Контроль температуры

Способы измерения температуры основаны на различных принципах. Исключая интегральные датчики, все температурные датчики характеризуются нелинейной зависимостью выходного сигнала от температуры. Ранее для коррекции нелинейности датчиков конструировались специальные аналоговые схемы нормирования. Для достижения требуемой точности эти схемы часто требовали ручной калибровки и применения прецизионных резисторов. В настоящее время выходы датчиков можно квантовать непосредственно с помощью АЦП высокого разрешения, затем выполнить линеаризацию и калибровку цифровым способом, уменьшив тем самым стоимость и сложность системы. В табл. 9.1 приведены сравнительные характеристики широко применяемых датчиков температуры.

Таблица 9.1 – Типы датчиков температуры

Устройство, содержащее кроме датчика температуры и другие компоненты, обеспечивающие отображение значения температуры, называется термометром. На рис. 9.1. приведена структурная схема электронного термометра, объединенного с ЭВМ и контроллером.

Рисунок 9.1 – Структурная схема электронного термометра

9.1.1 Термометры на рn-переходах

Эффект зависимости свойств рn-перехода от температуры нежелателен в большинстве применений полупроводниковых приборов. Однако этот эффект может быть успешно использован для измерения температуры. Датчики на рn-переходах характеризуются линейной зависимостью выходного сигнала от температуры, но работоспособны в ограниченном интервале температур, что характерно для всех полупроводниковых устройств.

Вольт-амперная характеристика кремниевого диода для средних значений токов представлена на рис. 9.2.

Рисунок 9.2 – Вольт-амперная характеристика кремниевого диода

Прямой ток диода определяется выражением:

,

где I – ток через диод;

U – прямое напряжение на диоде;

I_S – обратный ток насыщения;

k – постоянная Больцмана;

q – величина заряда электрона.

Решая приведенное уравнение относительно U, получаем зависимость, приведенную на рис. 9.3.

Рисунок 9.3 – Температурные зависимости прямого падения напряжения на различных диодах

На рис. 9.3 представлены температурные зависимости прямого падения напряжения на различных диодах в интервале температур от 40 ⁰К до 400 ⁰К.

Прямое падение напряжения на диоде является функцией тока, что хорошо видно на вольт-амперной характеристике рис. 9.2. Поэтому в датчике необходимо использовать высокостабильный источник тока (рис. 9.4).

Рисунок 9.4 – Диодный датчик температуры

Напряжение от диодного датчика можно подать на вход АЦП и после расчетов с помощью ЭВМ получить значение измеряемой температуры. Полупроводниковые диоды, как датчики температуры, обладают лучшей чувствительностью и линейностью на большей части своего рабочего диапазона по сравнению с термопарными и резисторными термометрами. Они пригодны для многих применений, но менее повторяемы.

Диодные термометры не следует использовать при наличии сильных магнитных полей (больших 1…2 Т). Точность этих термометров ±1 ⁰С. Однако, в литературе можно найти описание прецизионного диодного термометра на GaAs (Галлий-арсенид) обеспечивающий точность ±0,002 ⁰К в интервале температур 1,4…300 ⁰К.