р-п- переходе;

измененный ток перегрева р-п-перехода,

близкий I

, и

на

напряжения реходе;

R - тепловое сопротивление транзистора.

15 через последовательно соединенные операционный усилитель, усилитель постоянного тока и аналого-цифровой преобразователь подключен к информационным входам микроЭВМ, управ- 20 ляющие выходы которой подключены к входам управления мультиплексора.