Пристрій для вимірювання температури

Пристрій для вимірювання температури, який містить вимірювальний діод, призначений для розташування у вимірюваному середовищі і підключений одним виводом до виходу генератора струму, джерело опорної напруги, перший вихід якого під'єднаний до входу подільника напруги, перший вихід якого та другий вихід джерела опорної напруги сполучені із загальною заземленою шиною пристрою, диференціальний підсилювач, суматор, вольтметр і блок керування, який відрізняється тим, що додатково містить джерело напруги, три резистори, чотири конденсатори, десять ключів і повторювач напруги, причому другий вивід вимірювального діода сполучений із входом генератора струму, першим виводом першого резистора та виходами першого і другого ключів, вхід першого ключа через другий резистор, а вхід другого ключа через третій резистор підключені до точки з'єднання другого виводу першого резистора та першого C2 2 (19) 1 3 81330 температури виникатимуть додатково адитивна, мультиплікативна та нелінійна складові похибки за рахунок те хнологічного розкиду параметрів діодів (їх зворотних струмів, температурних коефіцієнтів зворотних струмів та опорів баз і виводів областей бази і емітера) та омічного опору двопровідної лінії зв'язку сенсора з вимірювачем напруги, її розкиду в залежності від довжини ліній, а також зміни їх опору при змінах умов довкілля. Крім того, виникатиме методична похибка за рахунок нерівності температур усі х чотирьох діодів. Відомий також пристрій для вимірювання температури, який містить вимірювальний діод, призначений для розташування у вимірюваному середовищі і підключений одним виводом до виходу генератора струму, джерело опорної напруги, перший вихід якого під'єднаний до входу подільника напруги, перший вихід якого та другий вихід джерела опорної напруги сполучені із спільною шиною пристрою, диференціальний підсилювач, суматор, вольтметр і блок керування [патент України, 59763А, МКВ G01K7/22, 2003 p.]. Виходи генератора струму та другого подільника напруги через перемикач полярності та диференціальний підсилювач підключені до першого входу суматора, до другого входу якого під'єднаний вихід першого подільника напруги. Вихід суматора через підсумовувальний блок пам'яті підключений до входу вольтметра. Входи керування тривходового комутатора, перемикача полярності та підсумову вального блоку пам'яті підключені до виходів блоку керування. Через похибки підсумовувального блоку пам'яті (точність задання сталої часу інтегр ування та еквівалентну напругу зміщення його підсилювачів), похибки трьох подільників напруги, а також диференціального підсилювача та суматора, виникатиме значна адитивна складова похибки, яка не забезпечує інваріантності до впливу опорів бази, виводів електродів діода та з'єднувальних ліній. Окрім того, похибки від неточності значень резисторів диференціального підсилювача, суматора, подільників напруги, а також значень сталої часу підсумовувального блоку пам'яті та еквівалентна напруга зміщення генератора струму спричинюють значну мультиплікативну складову похибки, що також не забезпечує повної взаємозамінності напівпровідникових сенсорів. Практична реалізація такого пристрою для вимірювання температури для роботи з діодними сенсорами пов'язана з використанням значної кількості прецизійних елементів, що суттєво здорожує термометр, зростають його масо-габаритні показники, а також погіршуються метрологічні показники при зміні робочих умов експлуатації, особливо температури довкілля. Такий пристрій технічно складно реалізувати в мікроелектронному виконанні. В основу винаходу покладена задача створення пристрою для вимірювання температури, в якому нового конструктивного виконання та схеми задання струму через відкритий р-n перехід, а також схеми з комутованими конденсаторами для опрацювання спадків напруг на ньому, забезпечувались би 4 високі точність та лінійність вимірювання температури, інваріантність до опорів бази діода, виводів областей бази та емітера діода і двопровідної лінії зв'язку, та результат вимірювання не залежав би від індивідуальних електрофізичних параметрів діодів, параметрів двопровідної лінії зв'язку, забезпечувалась би лінійність перетворення та високі точність і завадостійкість та можливість суттєвого спрощення реалізації термометра, особливо в мікроелектронному виконанні. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для вимірювання температури, який містить вимірювальний діод, призначений для розміщення у вимірюваному середовищі і підключений одним виводом до виходу генератора струму, джерело опорної напруги, перший вихід якого під'єднаний до входу подільника напруги, перший вихід якого та другий вихід джерела опорної напруги сполучені із спільною шиною пристрою, диференціальний підсилювач, суматор, вольтметр і блок керування, згідно з винаходом, введені джерело напруги, три резистори, чотири конденсатори, десять ключів і повторювач напруги, причому другий вивід вимірювального діода сполучений із входом генератора струму, першим виводом першого резистора та виходами першого і другого ключів, вхід першого ключа через другий резистор, а вхід другого ключа через третій резистор підключені до точки з єднання другого ви воду першої о резистора та першого виходу джерела напруги, ви хід генератора струму через перший конденсатор сполучений із входами третього ключа і повторювача напруги, вихід якого сполучений із входами четвертого і п'ятого ключів, вихід якого під'єднаний до входу шостого ключа та першого входу суматора, до другого входу якого підключені входи сьомого та восьмого ключів, вихід якого під'єднаний до другого ви ходу подільника напруги, вихід суматора сполучений із входами дев'ятого та десятого ключів, вихід якого підключений до першої обкладки третього конденсатора та першого входу диференціального підсилювача, другий вхід якого з'єднаний із першою обкладкою четвертого конденсатора та виходом дев'ятого ключа, до ви ходу диференціального підсилювача підключений перший вхід вольтметра, другий вхід якого з'єднаний із першим виходом джерела опорної напруги, ви ходи третього, четвертого, шостого, дев'ятого та десятого ключів, другі обкладки третього та четвертого конденсаторів с сполучені зі спільною шиною пристрою, перший вихід блоку керування під'єднаний до входу керування першого ключа, другий його вихід - до входу керування четвертого ключа, третій його вихід - до входу керування третього ключа, четвертий його вихід - до входів керування другого, п'ятого, восьмого та десятого ключів, п'ятий його вихід - до входів керування шостого та сьомого ключів, а шостий його вихід - до входу керування вольтметра. Це дозволяє в пристрої для вимірювання температури з діодним сенсором, при використанні тільки трьох прецизійних резисторів, 5 81330 джерела напруги довільного значення та перетворювача напруга-струм точно задавати всі три значення вимірювального прямого струму діода. Використання для опрацювання спадків напруг на відкритому р-n переході схеми на основі комутованих конденсаторів дозволяє виділити, запам'я тати та підсилити інформативну ви хідну напругу, пропорційну до абсолютного значення вимірюваної температури, або відповідного значення у шкалі Цельсія, а також забезпечити її незалежність від опорів бази діода, виводів бази та емітера діода і двопровідної лінії зв'язку. Оскільки, вихідна напруга пристрою залежить тільки від співвідношення точно відомих значень опорів трьох струмозадавальних резисторів, та коефіцієнтів передачі суматора і диференціального підсилювача, то, тим самим, забезпечується висока точність і лінійність вимірювання температури та взаємозамінність сенсорів. Так як схема опрацювання спадків напруги на відкритому р-n переході побудована з використанням схемотехніки комутованих конденсаторів, яка широко застосовується в сучасній мікроелектронній технології, зокрема в мікроелектронних Δ-Σ АЦП, то запропонований пристрій легко може бути реалізований як інтегральна мікросхема або ж як вбудований у інші мікросхеми канал вимірювання температури чіпа. На фіг. зображена структурна схема пристрою для вимірювання температури з напівпровідниковими сенсорами. Пристрій для вимірювання температури містить джерело напруги 1, перший 2, другий 3 та третій 4 резистори, перший 5 і другий 6 ключі, генератор струму 7, вимірювальний діод 8, перший 9, другий 10, третій 11 та четвертий 12 конденсатори, повторювач напруги 13, суматор напруги 14, джерело опорної напруги 15, подільник напруги 16, диференціальний підсилювача 17, вольтметр 18, третій 19, четвертий 20, п'ятий 21, шостий 22, сьомий 23, восьмий 24, дев'ятий 25 та десятий 26 ключі та блок керування 27. Перші виводи всіх трьох резисторів 2, 3, 4 сполучені з першим виходом джерела напруги 1. Другий вивід резистора 2 сполучений з першим виводом вимірювального діода 8, входом генератора струму 7 та виходами ключів 5 і 6. Вхід ключа 5 з'єднаний з другим виводом резистора 3, а вхід ключа 6 - з другим виводом резистора 4. Вихід генератора струму 7 з'єднаний з другим виводом вимірювального діода 8 та через перший конденсатор 9 - із входами повторювача напруги 13 та ключа 19. Вихід повторювача напруги 13 через конденсатор 10 з'єднаний із входами ключів 20 і 21. Вихід ключа 21 сполучений із входом ключа 22 і першим входом суматора 14, до другого входу якого під'єднані входи ключів 23 і 24. Вихід ключа 24 з'єднаний з першим виходом подільника напруги 16, вхід якого сполучений з першим виходом джерела опорної напруги 15 і другим входом вольтметра 18. Вихід суматора з'єднаний із входами ключів 25 і 26. Вихід ключа 25 сполучений з першою обкладкою конденсатора 11 і першим входом диференціального підсилювача, а вихід ключа 26 - з першою обкладкою 6 конденсатора 12 і другим входом диференціального підсилювача, вихід якого підключений до першого входу вольтметра. Другі виходи джерела напруги 1, подільника напруги 16 та джерела опорної напруги 16, другі обкладки конденсаторів 11, 12 і виходи ключів 19, 20, 22, 23 сполучені зі спільною шиною пристрою. До першого виходу блоку керування 27 під'єднаний вхід керування ключа 5, до другого його виходу вхід керування ключа 20, до третього його виходу вхід керування ключа 19, до четвертого його виходу - входи керування ключів 6, 21, 24, 26, до п'ятого його виходу - входи керування ключів 22, 23, 25 і до шостого його ви ходу - вхід керування вольтметра 18. Пристрій для вимірювання температури працює так. Вимірювальний діод 8 поміщають у вимірюване середовище. Від генератора струму 7 через діод 8 пропускають імпульси струму І1 , І 2, І3, амплітудне значення яких задається точно відомими значеннями опорів резисторів 2, 3, 4 та значенням напруги U, джерела напруги 1, а тривалість - часом замикання ключів 5 і 6. Для модуляції трьох значень струмів та реалізації алгоритму опрацювання спадів напруги на відкритому р-n переході діода 8 з допомогою перемикань комутованих конденсаторів 9, 10, 11, 12, блок керування 27 циклічно виробляє на своїх виходах періодичні імпульсні послідовності, загальна тривалість кожного з циклів складається із суми тривалостей чотирьох рівно тривалих тактових імпульсів. В кожному із циклів на першому ви ході блок керування 27 формує імпульс тривалістю, рівній сумарній тривалості другого та третього тактових імпульсів, на другому його виході - імпульс тривалістю, рівною тривалості другого тактового імпульсу, на третьому його виході - два імпульси, тривалість першого з яких рівна тривалості першого тактового імпульсу, а другого - тривалості третього тактового імпульсу, на четвертому його виході - імпульс тривалістю, рівній тривалості четвертого тактового імпульсу і на п'ятому його виході - імпульс тривалістю рівною сумарній тривалості перших трьох тактових імпульсів циклу. В першому такті кожного циклу через діод 8 пропускають струм I1, значення якого визначається напругою U джерела напруги 1 та опором R1 резистора 2, у другому та третьому тактах - струм I2, значення якого визначається напругою U джерела напруги 1 та паралельно включеними опорами R1 та R2 резисторів 2 та 3, у четвертому такті - стр ум І3, значення якого визначається напругою U джерела напруги 1 та паралельно включеними опорами R1 та R3 резисторів 2 та 4. В першому такті сигналами з третього та п'ятого виходів блоку керування 27 замикають на спільну шину пристрою ключі 19, 22, 23 та замикають ключ 25 і заряджають конденсатор 11 до напруги Uc31=Da, рівної еквівалентній адитивній складовій похибки пристрою. Конденсатор 9 заряджають до напруги Uc11=U1, значення якої рівне спаду напруги U1 на діоді 8, через який протікає струм I1. В другому такті сигналами з 7 81330 першого, другого та п'ятого ви ходів блоку керування 27 замикають ключ 5 і замикають на спільну шину пристрою ключі 20, 22, 23 та замикають ключ 25 і заряджають конденсатор 11 до напруги Uc32=Uc31=D a, рівної еквівалентній адитивній складовій похибки пристрою. Конденсатор 10 заряджають до напруги Uc22=U2U1, значення якої рівне різниці спаду напруги U2 на діоді 8, через який протікає струм I2 та напруги на конденсаторі 9, яка запам'яталася у першому такті, U c11=U1. В третьому такті сигналами з першого, третього та п'ятого виходів блоку керування 27 замикають на спільну шину пристрою ключі 19, 22, 23 та замикають ключі 5 та 25 і заряджають конденсатор 11 до напруги Uc33=Uc32=Uc31=D a, рівної еквівалентній адитивній складовій похибки пристрою. Конденсатор 9 заряджають до напруги Uс13=U2 значення якої рівне спаду напруги U2 на діоді 8, через який протікає струм I2. В четвертому такті сигналом з четвертого виходу блоку керування 27 замикають ключі 6,21, 24, 26, отримують напругу на конденсаторі 9 Uc14=U2-U3, значення якої рівне різниці спадів напруги U2,U3 на діоді 8, через який протікають струми l2, I3, який підсумовують з напругою на конденсаторі 10, що запам'яталася в попередніх тактах, Uc24=Uc 14+Uc22=2U2-U1-U3 і подають до першого входу суматора 14. До другого входу суматора 14 подають вихідну напругу подільника напруги 16 U0=mE0, де m коефіцієнт передачі подільника напруги 16, E0 вихідна напруга джерела опорної напруги 15. З допомогою суматора знаходять алгебричну суму напруг на обох його входа х та підсилюють її в к с разів та заряджають нею конденсатор 12 до напруги Uc44= к c(2U2-U1-U3-mE0)+Da. 3 допомогою диференціального підсилювача 17 знаходять різницю напруг на конденсаторах 12 та 11, підсилюють її к ДП разів та у вольтметрі перетворюють в показ Νx 2U2 -U1 -U3 Nx =k c k ДП k , (1) E0 АЦП де k c , k ДП , k АЦП - коефіцієнти перетворення, відповідно, суматора 14, диференціального підсилювача 17 та АЦП вольтметра 18. При виборі значення вимірювального струму діода в діапазоні вимірювання від -100 до +200°С не більшим 1 мА, з похибкою не більшою від 0,1 мВ або 0,05°С, залежність спаду напруги на відкритому р-n переході подається у вигляді [Засименко В.М., Яцук Β.Ο. Якісна оцінка метрологічних характеристик температурних каналів індивідуальних теплолічильників // Вісник Національного університету "Львівська політехніка", №445. - Львів, 2002. - С. 155-160.] Ui = (R Б +RВ +R Л )I i -(m 0 +m T T x )E ¶ ×G T ×Q x +j T ln Ii ISO , 8 d =d 0 + d TT x - коефіцієнт інжекції; d 0 - коефіцієнт інжекції при Тx=Т 0, d T - температурний коефіцієнт інжекції; m0 - коефіцієнт, що врахо вує дрейфову складову вимірювального струму при Q = 0o C ; m T - температурний коефіцієнт дрейфового струму; E¶ ширина забороненої зони напівпровідника при Τx=Τ 0, G T - температурний коефіцієнт ширини забороненої зони напівпровідника; RB - опір виводів областей бази та емітера діода; R Л - опір лінії зв'язку; kT x - температурний потенціал; q k - стала Больцмана; q - заряд електрона; jT = T x - вимірювана температура; Ii - значення вимірюваного струму через відкритий р-n перехід в i-тому проміжку часу; ISO - значення теплового струму р-n переходу при Тx=Т0 . Із врахуванням співвідношення (2) та значень вимірювальних стр умів U + D ГС I1 = , (3) R1 I2 = I3 = U + D ГС R1 U + D ГС R1 × R1 +R2 × R1 +R3 R2 R3 , (4) , (5) де U - напруга джерела напруги 1; D ГС - еквівалентна напруга зміщення генератора струму, показ Nx вольтметра 18 дорівнюватиме é æ 2 1 ö ù ÷ +ú ê(RБ +RВ +RЛ )(U + DГС )ç çR ÷ kc kДПk АЦП ê è 2 R3 ø ú Nx= ê ú, E0 ê+ kT x lnæ R1R3 × 1 +R2 / R1 ö - mE ú ç ÷ 0 ú ç R ÷ ê q 2 1 +R3 / R1 ø è ë û Якщо вибрати таке опорами резисторів 3 і 4 2 1 = 0, R2 R3 співвідношення (6) між (7) (2) ln(1 + d ) - температурна залежність опору d БО бази; де R RБО - опір бази при температурі Q = 0o C (Т0=273,15 К); та прийняти, що виконується умова kT 0 æ R1 R3 1 +R 2 /R1 ö ÷ lnç ç R × 1 +R /R ÷ = mE0 , q 2 3 1 ø è (8) 9 81330 де T 0 =273,15 К, то, остаточно, показ Nx вольтметра 18 запишемо як kk C k ДП k АЦП æ R1 1 + 2R 3 / R1 ö ÷ Nx =q lnç (9) ç 2 × 1+ R /R ÷. qE0 3 1 ø x è З рівняння вимірювання (9) видно, що вимірюване значення температури Qx пропорційне до значень фундаментальних сталих k та q , значень коефіцієнтів перетворення відповідно, суматора 14, диференціального підсилювача 17 та АЦП вольтметра 18, які можуть бути задані з потрібною точністю, та значення E 0 джерела опорної напруги 15 і не залежить від технологічних розкидів параметрів напівпровідникових діодів 8, чим забезпечується їх взаємозамінність. Забезпечується також інваріантність до впливу опорів бази діода, виводів електродів діода та з'єднувальних ліній за рахунок точного виконання рівності (7), яку на практиці можна підстроювати з метою коригування, окрім того, ще й адитивної складової похибки пристрою. зумовленої інструментальними похибками опорів резисторів 3 і 4. Завдяки використанню схемотехніки комутованих конденсаторів 9, 10, 11. 12, в пристрої для вимірювання температури значно підвищена точність шляхом автоматичного коригування адитивної складової похибки пристрою, особливо при значних змінах параметрів довкілля, виключенню впливу коефіцієнта послаблення синфазної складової через неточність резисторів диференціального підсилювача 17 та усуненню впливу двох подільників напруги. Окрім того, запропонована структура пристрою для вимірювання температури може бути виготовлена в інтегральному виконанні, завдяки побудові його в базисі схемотехніки комутованих конденсаторів 9, 10, 11, 12, яка широко використовується в сучасних інтегральних АЦП, та зменшенню кількості прецизійних елементів. Проведені лабораторні дослідження експериментального взірця цифрового пристрою для вимірювання температури в комплекті з декількома однотипними діодними сенсорами підтвердили досягнення задачі винаходу, поставленої в даній заявці на винахід. k C , k ДП , k АЦП , 10