Способ определения температуры и устройство для его осуществления

СОЮЗ СООЕТСНИХсзмлвмавииРВХЪБЛИК 09 (И 5 А 1 001 К 7/2 ПИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИ К АВТОРСКОМ ЕТЕЛЬСТВУ очГОСЩАРСТОЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ ССОР(71) Киевский политехнический институт им. 50-летня Великой Октябрьскойсоциалистической революции(56) Патент США к 38 12717,кл. 0 01 К 7/22, 1974,Техническое описание инструкцццпо эксплуатации вольтметра универсального цифрового В 7-27, "1: цск,1986, с. 21-22,(54) спОсОБ ОПРЕДеленИя ТемПеРАТУРШИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точностьизмерения температуры транзисторными Изобретение относится к технике измерения температуры ц может быть использовано для многоточечного измерения температуры тепловых полей с помощью малогабаритных и высоко- чувствительных транзисторных термодатчиков.Цель изобретения - повышение т ности измерения температуры транзисторными термодатчиками путем исключения влияния двух параметров р-и-перехода на результат измереНа чертеже представлена схема устройства, реализующая способ определения температуры транэисторньм термодатчиками путем исключения влияния двух параметров р-и-перехода нарезультат измерения, В контролируемомтепловом поле размещают транзистор,через р-и-переход которого поочередно пропускают два близких по значению тока, соответствующих минимальнымзначениям токов вольт-амперной характеристики (МАК) транзистора, Затемувеличивают ток через переход транзистора цо макс:, альных значений ВАК.1 змеряют падение напряжения на переходе транзистора цр каждом значениипропускаемогс тока, 11 о измереннымзначениям определяют температуру ср -ды. ИикроЭВИ управляет очередностьюпропускания токов через транзистор,принимает полученные значения падений напряжения и вычисляет искомоезначение температуры среды. 2 с.п.ф-лы, 1 ил. термодатчиком.устройство содержит источник 1 стабилизированного постоянного напряжения, к выходу которого подключены калиброванные резисторы 2-5, ,выходы которых через мультиплексор 6 подключены к ннвертирующему входу операционного усилителя 7,в цепь обратной связи которого включен транзистор 8. К выходу операционного усилителя 7 подключен через усилитель 9 постоянного тока аналогоцифровой преобразователь 10, кодовые выходы которого через интерфейс ввода-вывода подключены к шине данных микроЭВИ 11. К этой же шинечерез интерфейс с вывода подключены кодовые входы цепи управления мультиплексора 6 блока 12 индикации,Сущность способа заключается в следующем.Через открытый р-п-переход транзисторного термодатчика, размещеного в контролируемом тепловом поле, пропускают ток 1, соответствующий минимальному значению тока ВАХ, и измеряют падение напряжения на пере- ходе О(1) 5 Для обеспечения надежной регистрации с учетом действия других дестабилизирующих факторов на падение напряжения перехода коэффициент О(, выбирают с запасом из условия:(з) 55 1 О ОС(20 В соответствии с условием (3) увеличивают ток перехода до значениипри котор 1 и падение напряжения где Т - абсолютная температура переход,а,К - пос тоя иная Больцмана,"заряд электрона; 201 - ток насыщения,г - параметр, зависящий от концентрации носителей и еепрофиля в р-п-переходе.Увеличивают ток через переход до 25значения 1 , при котором можно зарегистрировать новое значение падениянапряжения П на переходе. При этомприращение падения напряжения должно превышать максимальную случайнуюпогрешность измерения напряжения,вы -зываемую шумами транзисторац -ц,тдцепя,=ддця, Гйгде б 1) - дисперсия случайных отклонений флюктуирующего на 35пряжения относительносреднего значения;Ос, - коэффициент, связывающийсреднеквадратическое отклонение (СКО) с максимальнойпогрешностью и зависящийот доверительной вероятнос ти,Так при нормальном законе распределения отклонений флюктуирующегонапряжения от среднего и вероятностиР=0,997 коэффициентО,=З, ДБ =0 -3 = -- 1 п(1 /1 ), (5)гКТ2Ч2 По разности напряжений (5) определяют риближенное значение температурь контролируемой среды(6) Увеличивают ток через переход до максимального значения ВАХ 1 я которое вызывает дополнительный нагрев перехода транзистора. Измеряют падение напряжения на перегретом пере- ходе г К(Т+ ДТ )1 п (1 /1 ) (7)3 =Ча е где ДТ 1 - температура перегрева перехода транзистора.Температура перегрева перехода термодатчика пропорциональна электрической мощности, рассеиваемой на переходе, и его тепловому сопротивлению относительно окружающей среды. Если тепловое сопротивление К, имеет размерность град/МВт, то температура перегрева(8) ДТ, =П 1 Кт. Уменьшают ток через переход до значения 11, при котором можно зарегистрировать новое значение падения напряже ния 11 -11Р - с 1 п(1 /1 )Г гК(Т+ЛТа)4 б 1 где Дт - перегрев перехода при токе 1.В соответствии с выражением (8) перегрев при токе 1Й 2 4 4 т( О)Учитыная, то токи 1и 1 близки по значенн 1, мс жно в формулах (7) и (9) заменить перегревы Ь Ти Й Т.дОдним с редн 11 м ле ре гревом Б =гФ 4 О =1 п(1 /1 ),Г-гКТ2 и 2 5 тде цкц е 1 е Рппредепяется типом транзистора, используемого в качестве термодатчика.По результатам измерений падений напряжений от двух близких по значению токов 1 и 1определяют разность падения напряжений на переходе транзистораИз отношения (19) определяют точноезначение температуры контролируемойсреды 5 164 58 53ЕТ (+ДТ 2 Т) з 1 з+41+ДТ = --- = --К (11)2тТогда падения напряжений от токов 1 Э и 14 можно представить в виде;гК(Т+ДТ)П :1 п( / )сЭ 5(12)гК(Т+ДТ)Т) =1 п(П /1 ), (13)Ч4 5Спределяют разность падений отдвух близких по значению токовД = 11- Т) Т =гк(Т + Дт)ЧПо разности падений напряжений (14) определяют значение температуры перегретого переходаТ + ДТ =- , Ь(1, (15)(1 ГК 1 П(ТЭ( 4) С учетом температуры окружающей среды (6) вычисляют температуру перегрева термодатчика по формулеЧ Ьег ДПДТгк 1 п(1 / ) 111(Т/1, )Л(16)Сопоставляют температуру перегрева перехода транзистора ДТ с температурой окружающей среды Т. Выбирают значение тока 1 Э таким чтобы температура перегрева ДТ не превышала (5-107) от верхнего предела диапазона контролируемых температур,При выбранном значении тока 1 из условия1(чицс 121 Э с 1 мокс(17)измеряют падение напряжения на перегретом переходе П Э и вновь определяют( уменьшенное значение тока 14, обеспечивающее соотношение (9),После измерения падения напряжения Т)4 определяют разность падений напряжений на перегретом переходе(18)Далее определяют отношение разностей падений напряжений на перегретом переходе (18) транзистора к нагретому окружающей средой переходу (5)(П,-п) 1 (Т,/Т, )- 1,-(, ) ) ( 1, /Т,")С учетом значения ДТ иэ (11) измеряемую температуру определяют изсоотношения(21)15Тепловое сопротивление К опредетляется в процессе калибровки транзисторного термодатчика для конкретной коцтролируемой среды по ее изве стцой температуре Тк где Т - температуры среды при калиб)(,.5ровке,Из выражения (21) видно, что тем, пературу Т можно определить по четырем заданным значениям токов р-п-перехода (1 1 Э, 14 и четырем из 30 меренным падениям напряжения на этом(переходе 1)1, О, ) Э, Б 4. При этомпараметры транзистора 1и г, определяющие форму БАХ р-п-перехода, невлияют ца результат измерения.Определение температуры по формуле (21) позволяет осуществитьмноготочечный контроль от ряда транзисторцых термодатчиков с большимразбросом по значениям тока насы 40 щения и концентрации носителей вр-и-переходе с повышенной точностью,Кроме того, возможна замена термотранзистора того же типа, т.е. содинаковым тепловым сопротивлением45 Кг, без изменения градуировочныйхарактеристики, получаемой в про"цессе калибровки.Таким образом, повышение точностив способе достигнуто за счет исклю 50 чеция влияния разброса и нестабильности двух параметров р-и-переходана термочувствительные свойстватранзисторных термодатчиковУстройство для определения тем 55 пературы работает следующим образом.Напряжение источника 1 черезодин из резисторов с сопротивлениями К 4 - К 4., мультиплексор 6 посту 1, 585340 50 пает на инг(ерти",.укщ вход о-.евя н . онного усилителя l . Вгагора 1(г глубокой отрицательной обратной связи в усилителе через р-и-переход транзистора 8, размещенного в контролируемом тепловом поле, входное напряжение операционного усилителя близко к нулю, а выходное ранчо падению напряжения на транзисторе с обратным знаком, В результате этого через р-п-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 эт изменений сопротивления р-и-перехода транзистора, Чек как ток транзистора 8 величина постоянная, то падение напряжения ва нем является функцией температуры Т окружающей среды.Выходное напряжение операционного усилителя 7, пропорциональное изме ряемой температуре Т, усиливается усилителем 9 и преобразуется в аналого-цифровом преобразователе 10 в цифровой код, который вводится в мик- роЭВМ и запоминается.30Программой микроЭВМ 11 предусмотрено поочередное включение калиброванных резисторов 2-5, задаю(цих ток через р-и-г.ереход транзистора 8, Высокоомные резисторы 2 и 3 ограничивают токи перехода 1и 1 на уровне35 минимальных токов ВАХ транзист ра (десятков мгкроампер), что (с к(- чает пефегэен р-и-перехода протекающим токо относительно температуры окружающей среды. Соатветстт(ую-. щие падения напряжения Ои 1( преобразуются в коды, которые заноминаютсл в памяти мкроЭВМ.Вводимые мультиплексором 6 низкоомные резисторы 4 и 5 выбираются из условия (17) и создают нагреваю(щие токи 1 и 14, не (ревышаюцие максимально допустимые и вызывающие нс рмированный и":р грев р-п-перехода, рассчитываемыи по верхнему преде;у диапазона контролируемых температур. Соответствующие падения напряжения И и 15 кодируются и запоминаютгяв микроЭВМ.В память микроЭВМ вводят знач :ие теплового сопротивления Кт транэс - тора с учетом теплофизических с всств среды, в которую помещен транзис(ор, формула изобретения 1, сг(особ определения температуры с р.ды, заключающийся в поочередном нропускании через р-и-переход транз(стора, размещенного в контролируемой среде, двух близких значений тока, соответ гвующих минимальным значениям токов вольт-амперной характер(с тики транзистора, измерении падеии на,(яжений на р-и-переходе транзистора при каждом из токов, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, увеличивают ток срез р-и-переход до значения, при котором его перегрев ЬТ не превышает 5-107. от верхнего предела диапазона контролируемых темгера" ур, измеряют падения напряжения .а перегретом р-и-переходе при двух бринк(х значениях тока перегрева, (рн этом близкие значения токов выбирают в пределах, при которых разность падений таких напржений на р-и-переходе транзистора при соответ.твуюших токах в 10-20 раз превьшает среднеквадратичное отклонение падения напряжения на переходе, а значение температуры окружающей среды определяют по формуле2 начальный минимальный где 1,ток через р-и-переходтранзистора и падениенапряжения на р-и-переходе; Кроме тго, в память вводятся з;ачвн (оков 1 ф, 1,ф и 1 определяемые стабилизированным напряженнем(И источника 1 и сопротивлениямиК, - К 4 калиброванных резисторов 2-5,По результатам четырех измерений0 11, С З и О 4 и значениям констант1, 1, 1, 1 и Кт в микропроцессоре ЭВМ вычисляется температура Т поформуле (21), Числовое значение температуры индицируется на блоке 12индикации,Прп нведении в программу нулевойтемпературы То = 23 К на дисплейвыводит, я контролируемое изменениетемпературы поля ЬТ = Т - То в град у-. ах 1 е: ьс ия .Заказ 1346 Тираж 401 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина, 101 1, Р - измененный ток черезр-п-переход, близкий1, и падение напряжения на р-п-переходеВГ - значение тока ива р-п-перехода и соответствующее ему падение напряжения на р-ипереходе,1, 1 т - измененный ток перегрева р-п-перехода,близкий 1, и падениенапряжения на р-и-переходе;К - тепловое сопротивле-тние транзистора,2, Устройство для определения тмпературы среды, содержащее источникпостоянного напряжения, операционныйусилитель, в цепь обратной связи которого включен транзистор, усилитель постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь и микроЭВМ, к выходу 5которой подключен блок индикации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены мультиплексор, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первые выводы которых объединены и подключены к выходу источника постоянного напряжения, а их вторые выводы подключены к соответствующим входам мультиплексора, выход которого через последовательно соединенные операционный усилитель, усилитель постоянного тока и аналого-цифровой преобразователь подключен к информационным входам микроЭВМ, управ ляющие выходы которой подключены квходам управления мультиплексора.