способ цифрового измерения температуры и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ цифрового измерения температуры, заключающийся в преобразовании в напряжение термочувствительного сопротивления p - n-перехода полупроводникового датчика, соответствующего измеряемой температуре, при первом значении тока I_g1 через него, преобразовании полученного напряжения в первую частоту электрического сигнала и преобразовании ее в код, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, дополнительно преобразуют в напряжение сопротивление p - n-перехода полупроводникового датчика, соответствующего измеряемой температуре, при втором значении тока I_g2 = (0,05...0,1) I_g1 через него, затем в напряжение преобразуют сопротивление p - n-перехода полупроводникового датчика, соответствующее нулевой температуре, преобразуют полученные напряжения в соответствующие вторую и третью частоты электрических сигналов и преобразуют их в код, а результат цифрового измерения определяют по формуле

N_x = A ,

при этом A = - коэффициент пропорциональности,

где q - заряд электрона;

a = I_g2 / I_g1 ;

n - постоянный коэффициент, равный 10 - 25;

U₀ - значение опорного напряжения;

K - постоянная Больцмана;

f₁, f₂, f₃ - соответственно значения первой, второй и третьей частот электрических сигналов.

2. Устройство цифрового измерения температуры, содержащее полупроводниковый датчик и преобразователь напряжения в частоту, выполненный на источнике опорного напряжения, первый выход которого является шиной нулевого потенциала и подключен к первому выводу первого резистора, а второй выход подключен к первым выводам второго и третьего резисторов, второй вывод последнего из которых подключен к информационному входу транзисторного ключа, выход и управляющий вход которого подключены соответственно к первому и второму выводам конденсатора, к выходу и инвертирующему входу операционного усилителя, которые соединены соответственно с входом формирователя импульсов и с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с вторыми выводами первого и второго резисторов, первый вывод последнего из которых объединен с первым выводом пятого резистора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены блок обработки сигналов, первый и второй блоки согласования, линия связи, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы, первый и второй триггеры, формирователь импульсов сброса, первый, второй и третий переключатели, задатчик числа и реверсивный счетчик импульсов, вычитающий вход которого объединен с входом первого блока согласования и подключен к выходу формирователя импульсов, установочные входы подключены к выходам задатчика числа, выход переполнения реверсивного счетчика импульсов соединен с его входом предустановки и со счетным входом первого триггера, вход установки нуля которого объединен с входом установки нуля второго триггера и подключен к выходу формирователя импульса сброса, вход которого соединен с инверсным выходом второго триггера и объединен с первым управляющим входом первого переключателя, второй управляющий вход которого соединен с прямым выходом второго триггера, первый и второй информационные входы соединены с выходами второго и третьего переключателей и подключены соответственно через полупроводниковый датчик и девятый резистор к шине нулевого потенциала, первый и второй информационные входы второго и третьего переключателей соединены соответственно с вторым выводом пятого резистора и через шестой, седьмой и восьмой резисторы - с вторым выходом источника опорного напряжения, первый и вторые управляющие входы соответственно второго и третьего переключателей попарно объединены и соединены с прямым и инверсным выходами первого триггера соответственно, инверсный выход которого соединен со счетным входом второго триггера, при этом неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к выходу первого переключателя, а выход первого блока согласования через линию связи подключен к входу второго блока согласования, выход которого соединен с входом блока обработки сигналов.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что блок обработки сигналов выполнен на блоке формирования результирующего кода, преобразователе частота - код, цифровом отсчетном устройстве и регистре, объединенных между собой через общую шину, счетчике импульсов, двух задатчиках числа, двух реверсивных счетчиках импульсов, установочные входы которых соединены с выходами соответствующих задатчиков числа, триггере, двух элементах И - НЕ, элементе И, первом и втором формирователях управляющих импульсов, формирователе счетных импульсов, дифференцирующей цепи и частотном детекторе, вход которого объединен с входом формирователя счетных импульсов и является входом блока обработки сигналов, выход частотного детектора через дифференцирующую цепь соединен с входами первого и второго формирователей управляющих импульсов, выход последнего из которых подключен к входам установки нуля реверсивных счетчиков импульсов и счетчика импульсов, выходы которого соединены с соответствующими входами регистра , счетный вход счетчика импульсов объединен с первым входом элемента И и подключен к выходу первого формирователя управляющих импульсов, второй вход элемента И подключен к выходу переполнения и входу предустановки первого реверсивного счетчика импульсов, выход элемента И соединен с входом установки нуля триггера, вход установки единицы которого подключен к выходу переполнения и входу предустановки второго реверсивного счетчика импульсов, инверсный и прямой выходы триггера соединены соответственно с первыми входами первого и второго элементов И - НЕ, выходы которых подключены соответственно к счетным входам второго и первого реверсивных счетчиков импульсов, с входом последнего из которых объединен вход преобразователя частота - код, вторые входы первого и второго элементов И - НЕ объединены и подключены к выходу формирователя счетных импульсов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике измерения температуры различных сред с помощью полупроводниковых приборов с p-n-переходами и может быть использовано для дистанционных измерений с повышенной точностью и надежностью.

Целью изобретения является повышение точности путем исключения влияния нестабильности электрофизических параметров полупроводиниковых диодов, параметров интегратора и канала связи на результат преобразования.

На фиг. 1 приведена схема устройства для преобразования температуры в частоту релаксационных колебаний; на фиг.2 - схема блока обработки, входящего в устройство; на фиг. 3 - эпюры напряжения, поясняющие работу устройства.

Устройство (фиг. 1) содержит генератор опорного напряжения 1, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы 2-10, полупроводниковый датчик 11, транзисторный ключ 12, интегрирующий конденсатор 13, операционный усилитель 14, первый и второй триггеры 18, 19, формирователь импульсов сброса 20, реверсивный счетчик импульсов 21, задатчик числа 22, формирователь импульсов 23, первый и второй блоки согласования 24, 25, линия связи 26, блок обработки сигналов 27. Элемент 5, 12-14, 23 образуют преобразователь напряжения в частоту (ПНЧ).

Блок обработки (фиг. 2) сигналов содержит формирователь счетных импульсов 28, частотный детектор 29, дифференцирующую цепь 30, первый и второй элементы И-НЕ 31 и 32, первый и второй задатчики чисел 33 и 34, первый и второй реверсивные счетчики импульсов 35 и 36, триггер 37, логический элемент И 38, первый и второй формирователи 39 и 40 управляющих импульсов, счетчик импульсов 41, регистр 42, преобразователь частота-код 43, цифровое отсчетное устройство 44, блок формирования результирующего кода 45 и общую шину 46.

В предложенном техническом решении в качестве чувствительного к температуре параметра используют сопротивление p-n-перехода полупроводникового датчика, включенного в зарядную RC цепь ПНЧ. При прохождении тока через p-n-переход на последнем создается падение напряжения, зависящее от температуры среды, в которую помещен датчик. В результате частота релаксационных колебаний зависит от температуры. При малых значениях температуры получают малое значение падения напряжения на переходе, что не всегда обеспечивает заряд конденсатора до требуемого уровня в заданном частотном диапазоне генератора. В этой связи падение напряжения усиливают или используют дополнительное опорное напряжение, обеспечивая, тем самым, увеличение тока заряда конденсатора. Усиление разности (или суммы) опорного напряжения и падения напряжения позволяет выбрать требуемый частотный диапазон преобразования температуры в частоту и обеспечить необходимую чувствительность преобразования.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

Формируют релаксационное колебание частоты f₁ путем заряда интегрирующего конденсатора током, пропорциональным разности между опорным напряжением U_o и падением напряжения U_п1=I_д1^.r_д на p-n-переходе (с сопротивлением rд) полупроводникового датчика от первого значения тока I_д1, протекающего через переход, до момента равенства нарастающего значения падения напряжения V_к1=К_ус(V_o-V_п1) (где К_ус - коэффициент усиления) на конденсаторе заданному значению V_оп.

При постоянной времени заряда конденсатора =RC, где С - емкость конденсатора, R - сопротивление цепи, обеспечивающей ток заряда I_к1, разность опорного напряжения V_о и падения напряжения V_п1 достигнет (при К_ус=1) значения V_оп за время

T₁= = (1)

Значение частоты f₁ релаксационных колебаний определится выражением f₁= (2)

Известно что связь между током I_д1 через p-n переход и приложенным напряжением на нем определяется уравнением вольт-амперной характеристики перехода

I= I_o e (e) (3) где I_д1 - ток через p-n-переход;

I_o ^. e^-B/Tx - ток насыщения, зависящий от абсолютной температуры Т_х;

I_o - ток насыщения при T_x _____ ;

В - коэффициент, зависящий от материала полупроводника и ширины зоны перехода;

q - заряд электрона;

К - постоянная Больцмана;

V_п1 - падение напряжения на переходе.

Учитывая, что при изменении температуры в диапазоне Т_х>300К значение отношения КТ_х/q >> 26 мВ, уравнение (3) можно представить в виде

I= I_o e e (4).

Падение напряжения на p-n-переходе определится с учетом (4) выражением

U= (5)

Учитывая, что ток насыщения I_o>I_д1, падение напряжения представим выражением с положительным логарифмом

U= - ln (I_o/I) T_x (6).

Из выражения (6) видно, что падение напряжения на p-n-переходе линейно уменьшается от температуры Т_х. При этом крутизна вольт-амперной характеристики определяется значением ln(I_o/I_д1) , а начальное значение - параметром В.

Ток через p-n-переход I_д1, выбирают предельно малым, исходя из начального участка вольт-амперной характеристики выбранного полупроводникового датчика (диода), что исключает дополнительный нагрев перехода относительно контролируемой температуры Т_х.

В соответствии с выражениями (2) и (6) частота разряда интегрирующего конденсатора определяется падением напряжения V_п1 на p-n-переходе и линейно зависит от температуры. Подставляя (6) в (2), получим выражение

f₁= U_o- + ln (I_o/I₁ ) T_x , (7) связывающее частоту релаксационных колебаний с температурой, параметрами RC-цепи и вольт-амперной характеристикой p-n-перехода.

Частоту (7) релаксационных колебаний измеряют и запоминают. Затем увеличивают ток через p-n-переход на 5...10% от первоначального значения I_д1, т. е. до значения I_д2=(0,05...0,1)I_д1 (8), которое практически не изменяет теплового состояния p-n-перехода. Значение тока I_д2целесообразно устанавливать таким, чтобы изменение частоты релаксационных колебаний соответствовало бы увеличению изменяемой температуры на значение То температуры окружающей среды, т.е. на 20^оС.

При этом падение напряжения на p-n-переходе датчика равно V_п2=I_д2^.r_д, а заряд интегрирующего конденсатора будет осуществляться напряжением V_к2= К_ус(V_o-V_п2) или U_к2 = U_o - U_п2 при К_ус=1.

Частота релаксационных колебаний из-за изменения крутизны преобразования уменьшится до значения

f₂= U_o- + ln (I_o/I) T_x (9)

Измеряют и запоминают установившееся значение частоты релаксационных колебаний.

Затем формируют релаксационное колебание с частотой f₃ путем непосредственного заряда интегрирующего конденсатора током I_д3, пропорциональным заданной разности напряжений между опорным напряжением V_o и его n-й частью (V_п3= V_o/n), которая составляет 90-95% от значения разности напряжений, соответствующей верхнему пределу преобразуемой температуры. Значение частоты релаксационных колебаний определится выражением

f₃= = (10).

Значение температуры Т_х определяют путем совместного решения уравнений (7), (9) и (10):

T_x= = , (11) где V_o - опорное напряжение;

n=10...20 коэффициент деления;

q - заряд электрона;

К - постоянная Больцмана;

a= I_д2/I_д1 = (1,05 ... 1,1) ;

I_д1 и I_д2 - первое и второе значения токов через p-n-переход;

f₁, f₂ и f₃ - измеренные значения частот релаксационных колебаний.

Из выражения (11) видно, что результат определения температуры не зависит от параметров В и I_o p-n-перехода, параметров времязадающей цепи, т. е. от R и C. В результате этого достигается повышение точности преобразования температуры в частоту и определения ее истинного значения.

Действительно, относительное изменение частоты

f = = = ln a (12) также не зависит от параметров В, I_o, V_п, R и С.

Работа устройства заключается в следующем.

После включения источника питания (на фиг.1 он не показан) на выходе источника 1 опорного напряжения появится стабильное напряжение. Выходное напряжение V_о с выхода делителя напряжения, состоящего из последовательно соединенных резисторов 3 и 4, поступает через токоограничивающий резистор 5 на инвертирующий вход операционного усилителя 14. На прямой вход операционного усилителя 14 поступает напряжение с выхода делителя напряжения, образованного резистором 6 (или 7) и полупроводниковым датчиком 11 (или резистором 10) и подключенного к источнику 1 опорного напряжения.

На выходе операционного усилителя 14 формируются релаксационные колебания частоты f путем периодического заряда интегрирующего конденсатора 13 током, пропорциональным разности напряжений между указанными делителями напряжений, до момента равенства нарастающего значения падения напряжения V_к на конденсаторе 13 заданному значению V_оп. При достижении равенства ключ 12 срабатывает и конденсатор 13 разряжается. Процесс заряда-разряда конденсатора 13 циклически повторяется.

С помощью формирователя 23 релаксационные колебания частоты f нормируются по амплитуде и длительности и поступают на вычитающий вход реверсивного счетчика импульсов 21. На вход предустановки счетчика 21 поступает код числа N_o= (m₁+m₂) < <N, где N₁ - емкость реверсивного счетчика импульсов; m₁ - число импульсов; характеризующих переходной процесс, в пакете колебаний; m₂ - число импульсов, частота следования которых подлежит измерению. Так, если N_o=5+10=15, то после поступления на реверсивный счетчик 21 N_o=15 импульсов на входе переполнения "Р" появится сигнал переполнения, который осуществляет перезапись кода N_o в счетчик 21 и переводит первый триггер 18 в противоположное состояние, при котором в новое состояние установится и второй триггер 19. Задним фронтом сигнала с выхода второго триггера 19 запускается формирователь 20 импульса сброса. Выходной сигнал формирователя 20 устанавливает триггеры 18 и 19 в исходное состояние.

При этом первый, второй и третий переключатели 15, 16 и 17 устанавливаются в положения, указанные на фиг.1, при которых прямой вход операционного усилителя 14 будет подключен к делителю напряжения, состоящему из резистора 6 и датчика 11. В результате заряд конденсатора 13 будет осуществляться током I_к1, пропорциональным разности опорного напряжения V_о (на выходе делителя из резисторов 3 и 4) и падения напряжения V_п1 на p-n-переходе полупроводникового датчика 11 за счет тока I_д1=V_o/R₁, где R₁ - сопротивление резистора 7. Значение частоты релаксационных колебаний на выходе операционного усилителя 14 (или формирователя 23) определится выражением (2).

Выходной сигнал операционного усилителя 14 поступает через формирователь импульсов 23 на входы первого блока согласования 24 и вычитающий вход реверсивного счетчика импульсов 21. Сигнал с выхода блока согласования 24 через линию связи 26 и блок согласования 25 поступает на вход блока 27 обработки сигналов. В реверсивном счетчике импульсов 21 осуществляется подсчет импульсов, поступающих на его вход с частотой f₁ (7). Поскольку на информационные входы предустановки реверсивного счетчика импульсов 21 поступает с выхода задатчика числа 22 код числа N_o, то на выходе "-Р" cчетчика 21 появится сигнал переполнения по истечении N_o импульсов. Этот сигнал поступает на управляющий вход предустановки "V" реверсивного счетчика импульсов 21 и на счетный вход первого триггера 18. Последний переводится в состояние, при котором второй и третий переключатели 16 и 17 устанавливаются в положения, противоположные указанному на фиг.1. В результате к прямому входу операционного усилителя 14 подключится делитель напряжения, состоящий из резистора 7 и датчика 11.

Сопротивление резистора 6 выбирают таким, чтобы обеспечить через p-n-переход датчика 11 протекание тока I_д2=(1,05...1,1)I_д1= =V_o/R₂ (где R₂ - сопротивление резистора 7), т. е. тока, отличающегося от первоначального значения на 5. ..10%, которое практически не изменяет теплового сопротивления p-n-перехода.

При прохождении тока I_д2 через p-n-переход датчика 11 увеличится падение напряжения V_п2 на последнем. В результате заряд конденсатора 13 станет проводиться под действием тока I_д2, пропорционального разности опорного напряжения V_о, и падения напряжения V_п2. В этом случае частота релаксационных колебаний на выходе операционного усилителя 14 из-за изменения крутизны преобразования уменьшится до значения f₂ (9). С выхода формирователя импульсов 23 сигнал с частотой f₂ также поступает через согласующие блоки 24, 35 и линию связи 26 на блок 27 обработки сигналов. С другой стороны этот же сигнал поступает и на счетный вход реверсивного счетчика импульсов 21. Через N_o импульсов на выходе переполнения "-Р" реверсивного счетчика импульсов 21 появится сигнал, который осуществляет перезапись числа N_o в счетчик 21 и устанавливает первый триггер 18 в исходное состояние. При этом второй и третий переключатели 16 и 17 переводятся в положения, указанные на фиг. 1, а второй триггер 19 переводится в противоположное состояние, при котором первый переключатель 15 установится в положение, противоположное указанному на фиг.1.

В результате к прямому входу операционного усилителя 14 будет подключен делитель напряжения, состоящий из последовательно включенных образцовых резисторов 8 и 10. Выходной сигнал V_п3 этого делителя напряжения поступает на прямой вход операционного усилителя 11. При этом коэффициент деления делителя напряжения выбирают равным n, т.е. V_п3=V_o/n, где n=10...20.

Заряд конденсатора 13 будет осуществляться током I_д3, пропорциональным стабильной разности напряжений между опорным напряжением V_o и его n-й частью (т. е. V_п3), которая составляет 90...95% значения разности напряжений, соответствующей верхнему пределу преобразуемой температуры.

В указанном положении переключателей 16, 17 и 15 на выходе операционного усилителя 14 формируются релаксационные колебания частоты f₃ (10). Эти колебания нормируются по амплитуде и длительности в формирователе импульсов 23. Его выходной сигнал также поступает на вычитающий вход реверсивного счетчика импульсов 19 и через блоки согласования 24, 25 и линию связи 26 на блок 27 обработки сигналов. Через N_o импульсов триггеры 18 и 19 и переключатели 15, 16 и 17 устанавливаются в исходное состояние, а за это время в блоке 27 осуществляется обработки результатов измерений значений частот f₁, f₂ и f₃ согласно выражения (11). В качестве блока обработки сигналов 27 может быть использован серийно выпускаемый микропроцессорный частотомер, запрограммированный на последовательную обработку пакетов колебаний трех частот: f₁, f₂ и f₃.

В качестве блока 27 обработки сигналов целесообразно использовать специализированный арифметический блок, работающий по жесткой логике.

Рассмотрим работу специализированного блока 27 обработки сигналов. Сигналы с частотами f₁, f₂ и f₃ поочередно поступают через второй блок согласования 25 на вход формирователя 28 коротких импульсов и вход частотного детектора 29 (фиг.2). Формирователь 28 коротких импульсов восстанавливает форму сигналов (амплитуду и длительность), искаженных при прохождении их через линию связи 26 и блоки согласования 24 и 25 (фиг.3, а).

На выходе частотного детектора 29 формируется аналоговый сигнал (фиг.3, б), характеризующий значения частоты входного сигнала и моменты времени их изменений. Дифференцирующая цепь 30 осуществляет выделение моментов времени изменения значений частот входного сигнала (фиг.3, в). С помощью формирователей импульсов 39 и 40 управления выделяются соответственно положительные и отрицательные импульсы продифференцированного выходного сигнала частотного детектора 29, которые одновременно нормируются по амплитуде, длительности и полярности (фиг.3, г и 3, д). Выходными импульсами второго формирователя 40 (см. фиг.3, г) осуществляется установка исходного состояния счетчиков импульсов 35, 36 и 41. Выходные импульсы формирователя 40 (фиг.3, д) поступают на счетчик импульсов 41, который формирует коды управления процессом обработки результатов измерений значений частот входного сигнала блока 27 обработки сигналов. Выходной код счетчика 41 через регистр 42 поступает по общей шине 46 в блок формирования результирующего кода (микроЭВМ) 45. Коды преобразованных значений частот с выхода преобразователя "частота-код" 43 поступают через общую шину 46 в память блока 45.

Особенностью работы блока 27 обработки сигналов является исключение из процесса измерения части сигнала (фиг.3, е), нестабильность частоты которого обусловлена переходными процессами в преобразователе температуры в частоту. Для этого в блок 27 обработки сигналов введены триггер 37, элементы И-НЕ 31 и 32, реверсивный счетчик импульсов 36 и задатчик числа 33, соединенные согласно фиг.2.

Первый импульс с выхода первого формирователя 39 импульсов управления (фиг. 3, д) поступает через элемент И 38, выполняющего функцию элемента ИЛИ для сигнала логического нуля, на вход установки нуля триггера 37. Положительный потенциал на инверсном выходе триггера 37 разрешает прохождение входных импульсов через элемент И-НЕ 31 на вычитающий вход реверсивного счетчика импульсов 36, в который предварительно записан код числа m₁ с помощью задатчика числа 33. Последний устанавливает то число импульсов, которое должно быть записано в счетчик 36 в течение времени окончания переходного процесса. При поступлении m₁ импульсов на выходе переполнения "-Р" реверсивного счетчика импульсов 36 появится сигнал, устанавливающий триггер 37 в единицу. Прохождение импульсов через элемент И-НЕ 31 запрещается, а разрешается прохождение этих импульсов через элемент И-НЕ 32 на вход преобразователя "частота-код" 43 и вычитающий выход второго реверсивного счетчика импульсов 35. В последний записан код числа m₂, характеризующий необходимое число импульсов для усреднения результатов преобразования частоты в код. При поступлении в реверсивный счетчик 35 m₂ импульсов на его выходе переполнения "-Р" появится сигнал (логический нуль), который через элемент И 38 поступает на вход установки нуля триггера 37, запрещая, тем самым, дальнейшее прохождение импульсов через элемент И-НЕ 32 на вход преобразователя "частота-код" 43.

Результат преобразования частота f₁ в код запоминается в памяти блока 45.

Следующий (второй) отрицательный импульс с выхода первого формирователя 39 импульсов управления поступает на счетчик 41 и через элемент И 38 на вход установки нуля триггера 37. Процесс формирования измерительного интервала временим повторяется аналогичным образом. Код частоты f₂ поступает в память блока 45. Третий импульс (фиг.3, д) в блоке 39 сопровождает сигнал с частотой f₃ и также обеспечивает формирование измерительного интервала времени, в течение которого осуществляется преобразование в код и усреднение (по необходимости) значений частоты f₃, поступивших в блок 45 с выхода преобразователя "частота-код" 43.

Поскольку в память блока 45 значения параметров q, k, h, lna заносятся заранее, то после поступления четвертого импульса в блоке 39 (фиг.3, д) на счетчик импульсов 41 на выходе последнего появится код или команда на вычисление значения температуры по алгоритму

T_x = , где lnR₁/R₂=lna=ln(I₂/I₁) - логарифм отношения токов, задаваемых образцовыми резисторами 6 и 8. Эта команда поступает на регистр 42, с которого считывается по запросу с блока 45. Результат вычисления отображается на цифровом отсчетном устройстве 44.