Вдосконалення приладів теплового контролю складу речовин на основі застосування сенсорів з p-n переходом

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

УДК 536.53 : 621.382.2/.3

Вдосконалення приладів теплового контролю складу речовин на основі застосування сенсорів з p-n переходом

05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Іванченко Олександр Васильович

Київ 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському державному університеті технологій та дизайну (м. Київ) Міністерство освіти та науки України.

Захист дисертації відбудеться 18 травня 2001 р. о 12-00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.102.01 у Київському державному університеті технологій та дизайну (01011, м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2, конференц зал головного корпусу). З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського державного університету технологій та дизайну.

Автореферат розісланий 23 березня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук Г.І. Хімічева

напівпровідниковий транзисторний температура

АНОТАЦІЯ

Іванченко О.В. Вдосконалення приладів теплового контролю складу речовин на основі застосування сенсорів з p-n переходом. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин. - Київський державний університет технологій та дизайну, Київ, 2001.

Дисертацію присвячено розробці теоретичних та практичних методів підвищення точності, метрологічної надійності і розширенню функціональних можливостей вимірювальних перетворювачів температури для приладів теплового контролю складу речовин на основі застосування напівпровідникових чутливих елементів з p-n переходом.

В роботі визначені основні термочутливі параметри та величини вимірювальних струмів сенсорів для систем теплового контролю складу речовин.

Запропоновано новий схемотехнічний метод вимірювання температури сенсором з р-n переходом, що дозволяє отримати лінійну характеристику перетворення при максимальній чутливості та мінімальному струмі саморозігріву сенсора.

Розроблений алгоритмічний метод визначення падіння напруги на активній частині напівпровідникових сенсорів, що дозволяє виключити вплив падіння напруги на пасивній частині та на об'ємних опорах електродів систем дистанційного контролю складу речовин.

Розроблені багатоточкові системи теплового контролю складу та параметрів речовин із напівпровідниковими ключами-сенсорами, в яких виключено вплив опорів провідників, перехідних опорів ключів, об'ємних опорів сенсорів, а також нестабільності параметрів р-n переходу.

Ефективність запропонованих методів і засобів виміру обґрунтована теоретично і підтверджена експериментально. Результати роботи впроваджені в ході виконання науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт у Державному науково-технічному підприємстві “РАДИКАЛ” Мінпромполітики України і Державній академії легкої промисловості України.

Ключові слова: тепловий контроль складу рідини і газу, багатоточкова система контролю, напівпровідниковий сенсор, р-n перехід, надлишкові вимірювання, температура.

АННОТАЦИЯ

Иванченко А.В. Совершенствование приборов теплового контроля состава веществ на основе применения сенсоров с p-n переходом. Рукопись. Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.11.13 - приборы и методы контроля и определения состава веществ. - Киевский государственный университет технологий и дизайна, Киев, 2001.

Диссертация посвящена разработке теоретических и практических методов повышения точности, метрологической надежности и расширению функциональных возможностей измерительных преобразователей температуры для приборов теплового контроля состава веществ на основе применения полупроводниковых чувствительных элементов с p-n переходом.

В работе получены такие основные результаты:

в результате проведенного теоретического анализа и экспериментальных исследований влияния температуры на параметры диодных и транзисторных структур определены основные термочувствительные параметры и величины измерительных токов сенсоров для систем теплового контроля состава веществ;

предложен метод измерения температуры полупроводниковым сенсором с р-n переходом, который позволяет получить линейную характеристику преобразования при максимальной чувствительности и минимальном токе саморазогрева сенсора;

разработан и заявлен алгоритмический метод определения падения напряжения на активной части полупроводниковых сенсоров, который позволяет исключить влияние падения напряжения на пассивной части p-n перехода и на объемных сопротивлениях электродов систем дистанционного контроля состава веществ;

разработана многоточечная информационно-измерительная система контроля температурного поля для теплового контроля состава и параметров веществ на основе терморезистивных сенсоров с повышенным быстродействием и надежностью, которое достигаются за счет замены контактных коммутирующих элементов на бесконтактные диоды;

предложена многоточечная система контроля температуры для теплового контроля состава и параметров веществ с полупроводниковыми ключами-сенсорами, в которой исключено влияние сопротивлений проводников, переходных сопротивлений ключей, объемных сопротивлений диода, а также нестабильности параметров р-n перехода;

предложена многоточечная система контроля поля скоростей потока подогревными сенсорами с р-n переходом, в которой за счет избыточных измерений термочувствительных параметров сенсора в различных режимах работы исключено влияние индивидуальных свойств транзисторных сенсоров, обусловленных технологическим разбросом их параметров, а также обеспечена возможность контроля полей скоростей текучей среды.

Эффективность предложенных методов и способов измерения обоснована теоретически и подтверждена экспериментально. Результаты работы внедрены в ходе выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в Государственном научно-техническом предприятии “РАДИКАЛ” Минпромполитики Украины и Государственной академии легкой промышленности Украины.

Ключевые слова: тепловой контроль состава жидкости и газа, многоточечная система контроля, полупроводниковый сенсор, р-n переход, избыточные измерения, температура.

THE SUMMARY

Ivanchenko A.V. Perfecting of the devices for the heat control of the substance composition by using the sensors with the p-n barrier. - The Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of technical science for speciality 05.11.13 - devices and methods for the control and determination of the substance composition. - Kiev State University of the Technology and Design, Kiev, 2001.

In dissertation the basic temperature sensitive parameters and values of measuring currents of sensors for systems of the thermal control of a structure of substances are certain. Is offered new method of measurement of temperature by sensor with р-n barrier. The algorithmic method of definition of voltage drop on a fissile part of semiconducting sensors is designed which allows to eliminate effect of voltage drop on a passive part and on volumetric bulwarks of electrodes in systems of a remote monitoring of a structure of substances. The multipoint systems of the thermal control of a structure and parameters of substances with semiconducting keys - sensors are designed, in which the effect of resistance of conductors, transient resistance of keys, cubic resistance of sensors, and also instability of parameters р-n barrier is eliminated.

The efficiency of offered methods and means of measurement is justified theoretically and is endorsed experimentally. The outcomes of activity are inserted during fulfilment research and development works in State technological firm "RADICAL" of the Ministry of industrial policy of Ukraine and in State academy of light industry of Ukraine.

Keywords: the thermal control of a structure of a liquid and gas, multipoint monitoring system, semiconducting sensor, р-n transition, redundant measurements, temperature.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнє десятиліття характеризується широким застосуванням в аналітичному контролі складу речовин автоматизованих електрофізичних методів аналізу.

Електрофізичні методи аналізу мають важливу властивість - достатню точність при високій експресності виконання аналізу складу і властивостей речовин. Крім того, вони дозволяють з малими витратами проводити автоматизацію аналітичних операцій з використанням комп'ютера як для обробки результатів вимірювань, так і для управління приладами.

Прилади теплового контролю застосовуються переважно для вирішення задач аналізу складу газів та рідин за їх теплопровідністю або теплоємністю, визначення вологості, кількості речовини потоків, що знаходяться в стані руху. Тому особливо перспективним є створення багатофункціональних теплових перетворювачів.

Сьогодні для теплового контролю складу та властивостей газів використовують катарометри - термокондуктометричні прилади з чутливими елементами на основі підігрівних терморезисторів (переважно платинових), які мають високу стабільність та можуть бути використані в широкому діапазоні вимірювань. Але прилади з платиновими терморезистивними елементами мають ряд недоліків, серед яких головними є такі:

значні похибки вимірювань зумовлені нестабільністю параметрів терморезистивних перетворювачів;

нелінійність функції перетворення, що призводить до необхідності використання лінеаризаторів та ускладнює вимірювальну схему;

низька селективність до вимірюваного компоненту суміші, що зумовлено недостатньою чутливістю;

інерційність приладів та принципову неможливість проводити локалізовані (точечні) вимірювання, оскільки катарометри мають значні конструктивні розміри;

для виготовлення чутливих елементів подібних приладів використовують платину, що є причиною зростання вартості приладу.

Вказані недоліки в меншій мірі властиві вимірювальним перетворювачам температури (ВПТ) на основі напівпровідникових сенсорів з p-n переходом, а саме, на основі діодних і транзисторних структур.

По-перше, напівпровідникові сенсори з р-n переходом мають високу чутливість, достатню точність, малу постійну часу, просту схему включення у вимірювальну систему (як правило двопровідну), високу надійність і, головне, дуже низьку вартість, що дозволяє використовувати їх навіть для одноразових застосувань.

По-друге, сенсори з p-n переходом одночасно можуть бути використані для вимірювання тиску, вологості, кількості речовини та швидкості потоку. Тому застосування подібних сенсорів дає змогу створювати багатофункціональні прилади контролю.

По-третє, технологія виготовлення структур з p-n переходом забезпечує побудову мініатюрних елементів, тому реальною є можливість проводити локалізовані та багатоточкові вимірювання.

Маючи такий набір позитивних якостей, діодні та транзисторні сенсори є перспективними елементами для створення на їх основі ВПТ приладів теплового контролю складу і властивостей речовин.

Однак основними перешкодами для забезпечення більш широкого застосування діодних і транзисторних сенсорів є низька взаємозамінність сенсорів і нестабільність характеристик. Значні успіхи мікроелектроніки за останні роки дали можливість досягти позитивних результатів в забезпеченні стабільності параметрів діодів і транзисторів при їх виготовленні, але низький ступінь взаємозамінності залишається основною перешкодою для широкого застосування напівпровідникових сенсорів температури в засобах теплового контролю.

Саме вирішенню актуальних проблем забезпечення взаємозамінності сенсорів ВПТ і виключення впливу на результат вимірювань нестабільних параметрів діодних і транзисторних структур присвячена робота автора.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі “Автоматизації і комп'ютерних систем” Київського державного університету технологій та дизайну і направлена на вдосконалення приладів теплового контролю складу і властивостей речовин на основі застосування сенсорів з p-n переходом. Роботи проведені відповідно напрямку Державної комплексної цільової науково-технічної програми НАУКА - 2000 Державного комітету промислової політики України - Розділ 7. “Створення нових високотехнологічних та багатофункціональних приладів і засобів контролю” та планам кафедри по вдосконаленню засобів контролю на основі застосування напівпровідникових сенсорів.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - створення нових теоретичних і практичних методів підвищення точності, метрологічної надійності і розширення функціональних можливостей ВПТ для приладів теплового контролю складу і властивостей речовин на основі напівпровідникових сенсорів з p-n переходом.

Для досягнення мети сформульовано наступні задачі досліджень:

Аналіз впливу температури на характеристики напівпровідникових сенсорів з p-n переходом.

Визначити залежність процесів теплорозподілу в діодних та транзисторних сенсорах від складу і структури кристалу напівпровідника.

Обґрунтувати вибір температурозалежних параметрів р-n переходу, визначити математичні моделі температурних характеристик і фактори, що є джерелом похибок вимірювань.

Дослідити принципи побудови ВПТ приладів теплового контролю складу речовин з діодними і транзисторними сенсорами без попереднього відбору за параметрами.

Розробити схемотехнічний спосіб покращення ступеню взаємозамінності сенсорів ВПТ, а також зменшення впливу на результат вимірювання нестабільності параметрів сенсорів.

Розробити алгоритмічний метод вимірювання падіння напруги виключно на активній частині р-n переходу.

Синтезувати структури багатоточкових і багатофункціональних вимірювальних систем для приладів контролю складу та параметрів газових і рідинних середовищ на основі діодних та транзисторних сенсорів.

Об'єкт дослідження - створення засобів теплового контролю на основі серійних напівпровідникових діодів і транзисторів для використання в системах локальних і багатоточкових вимірювань градієнтів температур, залежності теплопровідності середовища від концентрації його складових частин.

Предмет дослідження - шляхи підвищення точності перетворювачів температури для приладів теплового контролю та визначення складу і властивостей речовин на основі використання напівпровідникових сенсорів температури з p-n переходом.

Наукова новизна роботи:

розроблено нові методи виключення впливу на результат вимірювань нестабільних параметрів р-n переходу, а також впливу інших заважаючих факторів за рахунок проведення додаткових вимірювань термочутливого параметру у різних режимах роботи сенсора з наступною алгоритмічною обробкою результатів вимірювань.

розроблені принципи створення надлишковості вимірювань падіння напруги на сенсорі з використанням двох, трьох і чотирьох значень струмів через p-n перехід;

доведено, що при застосуванні запропонованих методів перетворення сигналів, підвищується ефективність використання сенсорів з p-n переходом для вимірювання теплопровідності рідин і газів в системах контролю і управління технологічними процесами;

досліджено та визначено залежність теплорозподілу у сенсорі з p-n переходом від структури напівпровідникового кристалу, що дає змогу обґрунтувати вибір термочутливих параметрів та режими роботи сенсорів для систем теплового контролю складу речовин;

розроблено алгоритмічний метод вимірювання падіння напруги на активній частині р-n переходу сенсора без впливу падіння напруги на пасивній частині сенсора;

розроблено багатоточкові системи вимірювання поля температур з напівпровідниковими діодними ключами і діодами-сенсорами, в яких виключено вплив технологічного розкиду параметрів діодів, а також опорів ключів і з'єднувальних провідників;

розроблено структуру багатоточкової системи контролю вологості і складу потоку рідини або газу з одночасним контролем температурного поля потоку.

Методи досліджень. Дослідження виконані з використанням методів інформаційної теорії вимірювань, апарату теорії лінійних кіл, теорії імовірності та математичної статистики, а також методів математичного моделювання характеристик ВПТ. Методи дослідження, що використані в роботі, визначаються комплексним підходом до вивчення явищ в структурі речовини з позицій сучасних уявлень про обробку багатопараметрової інформації з використанням сучасної елементної бази електроніки та апаратних і програмних комп'ютерних засобів.

Практичне значення одержаних результатів.

створені ВПТ, які дозволяють застосовувати в якості чутливих елементів серійні діоди і транзистори без попереднього відбору за параметрами;

визначено основні термочутливі параметри та значення вимірювальних струмів сенсорів для систем теплового контролю складу речовин;

запропоновано пристрій для вимірювання температури напівпровідниковим сенсором з р-n переходом, що має лінійну характеристику перетворення при максимальній чутливості та мінімальному струмі саморозігріву сенсора;

розроблено алгоритмічний метод визначення падіння напруги безпосередньо на активній частині напівпровідникових сенсорів без впливу падіння напруги на пасивній частині сенсора та на об'ємних опорах електродів, який може використовуватись для широкого класу систем дистанційного контролю;

розроблена структурна схема багатоточкової системи теплового контролю властивостей газового та рідинного потоку з діодними сенсорами.

Особистий внесок здобувача полягає в теоретичному обґрунтуванні основних наукових положень, пов'язаних із розробкою нових ВПТ для приладів теплового контролю складу і властивостей газових сумішей та рідин, в створенні структурних і принципових схем ВПТ, в моделюванні і експериментальній перевірці результатів досліджень, а також у розробці патентів на винаходи, практичній апробації отриманих результатів в наукових виданнях.

Впровадження результатів роботи. Теоретичні і практичні результати, одержані в дисертаційній роботі, були використані:

при виконанні НДР по договору №9106/07-23-95 між Державним науково-технічним підприємством “РАДИКАЛ” і Міністерством машинобудування, військово-промислового комплексу і конверсії України від 10.06.96р;

держбюджетної теми НДР 4.15 ГБ 1993-1996 рр. - виконавець кафедра “Автоматизації і комп'ютерних систем” Київського державного університету технологій та дизайну;

ДКР по договору №276/07-95 між Державним науково-технічним підприємством “РАДИКАЛ” і Міністерством машинобудування, військово-промислового комплексу і конверсії України від 04.05.95 р.

Апробація роботи. Основні положення та результати проведених досліджень обговорювались і отримали позитивну оцінку на 14 науково-технічних конференціях, а саме: на II і III науково-технічних конференціях країн СНД “Контроль і управління в технічних системах” (Вінниця, 1993,1995); I, II і III науково-технічних конференціях країн СНД "Вимірювальна і обчислювальна техніка в технологічних процесах та конверсії виробництв” (Хмельницький, 1992, 1993, 1995); на науково-практичному семінарі “Проблеми і перспективи розвитку сертифікації продукції легкої і текстильної промисловості” (Київ, 1994); на науково-технічних конференціях молодих вчених і викладачів ДАЛПУ в 1993-1996 роках; І, ІІ, ІV і V міжнародних науково-практичних конференціях “Сучасні інформаційні і енергозберігаючі технології в життєзабезпеченні людини” (1997-1999рр.).

За матеріалами дисертації опубліковано 6 статей, декілька тез доповідей на конференціях і семінарах, одержано три патенти України на винаходи. Серед публікацій дві статті опубліковані у фахових виданнях, що входять до затвердженого ВАК України переліку.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури в кількості 123 найменування. Робота має 249 сторінок тексту, в тому числі 22 сторінки малюнків і 4 додатки на 77 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, наведені дані про мету досліджень і основні задачі, рішення яких дозволить розв'язати задачі підвищення точності, метрологічної надійності і розширення функціональних можливостей ВПТ для приладів теплового контролю складу речовин на основі напівпровідникових сенсорів з p-n переходом.

У першому розділі проведено аналіз існуючих приладів теплового контролю складу речовин і наведено основні технічні характеристики термокондуктометричних приладів з чутливими елементами (ЧЕ) на основі терморезисторів (катарометрів), що використовуються для проведення технологічних вимірювань.

Зазначено, що перевагами катарометрів з проволочними ЧЕ слід вважати широкий діапазон вимірювань, точність перетворення при аналізі бінарних сумішей, малу залежність вихідних сигналів від тиску.

Проведено аналіз недоліків, що притаманні вказаному типу приладів і зазначено, що радикальним шляхом підвищення селективності є застосування у вимірювальній схемі більш чутливих ЧЕ, наприклад, на основі напівпровідникових сенсорів з p-n переходом. Напівпровідникові ЧЕ мають більш високий температурний коефіцієнт напруги (ТКН) і забезпечують підвищену чутливість. Значення ТКН не залежить від ширини забороненої зони, для різних типів діодів і транзисторів складає від -1 до -3,5 мВ/°C (що значно перевищує чутливість до температури металевих термометрів опору) і визначається, головним чином, щільністю струму в р-n переході.

Показано, що ЧЭ із p-n переходом мають практично лінійну вольттемпературну характеристику. В частині мінімізації розмірів у сенсорів із p-n переходом немає конкурентів. Більше того, маючи низьку власну теплопровідність, такі сенсори практично не вносять похибок у виміри. Що ж стосується застосування модуляційних методів, то і тут сенсорам із p-n переходом варто віддати перевагу оскільки вони мають набагато більші власні опори, ніж дротові ЧЕ, що полегшує побудову схем обробки сигналів.

Таким чином очевидно, що застосування напівпровідникових сенсорів з p-n переходом в якості ЧЕ термокондуктометричних ВПТ дозволяє:

підвищити селективність ВПТ за рахунок застосування ЧЕ із значно вищою чутливістю до температури;

забезпечити лінійність характеристики перетворення ВПТ;

забезпечити необхідний рівень швидкодії за рахунок мініатюризації ЧЕ і застосування модуляційних методів.

поліпшити метрологічні характеристики ВПТ за рахунок використання надлишкових вимірів інформативних параметрів у різних режимах роботи.

В розділі поставлено задачі і намічені шляхи проведення досліджень для розробки нових ВПТ для приладів теплового контролю складу речовин з високим ступенем взаємозамінності сенсорів.

У другому розділі досліджені вольттемпературні та термометричні характеристики сенсорів на основі діодних структур.

Встановлено, що в якості термочутливого параметра діодних структур доцільно використовувати зворотній струм переходу або пряме падіння напруги на p-n переході.

Показано, що за математичну модель, яка описує властивості p-n переходу у широкому діапазоні температур, доцільно використати функцію двох параметрів (струму насичення І0 і коефіцієнта В)

Iпр = I0 exp (-В/Т) exp ( qU/kТ ), (1)

де q - заряд електрона, k - стала Больцмана.

Проведені експериментальні дослідження показали, що реальні діоди мають значну технологічну розбіжність по струму насичення I0 не більше 75% і по коефіцієнту В не більше 20%, що є основною перешкодою для забезпечення взаємозамінності сенсорів ВПТ

Доведено, що застосування напівпровідникових сенсорів у приладах теплового контролю складу речовин неможливе без застосування спеціальних методів забезпечення взаємозамінності сенсорів та виключення впливу їх нестабільних параметрів.

На основі математичного моделювання побудовано криву розподілу теплового поля в напівпровідниковому кристалі (рис.1), а також отримано аналітичний вираз залежності теплорозподілу від структури діодного сенсора

, (2)

де - Iобр, Uобр - зворотні струм та напруга відповідно; ??- коефіцієнт теплопровідності матеріалу; S - площа p-n переходу; l - товщина бази.

На основі аналізу теплорозподілу визначені вимоги до робочих режимів діодних сенсорів. Доведено, що p-n перехід діодного сенсора можна додатково нагріти на 10-15 С прямим струмом величиною до 1А. Це дозволяє вводити в сенсор адитивний тест, що дає змогу виключити мультиплікативну похибку вимірювання температури.

При виборі вимірювального струму для створення тільки інформативного падіння напруги, потрібно орієнтуватися на струм до 1 мА, який викликає перегрівання сенсора не більше ніж на 0,01...0,05 С.

У третьому розділі проведено аналіз вольтамперних і вольттемпературних характеристик сенсорів на основі транзисторних структур та схем ВПТ з такими сенсорами.

Показано, що при заданому струмі колектора температурний коефіцієнт колекторного струму практично не змінюється. Реальні зміни температурного коефіцієнта з врахуванням похибок вимірювання не перевищують 2-3% в діапазоні температур 80-100°С для германієвих транзисторів, або 120-150°С - для силіцієвих.

Доведено, що транзистор, який працює в режимі прямих струмів, є найбільш оптимальним варіантом напівпровідникового сенсора температури.

Проведено порівняння лінійності характеристик перетворення для декількох видів термосенсорів і показано, що в діапазоні температур від -20°С до +150°С лінійність транзисторного сенсора набагато перевищує лінійність термопари і краща, ніж у платинового термометра опору.

Визначена залежність теплорозподілу в транзисторному сенсорі від складу та структури кристалу.

Із отриманих результатів випливає:

робота транзисторних сенсорів супроводжується процесами нагрівання напівпровідникової структури, при цьому розташування, розміри, потужність джерел тепла і розповсюдження теплового потоку в структурі залежать від умов та режиму роботи сенсора, а також від значення електричного навантаження;

вибором відповідного режиму навантаження можна забезпечити такі умови роботи сенсора, при яких на розподіл температури в кристалі буде впливати тільки одне граничне джерело;

аналіз виділення тепла в транзисторних сенсорах при різних умовах розсіювання в них електричної потужності дозволяє з усіх термочутливих параметрів правильно вибрати той, область теплової генерації якого знаходиться найближче до поверхні напівпровідникового кристалу, де виділяється основна частина тепла. Правильно вибраний параметр в цьому випадку дає змогу отримати найменшу похибку.

Зазначено, що для застосування транзисторних сенсорів для ВПТ термокондуктометричних приладів теплового контролю необхідно розробляти нові методи виключення впливу на результат вимірювань нестабільних параметрів р-n переходу, а також впливу інших заважаючих факторів за рахунок проведення додаткових (надлишкових) вимірювань термочутливого параметру у різних режимах роботи сенсора з наступною алгоритмічною обробкою результатів надлишкових вимірювань.

Четвертий розділ присвячено вирішенню проблеми покращення метрологічних характеристик сенсорів температури з р-n переходом для приладів теплового контролю складу речовин.

Розроблено модуляційний метод перетворення температури в сигнал змінного струму діодним сенсором з автоматичним підтриманням рівності Iпр=Iобр за рахунок періодичного переключення зворотних струмів (рис. 2), що підвищує лінійність характеристики перетворення. Згідно способу шукана температура Т пропорційна випрямленій напрузі U=, яка не залежить від технологічних та режимних параметрів діодів (прямого та зворотного струмів, напруги живлення):

, (3)

де А - коефіцієнт перетворення вимірювальної схеми.

Як було показано раніше, найбільше значення ТКН для діодів має місце при малих струмах Iпр<1 мА (20 - 300 мкА). Тобто вибір прямого струму Iпр= Iобр дозволяє проводити вимірювання при найвищій чутливості сенсора до температури.

Підсилення корисного сигналу, пропорційного температурі Т, на одній фіксованій низькій частоті диференційним підсилювачем (7) із подальшою обробкою синхронним детектором (9) істотно підвищує завадозахищеність засобу в порівнянні з засобами, на основі підсилення постійного струму або напруги.

Таким чином, операції запропонованого способу підвищують точність виміру температури за рахунок виключення впливу нестабільних параметрів напівпровідникових приладів на результат виміру, чутливість за рахунок автоматичної підтримки малих значень струму через відкриті переходи і завадозахищеність за рахунок підсилення на перемінній напрузі. В якості пар ідентичних діодів (2, 3, 4, 5) використовувались серійні транзисторні зборки КТС613А, КТС98НТ3 с чотирма p-n переходами, транзистори яких використовуються в діодному включенні. Середньоквадратичне відхилення крутизни перетворення в кожній партії складань не перевищує 12% від середнього значення, що дозволяє вимірювати температуру в діапазоні від 10С до 200С із похибкою не більше 0,05 - 0,1С при постійній часу фільтра нижніх частот (10) до 1с і частоті комутуючого генератора (1) 1,0 - 1,5 кГц.

Проведені дослідження показали, що при вимірюванні падіння напруги на відкритому транзисторі фактично вимірюється сумарне падіння напруги на активній частині кристала (р-n перехід), на пасивній частині кристалу (емітерні і базові шари) і на об'ємних опорах електродів. Методична похибка зростає зі збільшенням струму і досягає десятків відсотків при великих струмах.

Розроблено алгоритмічний спосіб визначення падіння напруги на активній частині p-n переходу, згідно якого падіння напруги на сенсорі Uґ визначається за формулою

(4)

де U1, U2, U3 - виміряні значення падіння напруги при різних значеннях струму через p-n перехід сенсора; р - коефіцієнт зміни струму через перехід.

Із виразу (4) видно, що по трьом виміряним значенням падіння напруги на сенсорі при вибраному співвідношенні p струмів через p-n перехід, можна визначити падіння напруги безпосередньо на активній частині сенсора U. При цьому виключається методична похибка від падіння напруги на пасивній частині сенсора, опір якої не є постійним і змінюється в процесі експлуатації сенсора і сильно залежить від температури. Вибір коефіцієнта p визначається порогом чутливості вимірювача напруги і температурним потенціалом переходу.

Показано, що похибка від падіння напруги на пасивній частині сенсора становить до 8% для падіння напруги U1= 400500 мВ. Враховуючи, що інформативні зміни на p-n переході напівпровідникового сенсора не перевищують 5-10 %, то похибка від падіння напруги на пасивній частині сенсора стає співрозмірною з інформативними змінами. Тому врахування цієї похибки суттєво підвищує точність вимірювань складу речовин напівпровідниковими сенсорами.

Подальше підвищення точності цифрових ВПТ з транзисторними сенсорами можливе за рахунок виключення впливу додаткових параметрів p-n переходу.

Більш детальний аналіз вольтамперної характеристики р-n переходу показує, що прямий струм переходу при Iпр>>I0 визначається не двома , а трьома електрофізичними параметрами

(5)

де r - додатковий параметр, що залежить від концентрації носіїв, її профілю в p-n переході і температури.

Для виключення впливу всіх трьох нестабільних параметрів сенсора на результат перетворення температури запропоновано вимірювати падіння напруги на сенсорі при чотирьох різних струмах, створюючи додаткову надлишковість вимірювань (рис. 3). Отримано аналітичний вираз для шуканої температури

, (6)

де U1, U2, U3, U4 - виміряні падіння напруги на термосенсорі при значеннях струму I1, I2, I3, I4 відповідно; RТ - тепловий опір, що визначається при калібруванні термосенсора по відомій температурі.

Таким чином, вищевикладений метод дозволяє організувати багатоточковий контроль температури від ряду транзисторних термосенсорів із великим розкидом за значеннями струму насичення і температурному коефіцієнту р-n переходу. Перевагою розробленого методу є підвищення точності виміру за рахунок виключення впливу розкиду і нестабільності трьох параметрів р-n переходу на термочутливі властивості транзисторних термосенсорів.

В п'ятому розділі розроблена інформаційно-вимірювальна система (ІВС) контролю температурного поля на основі перетворення падіння напруги на діоді в частоту (рис. 4).

Для проведення вимірювань в базисній точці поля з температурою Т0 розміщують опорний напівпровідниковий діод, а в першу і наступні точки контролю з температурами Т1, Т2, ..., Тm - вимірювальні напівпровідникові діоди. Через відкриті вимірювальні діоди пропускають почергово струми I1 та I2, вимірюють частоти ,…, і , …, що пропорційні падінням напруги на вимірювальних діодах від двох струмів, і визначають різниці між температурою m-ї точки і опорною температурою за формулою

. (7)

З виразу (7) видно, що відносна різниця температур Т1, Т2, ..., Тm контрольованих точок поля не залежить від індивідуальних параметрів напівпровідникових діодів (В і Iн). Тому відпадає необхідність їхнього добору і стабілізації індивідуальних параметрів. Для визначення абсолютної різниці температур контрольованого поля Т1, Т2, ..., Тm досить знати температуру Т0 базисної точки, яку можна виміряти за допомогою одного високостабільного термосенсора.

Розглянутий алгоритм роботи діодних сенсорів виключає вплив нестабільності підсилювача та частотного перетворювача і виникаючих через це адитивної і мультиплікативної складової похибки виміру температури.

У якості напівпровідникових термочутливих сенсорів досліджувались діоди типу Д9. Струми через р-n переходи діодів задавали 1 і 2 мА, що забезпечувало падіння напруг на їхніх переходах відповідно 40 і 70 мВ. При частотному перетворенні температур поля, нерівномірність котрого щодо базисної точки знаходилася в межах 30°C, частота перемінних напруг змінювалася в діапазоні 0300 Гц, що при шести розрядах табло цифрового частотоміра забезпечувало чутливість до градіенту температурного поля не менше 0,01°C, відносна похибка вимірів знаходилася в межах 0,10,2 %.-

В розділі запропонована багатоточкова інформаційно-вимірювальна система з терморезистивними сенсорами (рис. 5). В якості комутаційних елементів використані діодні ключі. При цьому виключено вплив на результат вимірювань температурозалежного опору діодного комутатора. Виміри трьох падінь напруги (Ui1, Ui2, Ui3) на відкритому вузлі електричної матриці при трьох заданих значеннях струму через цей вузол дозволяють визначити опір термосенсора незалежно від опору послідовно включеного діодного ключа.

Вибір трьох значень струму вузла, зв'язаних із початковим струмом Ii1 постійним коефіцієнтом r, що вибирають по порогу чутливості використовуваного вимірювача напруги, забезпечує роботу терморезистора при мінімальних струмах через нього, що мінімізує варіації електричної потужності, що розсіюється на терморезисторі. На основі цих вимірів температуру і-го вузла матриці визначають за формулою

, (8)

де R0 - опір сенсора при температурі Ti = 0 С.

В розвиток описаної системи запропонована багатоточкова вимірювальна система з сенсорами-ключами (рис. 6) для визначення коефіцієнта тепловіддачі і функціонально пов'язаних з ним параметрів матеріалів (коефіцієнт теплопровідності, вологість, швидкість руху потоку, кількість
речовини.

Коефіцієнт тепловіддачі сенсорів в досліджуваному середовищі можна визначити вимірюючи різницю температур Т між температурою нагрітого сенсора і температурою газу або рідини. Значення Т визначають по виміряному падінню напруги на сенсорі Uбэ при стабілізації струму колектора.

Залежність коефіцієнта тепловіддачі від швидкості руху середовища визначають у процесі калібрування для конкретних теплофізичних параметрів досліджуваного потоку рідини або газу. Попереднє калібрування кожного сенсора не гарантує високої точності у визначенні профілю поля швидкостей середовища що рухається через часову і температурну нестабільність параметрів сенсорів, що викликається фізико-хімічними процесами зносу і старіння переходів напівпровідникової структури, особливо при використанні сенсорів в агресивних середовищах. Тому в роботі запропоновано застосувати алгоритмічний спосіб усунення неінформативних впливів.

Згідно способу зміна струму нагрівання р-n переходу транзистора дозволяє організувати надлишкові виміри коефіцієнта теплообміну і, тим самим, виключити похибки, зв'язані з неідентичністю і нестабільністю параметрів ряду використовуваних сенсорів.

Силу струму через р-n перехід сенсора задають послідовно включеним резистором, опір котрого R1 вибирають з умови перегріву сенсора щодо нерухомого середовища на (57) К. У цьому випадку падіння напруги на переході визначиться температурою досліджуваного середовища Т0 і перегрівом транзистора Т під дією струму I1 = U0/R1. Вимірюючи падіння напруги на сенсорі (Un',Un") при різних струмах, отримаємо значення Тn. При цьому використовують залежність коефіцієнту тепловіддачі від швидкості потоку:

для газових потоків

; (9)

для рідинних потоків

, (10)

де v1, v2, ... , vn - локальні швидкості; і - відповідно теплопровідність і кінематична в'язкість середовища; d - діаметр сенсора; с і m - коефіцієнти, що залежать від числа Рейнольдса Ren = (vn d/) і числа Прандтля Рr = /а, що залежить від кінематичної в'язкості і температуропровідності середовища а .

На основі рівнянь (10) і (11) визначають значення локальних швидкостей v1, v2, ..., vn середовища по зареєстрованих значеннях падінь напруг на транзисторних сенсорах (U1',U2', ...,Un' і U1" ,U2", ..., Un"). При цьому результати розрахунків не залежать від індивідуальних властивостей транзисторів, обумовлених неминучими технологічними розкидами їхніх параметрів (В1, В2, ... ,Вn і I0, ... ,I0n).

В додатках наводяться відомості про схемотехнічні рішення ВПТ різних типів, а також інформація про впровадження роботи і отримані патенти.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

В результаті проведеного теоретичного аналізу та експериментальних досліджень впливу температури на параметри діодних та транзисторних сенсорів визначено основні термочутливі параметри та значення струмів через p-n перехід сенсорів для систем теплового контролю складу речовин;

Запропоновано метод вимірювання температури напівпровідниковим сенсором з р-n переходом, що дозволяє отримати лінійну характеристику перетворення при максимальній чутливості та мінімальному струмі саморозігріву сенсора для засобів теплового контролю складу і параметрів речовин;

Розроблений та заявлений алгоритмічний метод визначення падіння напруги на активній частині напівпровідникових сенсорів, що дозволяє виключити вплив падіння напруги на пасивній частині та на об'ємних опорах електродів систем теплового контролю складу речовин;

Розроблена багатоточкова ІВС контролю температурного поля для теплового контролю складу та параметрів речовин на основі терморезистивних сенсорів з підвищеною швидкодією та надійністю, що досягаються за рахунок заміни контактних комутуючих елементів на безконтактні діоди;

Запропонована багатоточкова система контролю температури для теплового контролю складу та параметрів речовин із напівпровідниковими ключами-сенсорами, в якій виключено вплив опорів з'єднувальних провідників, перехідних опорів ключів, об'ємних опорів діоду, а також нестабільності параметрів р-n переходу сенсорів;

Запропонована багатоточкова система контролю поля швидкостей потоку підігрівними сенсорами з р-n переходом, в якій за рахунок надлишкових вимірювань при двох значеннях струму через перехід виключено вплив індивідуальних властивостей сенсорів-транзисторів, зумовлених технологічним розкидом їх параметрів, а також забезпечено можливість контролю полів швидкостей рідкого середовища.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Іванченко О.В. Застосування напівпровідникових елементів з p-n переходом для температурних вимірювань // Вісник Державної академії легкої промисловості України. - 1999. - №2. - С. 124-127.

2. Іванченко О.В. Напівпровідникові елементи в засобах теплового контролю // Експрес-новини: наука, техніка, виробництво, - № 13-14. - 1999. - С. 35-38.

3. Пат. 10540А Україна, МКВ G01K7/22. Спосіб вимірювання температури та пристрій для його здійснення. /Скрипник Ю.О., Іванченко О.В., Стретович А.М.. Наконечний М.П./№93005065; Заявлено 21.10.93; Опубл. 25.12.96., Бюл.№4.

4. Пат. 15274А Україна, МКВ G01R19/00. Спосіб визначення падіння напруги на р-n переході напівпровідникового датчика. /Скрипник Ю.О., Іванченко О.В., Стретович А.М.. Наконечний М.П./№94052783; Заявлено 23.05.94; Опубл. 30.06.97., Бюл.№3.

5. Пат. 23280А Україна, МКВ G01K7/00. Багатоточкова система вимірювання температури. /Скрипник Ю.О., Іванченко О.В., Санніков В.Ю., Шинкаренко Ю.В./№97031159; Заявл. 14.03.97; Опубл. 19.05.98., Бюл.№3.

6. Іванченко О.В. Електричний перетворювач температури з напівпровідниковим діодом-сенсором. //В зб.: “Матеріали І науково-практичної конференції “Сучасна контрольно-випробувальна техніка промислових виробів і їх сертифікація”. Том 2, травень 1997р., м. Мукачево. - Київ: ДАЛПУ. 1997. С.64-67.

7. Іванченко О.В., Наконечний М.П. Застосування напівпровідникових сенсорів з р-n переходом для контролю полів фізичних величин. // В зб.: “Матеріали IV міжнародної науково-практичної конференції ”Сучасні інформаційні і енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”. Кн.2, вересень 1998р.,м.Севастополь.- Київ: ДАЛПУ. С.75-78

8. Іванченко О.В., Скрипник Ю.О., Хімічева Г.І. Дослідження процесу виділення тепла в р-n переході діодних сенсорів. // В зб.: “Матеріали IV міжнародної науково-практичної конференції ”Сучасні інформаційні і енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”. Кн.2, вересень 1998р., м. Севастополь. - Київ: ДАЛПУ. 1998. С.51-57.

9. Іванченко О.В., Стретович А.М. Використання напівпровідникових елементів з електронно-дірковим переходом в інформаційно-вимірювальних системах. // В зб.: “Матеріали IV міжнародної науково-практичної конференції ”Сучасні інформаційні і енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”. Кн.2, вересень 1998р., м. Севастополь. - Київ: ДАЛПУ.1998. С.60-62.

Размещено на Allbest.ru

...