Устройство для измерения температуры Советский патент 1992 года по МПК G01K7/22 

Изобретение относится к области тепловых измерений и может быть использовано в измерителях и регуляторах температуры, в частности, бытового назначения

Известно устройство для измерения температуры 1, содержащее термотранзистор, параллельно эмиттерно-базовому переходу которого включен индикатор напряжения, и потенциометр, подвижный контакт которого соединен через источник питания с коллектором термотранзистора. Недостатком этого устройства является невысокая точность из-за нелинейности характеристики преобразования температура - напряжение, но больше из-ьа того, что оно основано на не определяемой твердыми физическими контактами температурной зависимости коэффициента усиления термотранзистора по току

Известен датчик температуры и одновременно стабилитрон запрещенной зо- , содержащий первый и второй транзисторы, базы которых подключены к отводу резистивного делителя, подключенного параллельно вы/оду стабилитрона,

первый вывод которого, соединенный с общей шиной устройства, через первый резистор соединен с выходом датчика температуры и с эмиттером первого транзистора, соединенным через второй резистор с эмиттером второго транзистора, причем коллекторы первого и второго транзистора соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирующим входами операционного усилителя, выход которого соединен с выходом стабилитрона, соединенным через третий резистор с коллектором первого транзистора, а через четвертый резистор с коллектором второго транзистора Недостатками этого датчика температуры стабилитрона являются сложность из-за наличия операционного усилителя и потребность повышенном напряжении питания (5 В)

Наиболее близким по технической сущности к предложенному техническому решению является низковольтный источник опорного напряжения (1,235 В) , спдрржа- щий первый, второй и третий транзисторы, эмиттеры которых подключены к первому выводу конденсатора, соединенному о перLO

О1

шятдд

вым выводом устройства, второй вывод которого подключен к коллектору третьего транзистора, через первый резист:л к коллектору второго транзистора, через рези- стивный делитель к коллектору первого транзистора и к третьему выводу устройства, при этом отвод резистивиого делителя соединен с базой первого транзистора, коллектор которого соединен с базой второго транзистора.

Первым недостатком этого устройства является сложность из-за наличия дифференциального усилителя, что затрудняет изготовление устройства на транзисторной сборке и резисторах Вторым его недостатком является малая точность измерения из- за отсутствия формирователя сигнала по температуре и соответствующего выхода (в известном устройстве существуют лишь неопределенные сигналы дрейфа от окружающей температуры).

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Это в различных случаях применения устройства приводит к экономике электоо- энергии, улучшению комфортности, увеличению количества и повышению качества вырабатываемого продукта, в том числе через сохраняемость и т.д

Цель достигается тем, что в устройство введены четвертый и пятый транзисторы, эмиттеры которых подключены к первому выводу конденсатора, а коллекторы через введенные второй и третий резисторы соот- ветственно- к второму выводу конденсатора, при этом коллектор второго транзистор соединен с базой четвертого транзистора, коллектор которого соединен с базой пятого транзистора, коллектор которого соединен с базой третьего транзистора

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства

Устройство для измерения температуры содержит первый-пятый транзисторы 1-5, первый-третий резисторы 6-8, резистичиый делитель на оезисторах9-Ю, конденсатор 11, первый-третий выводы 12-14, балластный резистор 15. К отводу резистивного делителя 9,10 подключена база транзистора 1. Конденсатор 11 подключен параллельно коллекторно-эмиттерному переходу транзистора 3 и между первым 12 и вторым 13 выводами устройства. Конденсатор выполняет функции фипьтра нижних частот Последовательно с конденсатором может быть включен четвертый резистор со стороны первого вывода 12 устройства. Более того, эмиттер транзистора 5 может быть подключен к общей точке конденсатора 11 и четвео- того резистора Однако последнее

относится лишь к варианту возможного исполнения низкочастотного фильтра и является дополняющим.

Напряжение отрицательной полярности через балластный резистор 15 прикладывается к эмиттерам всех транзисторов 1-5. Общей точкой устройства принят второй вывод 13 для определенности. Относительно этой точки производится отсчет

0 сигналов: пропорционального абсолютной температуре (между выводами 13,14) и стабилизированного (между выводами 12,13) Оптимальным значением стабилизированного напряжения является 1,248 В, По суще5 ству, устройство представляет собой усилитель с непосредственными связями между каскадами, охваченный глубокой отрицательной обратной связью.

Устройство работает следующим обра0 зом.

фаизистор 1 работает в так называемом послефаничном режиме, т.е. при потенциале коллектора ниже потенциала базы на величину падения напряжения на рези5 сторе 10. Можно считать, что на транзисторах 1,2, резисторах 6,9,10 выполнен формирователь пропорционально абсолютной температуре выходного напряжения U(T). В формирователе выполняются опре0 деленные приводимые ниже физические соотношения между токами и напряжениями. Коллекторный гок транзистора 1 выбирается расчетом резисторов в N раз больше коллекторного тока транзистора 2. Обычно N

5 равно около 10. От точности упомянутого выше отношения токов зависит точность устройства в целом. Это соотношение токов поддерживается усилителем сигнала рассогласования, выполненного на транзисто0 pax 4,5,3 и резисторах 7,8. Являясь простым недифференцмальным усилителем, он однако выполняет функции дифференциального усилителя, поддержиная равенство падений напряжения на коллекторно-эмит5 герных переходах транзисторов 1,2, т,е, равной нулю ошибку рассогласования между коллекторами транзисторов 1,2. Это достигается тем, что в устройстве сопротивления резисторов 6,7 приняты одинаковыми. Для

0 дальнейшего рассмотрения приведем необходимые обозначения. Сопротивление резистора будет обозначать буквой R с индексом, соответствующим номеру на чертеже. Коллекторные токи тоанзисторов бу5 дем обозначать буквой I с индексом соответствующего транзистора. Каскад на транзисторе 1 является как бы задающим. Падение напряжения U10 на резисторе 10 вынуждает транзистор 2 работать при меньшем коллекторном токе. Так как , то

. В связи с этим также имеем )эб4. В устройстве выполняется следующее соотношение:

U10 U631-U632 |T ,(1)

где К- постоянная Больцмана;

q - заряд электрона.

Далее можно записать выражения для коллекторных токов Н; ъ

И

UCT - Uo62

Rg + Rio

(2)

. Pen - Цбэ4 UCT Цбэ2,

2 IJ

где UCT-стабилизированное низковольтное напряжение между первым 12 и вторым 13 выводами устройства, получающееся автоматически равным около 1,248 В.

Подставив равенства (2) и (3) в зависимость (1), получим

Ul0-|T-lnR 4

Током базы транзистора 1 можно пренебречь. Поэтому общее падение напряжения на резисторах 9,10, равное Up), соответствует формуле

) (щ + 1)-игс -(5)

Подставив равенство (4) в формулу (5), получим

-Јт-1п

q

Нб

Rg +Rio

(6)

Выражение (6) определяет линейную зависимость вида

U(T)A Т.

(7)

Таким образом, напряжение U(T), действующее между выводами 14,13 устройства, несет информацию об абсолютной температуре Т. Коротко упомянем о сущности напряжения стабилизации UCT между выводами 12,13 устройства. Оно равно

+ U(T).

(8)

- Стабильность этого напряжения от температуры поддерживается потому, что первый член выражения (8) имеет отрицательный

температурный коэффициент, а второй (согласно равенству (7) - положительный. При одинаковых по модулю значениях этих коэффициентов и обеспечивается стзбмльность UCT. Можно показать теоретически и экспериментально, что оптимальным для большей стабильности значением Uci. является 1,248 В. Эта величина близка к энергетической ширине запрещенной зоны

полупроводника при абсолютном нуле. Таким образом, предложенное устройство формирует как пропорциональное температуре напряжение, так и стабильное напряжение. Это расширяет его функциональные

возможности, способствуя получению дополнительного технико-экономического эффекта. Основной же технико-экономический эффект определяется повышением точности, достигнутым в предложен: юм устройстве

по сравнению с аналогичными устройствами одинаковой сложностью или упрощением устройства по сравнению с более сложными аналогичными устройствами, обеспечивающими одинаковую точность. Кроме того, это

устройство имеет малые габариты. Практически устройство может быть реализовано на микросхеме К198НТ1Б, резисторах С2-14 и конденсаторе К10-17-3 г.

Устройство показало четкую работу, температурный коэффициент равен 2,5 мВ , нелинейность передаточной характеристики температура - напряжение не превышает 0,1%.

35

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее первый, второй и третий транзисторы, эмиттеры которых подключены к первому выводу конденсатора, соединенному с первым выводом устройства, второй вывод которого подключен к коллектору третьего транзистора, через резистор - к коллектору второго транзистора,

через резистивный делитель - к коллектору первого транзистора и второму выводу устройства, при этом база второго транзистора соединена с отводом средней точки рези- стивного делителя, отличающееся тем,

что, с целью повышения точности измерения, в него введены четвертый и пятый тра зисторы, эмиттеры которых подключены к первому выводу конденсатора, а коллекторы через введенные соответственно второй

и третий резисторы - к второму выводу конденсатора, при этом пятый транзистор своей базой соединен с коллектором четвертого транзистора, подключенного базой к коллектору второго транзистора, а коллектором - к базе третьего транзистора. v

Использование: в измерителях и рогуля- торах температуры. Сущность изобретения: устройство содержит транзисторы 1,2,3, 4, 5, резисторы 6, 7, 8, 9, 10, 15, конденсатор 11.1 ил