О Тимчук, Ю Яцук - Покращення метрологічних характеристик цифрових напівпровідникових термометрів - страница 1

Страницы:
1  2  3 

УДК 53.08; 536.53; 621.31

ПОКРАЩЕННЯ МЕТРОЛОГІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИФРОВИХ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ТЕРМОМЕТРІВ

© Олександр Тимчук, ЮрійЯцук, 2010

Національний університет "Львівська політехніка", кафедра метрології, стандартизації та сертифікації,

вул. С. Бандери, 12, 79013, Львів, Україна

Проаналізовано схемотехнічну реалізацію вхідного уніфікованого кола для цифрових термометрів з напівпровідниковими сенсорами. Проаналізовано можливості зменшення складових похибки генератора модуляційного струму, описано його реалізацію на основі інтегрального помножувального ЦАП. Результати виконаних експериментальних досліджень цифрового термометра, побудованого за спрощеною схемою, показали добру збіжність з теоретичними припущеннями та практичну незалежність показів від впливу

опорів ліній зв 'язку.

Проанализирована схемотехническая реализация входной унифицированной структуры цифровых термометров с полупроводниковыми сенсорами. Проведен анализ возможных путей уменьшения составляющих погрешности генератора модуляционого тока, описана его реализация на базе интегрального умножающего ЦАП. Результаты экспериментальных исследований цифрового термометра, построенного по упрощенной схеме, показали хорошее совпадение с теоретическими предпосылками и практическую независимость показаний термометра от сопротивлений линий связи.

The input circuit for digital thermometer with outside semiconductor sensor is analyzed in this paper. The analyze is showed that is needed to reduce data errors of the generator modulation current. So are rational generator modulation current changes to integration resistors multiplying DAC. This paper is consisted experimental investigation ofthe digital thermometer that is designed by easily circuit. Was investigation that in designed digital thermometer was provided independence measure temperature from resistance line communication.

Вступ. Основним недоліком практичного вико-       перетворення діодних термометрів з похибкою десяті

ристання  напівпровідникових   сенсорів  температури  частки Кельвіна у діапазоні вимірювання (-60...+200)оС

(НСТ) є великий (до десятків процентів) розкид їх          [10,   11].   Виконані  дослідження  показали,   що на

характеристик перетворення від зразка до зразка, що      практиці спостерігається дещо більше значення похибки

вимагає детального аналізу особливостей побудови       до ±0,7 К під час використання НСТ на основі серійних

цифрових термометрів із урахуванням основних конст- діодів у діапазоні вимірювання (0...+100)оС [12].
руктивних і технологічних параметрів p-n-переходів [1-
5].
Для опису характеристик p-n-переходів викорис-  Постановка задачі досліджень. Як показав аналіз,

товується ряд математичних моделей, які тією чи іншою           необхідно розглянути можливості покращення пара-

мірою деталізують опис фізичних процесів, що відбу-    метрів цифрових термометрів для роботи з напівпро-

ваються в них [6-8]. Однак аналіз показав, що серед       відниковими сенсорами температури з урахуванням

низки  відомих  математичних  моделей  [1-9]  певні      уточненої їх математичної моделі і явищ, пов'язаних з

переваги має теоретико-емпірична модель, яка основана           особливостями   протікання   струму   через прямо-

на фундаментальних співвідношеннях теорії напівпро-  зміщений p-n-перехід, можливостей сучасної елемент-

відників - формулах Шоклі та Молла-Еберса [8].   ної бази та інформаційних технологій. Тому опти-

Детальніший  аналіз  показав,   що  параметри  таких     мізація   побудови   структури  цифрового напівпро-

моделей індивідуальні для кожного НСТ, а на практиці відникового термометра, придатної для інтегрального

це призводить до необхідності підстроювання функції   виконання, є актуальною проблемою.
передачі термометра
[9]. Запропоновано, обґрунтовано

та теоретично показано, що під час використання ме-    Аналіз метрологічних властивостей цифрових

тоду модуляції вимірювальних струмів для трьох його   діодних термометрів. Доволі великі значення спадів

значень можна забезпечувати уніфікацію характеристик            напруги  на  прямозміщеному  p-n-переході (десяті


1

1

I

1 +

1+

+ ег

частки вольта) та його температурних змін (-2 мВ/К) ускладнюють практичну реалізацію методу уніфікації за допомогою модуляції вимірювальних струмів, оскільки інформативним сигналом при цьому є порівняно невелика різниця (десятки мілівольт) спадів напруги на p-n-переході за різних значень струмів. Аналіз співвідношень показує, що метрологічні влас­тивості термометрів з модуляцією вимірювальних струмів сенсорів з p-n-переходом передусім залежать від точності задання значень цих струмів (рис.1). Вираз для вихідних струмів подамо співвідношенням:

1

е

ГС

1 +1/кг

1 + кг

Pi U ГС

1

(1)

 

І­зменшення впливу адитивного виразу (1) слід викорис­тати ОП з польовими транзисторами на вході, максималь­не значення вхідних струмів яких становить лише частки наноампера. З урахуванням зроблених припущень вираз вихідногострумуГС Ii можна переписати як:

Ii =(VRc )[l^iU ГС       - Uj (1 + )]+

+1 гс/ (1 + U^U гс ),(2)

де     А КПН = єкпн + егс/(1 + V кгс ).

Однак, як показує детальніший аналіз, навіть під час використання прецизійних ОП не забезпечуються висока температурна стабільність та малі часові зміни вихідних струмів ГС, а також є необхідність у встановленні розрахункових значень вимірювальних струмів. Останнє зумовлено потребою забезпечення інваріантності до значення опорів з' єднувальних лі­ній - адитивної складової похибки термометра та чутливості перетворення мультиплікативної складової похибки.

Справді, вираз похибки ЦТ АТГС, зумовленої по­хибками генератора модуляційних струмів, подамо так

+

АГгс =[(2і1„8р1 -і2„8р2 -13„5р3- 11н -13„)sгс-5RC)]

12hi3h

2

121h

(3)

1+11,

(1 + hcclhi

TRC (1 + kГ i ГС (SP2 +s ГС л

СІІ     [1] + [2]3ССІІ

+ -LJ-ln-?        v .

£т      (1 + si 2 X[3] +s/3 )

де

І = p1HUГс/RСН ,   1 = p2HUГс/RСН ,   І = p3HUГС /R С

S

R34

номінальні значення модуляційних струмів;

XARi/ X R„

i=1

 

1+XARi/ X R„

S R4-X ARi/ ^R„

i=1 i=1

i=1

SP2 =

R234

1+XARi/ X R„

SP3 =

 

XARi/ X R„

відносні похибки коефі-

1+XARi/ X R„

цієнтів поділу p1, p2, p3, подільника ПНЗ, що задають значення струмів, відповідно, І1, І2, І3; RC = RCH(1+ SRC),RЛ - відповідно, опори струмо-задавального   резистора   та   з' єднувальних ліній;

a

RCH,SRC - номінальне значення та відносна похибка струмозадавального резистора; Src - відносна похибка джерела вхідної напруги Urc для генератора струму

2

ГС;   єТ = kln

in--- -- -   чутливість   сенсора   з р-n

q   2a -1

переходом при модуляції вимірювальних струмів;
((h = W^W^ = 2a -1);            p1 =(R3 + R4)/^Ri ,

p2 =              , p3 =(R2 + R3 + R4y^Ri - коефіцієнти

поділу    подільника    ПНЗ    (див.    рис.    1);    R1 ,

R2 = R2H(1 SR2) ,                         R3 = R3H(1 SR3) ,

s    =AR3 +AR4; s R3H R4H

R 4 = R 4H (1 sr4 ) - опори резисторів подільника ПНЗ; R2H,R3H,R4h,sr2,sr3,sr4 - відповідно, номінальне значення та відносні похибки резисторів R2, R3, R4 подільника ПНЗ;

= aR2 +aR3 +aR4 ;

R2H R3H R4H

AR2,AR3,AR4 - абсолютні похибки резисторів R2, R3, R4 ПНЗ; ARi - абсолютні похибки резисторів Ri з номінальними значеннями (і=1,2,3,4); I1CC = U^Rc, I2CC = UjRC,I3CC = U3/RC ; U1, U2, U3 - спад напруги на сенсорі, відповідно, при струмах I1, I2, I3.

Як зазначалось вище, для забезпечення інваріант­ності до опорів ліній зв' язку в ЦТ повинна вико­нуватись умова

2 + r4 )^ Ri - Rj ^ Ri -(«r + r3 + r4 )^ Ri = ((3 - r2 ZX Ri

- І - І = 0 аб°

uгс (2p1 - p2 - p3 ) = 00, а6°

(4)

Останнє співвідношення системи (4) еквівалентне виконанню умови R2=R3. На практиці виконання цієї умови вимагає здійснення операції підлаштування. Необоротні зміни параметрів елементів в часі та зміни умов довкілля призводять до порушення вказаної рівності і, як наслідок, частих повторних трудомістких операцій підлаштування.

Як показує аналіз, якщо за час вимірювання температури   значення   вхідної   напруги   U ГС та

струмозадавального опору Rc не змінюватиметься, то результат вимірювання ЦТ буде інваріантним до відповідних похибок Src та SRc. Значення похибок ЦТ

за виразом (3) оцінено за допомогою програмного пакета MathCAD. Справді, на підставі аналізу поданої на рис.2 температурної залежності похибки ATrc, спричиненої зміною значення вимірювального струму I1 = 10-6; 10-4; 10-3; 10-2 А, за умов, що значення інших впливних факторів призводитимуть до значно менших похибок (кГС = 107; Irc = 2•Ю-11 А; R1 = 200 Ом), A КПН = 1 мВ , робимо висновок, що значення похибки ЦТ, зумовленої впливом напруги зміщення, змен­шується зі зростанням вимірювального струму. Аналіз температурної залежності похибки цифрового термо­метра, спричиненої зміною еквівалентної напруги зміщення генератора струму (рис.2),показує, що для фіксованого значення вимірювального струму (криві 1-3) та зміни вимірювального струму для фіксованого значення напруги зміщення (криві 3-5) збільшення значень напруги зміщення призводить до значного зростання значення похибки ЦТ. Це може потребувати автоматичного коригування еквівалентної напруги зміщення ГС ЦТ.

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

О Тимчук, Ю Яцук - Покращення метрологічних характеристик цифрових напівпровідникових термометрів