Устройство для измерения индукции магнитного поля и температуры Советский патент 1980 года по МПК G01R33/07 

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для олновременного им :рсния индукции магнитного поля и температуры, например, в магнитных системах Известно устройство, содержащее измерительный зонд с датчиком Холла в котором термостатирование датчика Холла производится путем изменения. силы входного тока 1 . Однако сигнал, иcпoльзye /tый в таком устройстве для контроля температуры, зависит и от магнитного поля что снижает точность измерений. Кроме того, устройство не позволяет измерять температуру. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее датчик Холла в теплойзалирукщем корпусе, источники постоянного и переменного напряжений, мост переменного тока и управляющий элемент - транзистор. В этом устройстве входная цепь датчика вклю чена одновременно в одно из плеч моста переменного тока и в цепь,сос тоящую из последовательно -подсоединенных источника постоянного тока и транзистора 2} Изменение температ ры датчика приводит к изменению вход ного сопротивления его и к последующему разбалансу моста. Преобразованный сигнал разбаланса моста поступает на базу управляющего транзистора, что приводит к изменению силы постояннопо тока, протекающего во входной цепи датчика Холла, а следовательно, к изменению его температуры. -Однако в силу существования зффекта магнитосопротивления изменение входного сопротивления датчика Холла может быть обусловлено не только изменением температуры, но и изменением магнитного поля, т.е. в таком устройстве т,емпература датчика Холла зависит от индукции магнитного поля, что снижает точность измерений. Кроме того, из принципа работы устройства следует, что входной ток датчика содержит постоянную и переменную составляющие, причем постоянная составляющая является функцией температуры среды и магнитного поля. в связи с этим выходной сигнал датчика Холла также содержит постоянную и переменную составлякщие и зависит как от магнитного поля, так и от температуры, причем зависимость от магнитного поля становится нелинейной, что затрудняет измерение магнитного поля и температуры.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Это достигается тем, что устройство для измерения индукции магнитного поля и температуры, содержащее датчик Холла в теплоизолирующем, кожухе и регистрируклцие приборы, снабжено регулируемым источником постоянного тока, выход которого подключен к токовым, а вход - к холловским электродам датчика Холла.

Датчик Холла выполнен из полупроводникового кристалла р-типа, в котором точка температурной инверсии проводимости выше верхней границы диапазона измеряемых температур.

На фиг. 1 представлена функционалная схема устройстваi на фиг. 2 - зависимость относительного увеличения входного сопротивления датчика Холла от индукции магнитного поля.

Устройство содержит измерительный зонд 1 с датчиком 2 Холла, выходные электроды 3, 4 которого подключены к входу регулируемого источника 5 постоянного тока. Выход последнего подключен к входным электродам б, 7 датчика Холла, которые подключены к прибору 8 для измерения-«апряжения, причем во входную цепь датчика Холла включен прибор 9 для измерения тока.

Работа данного устройства заключается в следукщем.

При подключении выхода регулируемого источника 5 постоянного тока к входным электродам б j 7 датчика 2 Холла во входной цепи датчика Холла протекает ток Т, и в отсутствие магнитного поля напряжение на выходных электродах 3, 4 датчика Холла, а следовательно, и на входе регулируемого источника постоянного тока равно нулю. При помещении измерительного зонда 1 в объем, в котором необходимо измерить магнитное поле В и температуру Т, на выходных электродах датчика Холла появляется напряжение, величина которого может быть определена из формулы

,Ст)1бх,

ш

толщина активной пластигде

с ны датчика Холла-, . Ry(T) - постоянная Холла, зависящая от температуры; входной Ток датчика 2

ЬУ Холла;

в

индукция магнитного пол Это напряжение поступает на вход регулируемого источника 5 постоянного тока, что приводит к увеличению входного тока датчика Холла. Увеличение входного тока датчика Холла приводит,во-первых, к увеличению напряжения на электродах 3,4 и на входе регулируемого источника

постоянного тока, что вызывает дальнейшее увеличение входного тока, во-вторых, к увеличению мощности, рассеиваемой на датчике Холла,что влечет за собой повышение его температуры. Поскольку измеряемая температура всегда ниже температу- ры инверсии проводимости, то процесс увеличения температуры активной пластины датчика Холла продолжается до тех пор, пока температура активной пластины не станет равной температуре инверсии проводимости,при которой постоянная Холла равна нулю. Напряжение на электродах 3, 4 и на входе регулируемого источника 5 постоянного тока также становится равным нулю. Изменение входного тока прекращается. В случае, если температура активной пластины датчика 2 -Холла превысит температуру инверси проводимости, на выходных электродах 3,4 и на входе регулируемого источника постоянного тока появляется напряжение противоположного знака, что вызывает уменьшение входного тока датчика Холла. Уменьшение входного тока датчика- Холла продолжается до тех пор, пока напряжение на электродах 3,4 и на входе регулируемого источника 5 постоянного тока не станет равным нулю, т.е. до тех пор пока температура активной пластины датчика Холла не станет равной температуре инверсии проводимости. Таким образом, это состояние, при котором температура активной пластины датчика Холла равна температуре инверсии проводимости, является устойчивым. Величина входного тока,при которой достигается это состояние, зависит от температуры среды.

За единицу времени от активной пластины датчика Холла отводится количество теплоты dT

(2)

.н-;

5 где S

-поверхность активной пластины;

-коэффициент теплопроводKTности;

dT

- градиент температуры,

с4Й1 тая расстояние-от поверхности активной пластины датчика Холла до поверхяости язмеритвльного зонда 1 достаточно малым, а также принимая, что температура на поверхности измерительного зонда совпадает с температурой среды, определяют градиент темпер51туры

dT То-Т

(2.)

1

dx d

где Ид - температура активной пластины датчика Холла d - расстояние от поверхности активной пластины датчика Холла до поверхности изме тельного зонда.

Учитывая, что активная пластина датчика Холла имеет форму параллелепипеда, а также считая, что градиент температуры постоянен;по поверхности пластины и определяется формулой (3), получают, что количество теплоты, отводимой со всей поверхности пластины за единицу времени,

о-. Тр-т

(Я

-S.

d

С другой стороны, количество выделя мой теплоты

V bX b 151

где Uj,x - входное напряжение датчика Холла.

В установившемся состоянии температура активной пластины датчика Холла равна температуре инверсии проводимости, а количество отводимо теплоты равно количеству вьвделяемой теплоты, откуда

(6) Температура среды оказывается линейной функцией входной мощности датчика Холла:

,, i) где f} - коэффициент.

Постоянные Т, и могут быть определены экспериментально для каждого измерительного зонда путем градуировки его. Таким образом,измеряя с помощью прибора 8 входное напряжение, а с помощью прибора 9 .входной ток датчика Холла, из формулы (7) получают значение измеря мой температуры. Вычисляя по

измеренным значениям

и и

Чх

ЬХ

входное сопротивление датчика, по кривой на фиг.2 определяют индукцию магнитного поля.

Поскольку температура инверсии проводимости полупроводников р-типа не зависит от индукции магнитного поля, то благодаря этому исключается погрешность в измерении температуры, обусловленная магнитным полем и достигается повышение точности измерения температуры.

Формула изобретения

Устройство для измерения индукции магнитного поля и температуры, содержащее датчик Холла в теплоизолирующем кожухе и регистрирующие приборы, отличаю.щееся тем, что, с Целью повышения точности измерений, оно снабжено регулируемым источником постоянного тока, выход которого подключен к токовым, а вход - к холловским электродам датчика Холла.

2. Усггройство по п. 1, о т л ичающ.ееся тем, что датчик Холла выполнен в виде полупроводникового, кристалла р-типа, в котором точка температурной инверсии проводимости выше верхней границы диапазона измеряемых температур.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 488168, кл. G 01 R 33/06, 1973.

2.Авторское свидетельство СССР 469196, кл. G 01 R 33/06, 1973.