Вимірювальні перетворювачі температури на основі інфрачервоних давачів

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Вимірювальні перетворювачі температури на основі інфрачервоних давачів

О.В. Осадчук

Для неруйнівного теплового контролю об'єктів, які знаходяться під електричним потенціалом, у радіоактивному або агресивному середовищі доцільно використовувати безконтактні методи вимірювання температури, зокрема вимірювання температури за випромінюванням. Інфрачервоне (ІЧ) випромінювання присутнє в електромагнітному спектрі. ІЧ випромінювання неможливо побачити неозброєним оком, але воно визначається за допомогою спеціальних давачів [1]. Для детектування ІЧ випромінювання застосовують піроелектричні сенсори. Їх створюють на основі спеціального кристалічного матеріалу, здатного при дії на нього ІЧ випромінювання виробляти поверхневий електричний заряд.

На сьогоднішній день розробкою теорії і практичного застосування піроелектричних сенсорів займаються в таких наукових закладах як Запорізька державна інженерна академія, Інститут фізики НАН України, Національний університет "Львівська політехніка". Значний вклад в розробку теорії і практичного застосування перетворювачів температури внесли вчені Ж. Аш, Н. Како, Г. Виглеб, И.М. Викулин, Я. Ямонэ, Новицкий П.В. В розробку теорії піроефекту значний вклад внесли російські вчені Лайнс М. [2], Берман Л.С. [3], Гаврилова Н.Д. [4], Сонин А.С. [5], Іванов Н.Р. [6], японські вчені Watanabe Y., Tanamura M., Matsumoto Y. [7]. Значний вклад в розробку теорії і практичного застосування піроелектричних ІЧ давачів внесли американська школа вчених з D.B.A. Rep, M.W. Prins [8], німецька школа вчених на чолі з Miller S.L. [9], російські вчені Болванович Е.И. [10], Новик В.К. [11], Сигов А.С. [12], Струков Б.А. [13], українські науковці Киселев Е.Н., Швец Е.Я., Костенко В.Л. [14].

Подальшим розвитком наукових досліджень у цьому напрямку для поліпшення параметрів вимірювальних перетворювачів температури на основі ІЧ давачів є застосування реактивних властивостей напівпровідникових структур для побудови інтегральних вимірювальних перетворювачів з частотним вихідним сигналом. Цей напрямок досліджень базується на досягненнях наукової школи Вінницького національного технічного університету в розробці і дослідженні теоретичних основ реактивних властивостей і від'ємного опору у напівпровідникових приладах, що подано у працях д.т.н., проф. В.С. Осадчука [15], теоретичні дослідження і розробка перетворювачів температури з частотним вихідним сигналом проведено д.т.н., проф. О.В. Осадчуком [16].

Актуальність роботи полягає в тому, що на основі транзисторних структур з від'ємним опором (ТСВО) можна підвищити точність і чутливість та розширити вимірювальний діапазон у порівнянні з традиційними вимірювальними перетворювачами температури на основі ІЧ давачів.

На рис. 1 представлено структурну схему запропонованого вимірювального перетворювача температури.

Рисунок 1 - Структурна схема вимірювального перетворювача температури на основі давача ІЧ випромінювання

На основі структурної схеми рис. 1 було розроблено електричні схеми вимірювальних перетворювачів температури. На рис. 2 представлено частотний перетворювач температури з ІЧ давачем IRA-E910ST1 фірми Murata і ТСВО на основі біполярної структури.

Рисунок 2 - Електрична схема вимірювального перетворювача температури на основі біполярної ТСВО

Для визначення статичної характеристики і функції чутливості вимірювального перетворювача температури на біполярної ТСВО (рис. 2) було використано еквівалентну схему пристрою з врахуванням залежності її параметрів від температури.

На рис. 3 представлено отримані статичну характеристику (а) і залежність чутливості від температури (б) розробленого перетворювача температури.

а) б)

Рисунок 3 - Метрологічні характеристики вимірювального перетворювача температури на основі біполярної ТСВО: а) статична характеристика; б) функція чутливості

Як видно з рис. 3а) зміна частоти генерації від температури вимірювального перетворювача на основі біполярної структури становить 20 кГц на 1000 0С. Як видно з графіка рис. 3б) при зміні температури від 200 0С до 1400 0С, чутливість вимірювального перетворювача змінюється від 5 Гц/0С до 30 Гц/0С, причому вона лінійно зростає.

Для підвищення чутливості вимірювання температури було розроблено схему вимірювального перетворювача на основі того ж самого ІЧ давача IRA-E910ST1, але з Бі-МОН ТСВО. На рис. 4 зображено електричну схему пристрою.

Рисунок 4 - Електрична схема вимірювального перетворювача температури на основі Бі-МОН ТСВО

Для визначення метрологічних характеристик перетворювача на рис. 4 було використано еквівалентну схему пристрою з врахуванням залежності її параметрів від температури, що дозволило знайти залежності частоти генерації і чутливості від зміни температури (рис. 5).

а) б)

Рисунок 5 - Метрологічні характеристики вимірювального перетворювача температури на основі БіМОН ТСВО: а) статична характеристика; б) функція чутливості

Як видно з рис. 5а) зміна частоти генерації вимірювального перетворювача від температури становить 400 кГц на 1100 0С при нелінійній статичній характеристиці пристрою. Як видно з графіка рис. 5б) при зміні температури від 200 0С до 1400 0С, чутливість вимірювального перетворювача температури змінюється від 10 Гц/0С до 400 Гц/0С, причому вона лінійно зростає.

Висновки

Доведено можливість практичної реалізації вимірювальних перетворювачів температури на основі серійно випускаємих давачів інфрачервоного випромінювання. Розроблено високочутливі вимірювальні перетворювачі температури з частотним виходом: 1) на основі давача IRA-E910ST1 і транзисторної структури з двох біполярних транзисторів з чутливістю від від 5 Гц/0С до 30 Гц/0С при вимірювальному діапазоні від 200 0С до 1400 0С; - на основі давача IRA-E910ST1 і транзисторної структури з біполярного і польового транзисторів з чутливістю від 10 Гц/0С до 400 Гц/0С при вимірювальному діапазоні від 200 0С до 1400 0С.

Список літературних джерел

перетворювач температура інфрачервоний давач

1. Котюк Андрей Федорович. Датчики в современных измерениях. / А.Ф. Котюк. - М.: Радио и связь : Горячая линия - Телеком, 2006. - 95 с. - ISBN 5-256-01782-6.

7. Лайнс М., Глас А. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы. - М.: «Мир», 1981. - 603 с.

8. Берман Л.С. Моделирование вольт-амперных характеристик полевого транзистора с сегнетоэлектрическим изолятором // ФТП, 35, 11. - 2001. - C. 1391-1395.

9. Гаврилова Н.Д. Пироэлектричество / Данилычева М.Н., Новик В.К. - М.: Сов. рад., 1989. - 154 с.

10. Сонин А.С. Введение в сегнетоэлектричество. / Струков Б.А. - М.: «Высшая школа», 1970. - 162 с.

11. Иванов Н.Р., Пельц С.Д., Шувалов Л.А., Чингина Ю.А. Пироэффект в тригидроселените лития. - В книге: Материалы семинара МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, май 1972, М., О-во «Знание», 1972. - С. 111-113

12. Watanabe Y. Memory Retention and Switching Speed of Ferroelectric Field Effect in (Pb, La)(Ti, Zr)O3/La2CuO4:Sr Heterostructure / Tanamura M., Matsumoto Y. // Japan. J. Appl. Phys., 35, pt. 1, 1564. - 1995. - P. 78 - 89.

13. Rep D.B.A. Equivalent-circuit modelling of ferroelectric switching devices / Prins M.W. // J. Appl. Phys., 85, 7923, 1999. - P. 81- 98.

14. Miller S.L. Modeling ferroelectric capacitor switching with asymmetric nonperiodic input signals and arbitrary initial conditions / Schwank J.R., Nasby R.D., Rodgers M.S. // J. Appl. Phys., 70, 2849, 1991. - P. 68-74.

15. Болванович Э.И. Полупроводниковые пленки и миниатюрные измерительные преобразователи. - Мн.: Наука и техника, 1981, - С. 8 - 16.

16. Новик В.К. Пироэлектрические преобразователи / Гаврилова Н.Д., Фельдман Н.Б. - М.: Советское радио, 1979. - 176 с.

Размещено на Allbest.ru