Осадчук В.С., Осадчук О.В. Мікроелектронні сенсори температури з частотним виходом

Подождите немного. Документ загружается.

140

імовірного характеру, що є основою для визначення інформаційних харак-

теристик. Якщо розглянути процес вимірювання як інформаційний, а кіль-

кість інформації, яку отримують під час вимірювання, як міру зменшення

невизначеності знань про об’єкт вимірювання, то приходимо до ряду важ-

ливих інформаційних характеристик засобів вимірювання, які можуть бути

використані в якості

окремих інформаційних критеріїв ефективності і яко-

сті [129–131].

Під час оцінювання засобів вимірювання потрібно також розглядати

питання економічної ефективності. Економічна ефективність визначає сту-

пінь сукупності: ефектом від функціонування засобів вимірювання за пев-

ний час, витратами на її розробку, виготовлення і експлуатацію [129–131].

При визначенні економічної ефективності засобів вимірювання як основні

критерії використовуються

наведені витрати і строки окупності капіталь-

них витрат. Наведені витрати визначаються, як сума собівартості і норма-

тивного прибутку [129–131]

СНК

ЗЕЗ

+ ,

де

– зведені витрати на одиницю продукції об’єкта, у якому використо-

вуються засоби вимірювання,

– собівартість одиниці продукції,

–

питомі капітальні вкладення у виробничі фонди,

– нормативний коефі-

цієнт капітальних вкладень, який є однаковим для всіх галузей виробницт-

ва.

Синтез первинних частотних перетворювачів необхідно починати з

вибору критерію оцінки ефективності. При цьому необхідно вибрати такий

критерій, який би дозволив синтезувати оптимальні пристрої з врахуван-

ням найбільш важливих показників ефективності [129, 130]. До цих показ-

ників в першу чергу

слід віднести:

•

показники технічних характеристик;

•

показники надійності та довговічності;

•

показники конструктивної досконалості;

•

показники складності пристрою;

•

показники технологічності.

Окрім цих вимог, критерій повинен мати певну конструктивність,

яка дозволяє визначити його числові значення, що допомагає оцінити ефе-

ктивність не тільки процесу або приладу самого по собі з точки зору на-

ближення його до потенціальної досконалості, але і порівняти за сукупніс-

тю однотипні прилади або процеси [130, 131]. Для отримання

кількісних

оцінок технічного рівня розроблених пристроїв скористаємося критеріями,

які запропоновані в роботах [130, 131]. Розрахунки комплексного показни-

ка технічного рівня виконуються за допомогою безрозмірних відносних

показників. Нормування показників

P , тобто розрахунки їх відносних

141

значень

q , виконуються за допомогою показників базового виробу

iб

P . В

якості базового використовують “ідеальний” виріб, який містить сукуп-

ність найвищих досягнень за всіма без винятку аналізованими показника-

ми для досліджуваної групи виробів. Розрахунки нормованих показників

виконуються за формулами

iб

= ,

iб

= . (5.1)

Для однорідних виробів комплексний показник розраховується згідно

lg( )

∑

, (5.2)

де n – число показників.

Для неоднорідних виробів комплексний показник визначається

(1 )

jij

=−

∑

. (5.3)

Розрахунки нормованих показників виконуються за тією формулою,

за якою зростання

q відповідає зростанню якості виробу. Чим менша аб-

солютна величина комплексного показника

N , тим вищий рівень

-го

виробу.

5.2. Рекомендації по проектуванню автогенератора

на основі транзисторних структур з від’ємним опором

В автоколивальних вимірювальних перетворювачах частотнозалежне

коло безпосередньо входить в генератор і джерелом вихідного сигналу є

сам генератор. До генератора при конструюванні вимірювачів висовуються

такі вимоги:

Генератор повинен стійко працювати в усьому діапазоні перебудови

частотнозалежної системи.

При постійному значенні вхідної величини вихідна частота повинна бу-

ти стабільною, при цьому не відбувається ні повільний дрейф (довгоча-

сова стабільність), ні швидкі флуктуації частоти (короткочасова стабі-

льність).

Вплив зовнішніх факторів – температури, напруг живлення тощо – по-

винен бути мінімальним.

Амплітуда і форма вихідної напруги генератора повинні відповідати

142

вимогам наступних вузлів пристроїв в усьому діапазоні перебудов і ро-

бочих умов.

Схема генератора повинна бути простою і надійною, некритичною до

зміни параметрів її елементів.

В автоколивальних перетворювачах в першу чергу повинні бути задо-

волені вимоги стабільності. Цю вимогу можна задовольнити найкращим

шляхом при побудові генератора у вигляді двополюсника, в якому існує

від’ємний опір, тому що такі схеми є простими і

мають добру стабільність

[112, 113, 133].

Під час проектування автогенераторного перетворювача необхідно

вибирати напівпровідникові структури з від’ємним опором, що легко реа-

лізуються на основі двох транзисторів з протилежним типом провідності

базової області для біполярних транзисторів і каналу для польових.

Ця умова підтверджується ще і тим, що як біполярні, так і польові

транзистори

виступають при цьому ще і в якості чутливих елементів до дії

зовнішніх факторів таких як температура, оптичне випромінювання, тиск і

магнітне поле. З другого боку, робоча частота транзисторів визначає робо-

чу частоту автогенераторних перетворювачів, а як відомо діапазон робочих

частот транзисторів є дуже широким (10

…10

Гц), тому це дає можли-

вість широкого вибору і регулювання частотного діапазону роботи пере-

творювачів.

Враховуючи, що інформація по колу перетворювачів передається по-

током енергії, першим і найбільш загальним принципом конструювання

вимірювальних перетворювачів є принцип забезпечення найбільш ефекти-

вної передачі енергії цими перетворювачами. Цей принцип випливає з тео-

рії електричних

кіл і є принцип узгодження вхідних і вихідних опорів пе-

ретворювачів. Згідно з теорією енергетичної ефективності генераторних

вимірювальних перетворювачів Е. П. Осадчого для визначення співвідно-

шень, які характеризують передачу енергії по колу перетворювачів, доста-

тньо проаналізувати таку передачу між двома будь-якими перетворювача-

ми, які ідуть один за одним. Якщо

попередній перетворювач (або об’єкт

вимірювання) характеризується вихідним внутрішнім опором

, на якому

в режимі холостого ходу виникає ЕРС Е, а наступний за ним перетворювач

є навантаженням для попереднього і має вихідний опір

, то потужність

сигналу, яка виділяється у

, має вигляд

() ()

HH H

iH i iH

EERR

PIR R

RR R RR

== ⋅=⋅

. (5.4)

У випадку генераторного перетворювача його внутрішній опір

не несе

інформації і може вважатися сталою величиною. Носієм інформації є

()

fx= , де

– вимірювана величина.

143

Для аналізу енергетичної ефективності генераторних перетворювачів

основним співвідношенням є вираз (5.4), в якому перший множник

характеризує параметри самого перетворювача, а другий

()

(5.5)

залежить від узгодження опору навантаження

і внутрішнього опору

перетворювача. При введенні поняття ступеня узгодження /

bRR= вид-

но, що b не залежить від абсолютних значень

, а є функцією тільки

їх відношення. Вираз (8.5) можна представити у вигляді

222

()1(2/)(/)(1)

iH H i

i H Hi Hi

RRRb

RRRRRb

== =

++ + +

Максимум потужності, яка виділяється на опорі навантаження гене-

раторного перетворювача, досягається при 1b

, тобто, коли

R= , і

складає

max

0,25 /

PER= .

Таким чином, показником енергетичної ефективності генераторних

перетворювачів є величина

R , яку можна розуміти як максимальну

потужність, що може розвинути генераторний перетворювач на власному

внутрішньому опорі

при короткому замиканні його виходу. Корисна

потужність сигналу пристрою на зовнішньому опорі навантаження

завжди складає деяку частину від

R , проте не може бути більшою ніж

0,25 /

R . Електрична енергія вихідного сигналу генераторного перетво-

рювача отримується тільки шляхом перетворення енергії, яка надходить

від об’єкта вимірювання. Після припинення надходження енергії від

об’єкта зникає і вихідний сигнал. Тому ефективність роботи генераторних

перетворювачів можна характеризувати значенням їх коефіцієнта корисної

дії як відношення потужності вихідного сигналу до потужності потоку

енергії

, яка надходить від об’єкта вимірювання.

Оцінювання частотної чутливості до зміни опору втрат

ТР

зробимо

на основі виразу [134]

2()

ВТР

ТР

−

⎛⎞

=−

⎜⎟

⎝⎠

, (5.6)

де

Q – добротність коливального контуру генератора,

ТР

– опір втрат

контуру,

()

−

– від’ємний опір.

144

Внаслідок того, що

()

ТР g

−

> частотна чутливість завжди відрізня-

ється від нуля. Аналіз виразу (5.6) показує, що

ТР

буде мати тим менше

значення, чим менше відрізняється значення опорів

ТР

()

−

. Тому

від’ємний опір, який є стійким до режиму короткого замикання для пара-

лельного контуру, повинен мати значення не набагато менше опору втрат

ТР

. З другого боку величина від’ємного опору повинна вибиратись та-

кою, щоб забезпечувався режим самозбудження, тобто вимоги малої чут-

ливості задовольняє такий генератор, який працює поблизу границі стійко-

сті.

Велике значення має добротність коливального контуру, тому що ча-

стотна чутливість зменшується пропорційно квадрату добротності

Q .

Перейдемо до оцінювання температурної нестабільності автогенера-

тора. Додаткова температурна похибка, яка виникає при відхиленні темпе-

ратури перетворювача від тої, при якій виконувалось його градуювання, у

більшості перетворювачів суттєво перевищує всі останні похибки. Тому

заходи по зменшенню температурної похибки складають основну задачу

при розробці перетворювачів, а правильне відображення ступеня змен-

шення температурної похибки складає основну задачу при розробці часто-

тних перетворювачів у загальному виразі об’єму можливостей приладу і

має першочергове значення [103].

Діапазон зміни температури перетворювача в робочих умовах від мі-

німальної

min

T до

max

T лежить звичайно як нижче, так і вище температури

градуювання. При цьому температурна похибка перетворювача при

min

T і

max

має, як правило, протилежні знаки, проте нормується однією величи-

ною як

± . Тому середнє значення температурного коефіцієнта перетво-

рювача можна виразити як

2/T

Δ , де

max min

TT T

=−. Розробник пе-

ретворювача всіма можливими методами (підбором матеріалів з відповід-

ними температурними коефіцієнтами, введенням кіл температурної корек-

ції тощо) намагається зменшити температурний коефіцієнт

перетворю-

вача. Проте досягнення малих значень

суттєво залежить від протяжнос-

ті діапазону TΔ . При малій протяжності діапазону T

досягнення малих

значень

є суттєво більш легким, ніж при більш широких діапазонах.

Проте, якщо вважати, що ефективність конструкції перетворювача

визначається відношенням

, то при підстановці виразу для

отри-

маємо [103]

00 0

()

2/ 2

TT T

γγ

ΔΔ Δ

. (5.7)

145

Аналіз (5.7) показує, що температурна похибка

зростає при збільшенні

діапазону TΔ робочих температур пропорційно квадрату TΔ .

Таким чином, проведено аналіз і визначено аналітичні вирази для

енергетичних і метрологічних критеріїв ефективності автогенератора, який

є основним елементом частотних перетворювачів. На рис. 5.1–5.10 показа-

ні графіки цих залежностей, що дозволяють вибрати найкращі режими ро-

боти автогенератора і згідно з

цими режимами спроектувати автогенератор

з оптимальними властивостями для частотних перетворювачів.

Рис. 5.1. Залежність коефіцієнта корисної

дії генератора від напруги живлення при

різних відношеннях опору до опору наван-

таження

Рис. 5.2. Залежність вихідної потужно-

сті генератора від напруги живлення

при різних відношеннях опору до опо-

ру навантаження

Рис. 5.3. Залежність від’ємного опору від

напруги живлення при різних відношен-

нях опору до опору навантаження

Рис. 5.4. Залежність коефіцієнта неста-

більності за частотою від напруги жив-

лення при різних змінах керуючої на-

пруги

146

Рис. 5.5. Залежність коефіцієнта нестабі-

льності за частотою від температури при

різних відхиленнях температури

Рис. 5.6. Залежність чутливості за часто-

тою від напруги живлення при різних

відношеннях від’ємного опору і опору

навантаження

Рис. 5.7. Залежність чутливості за ампліту-

дою від напруги живлення при різних від-

ношеннях від’ємного опору до опору втрат

Рис. 5.8. Залежність чутливості за часто-

тою від опору втрат

Рис. 5.9. Залежність чутливості за часто-

тою від добротності коливальної системи

Рис. 5.10. Залежність чутливості за ам-

плітудою від опору втрат

147

5.3. Рекомендації по проектуванню частотних

температурних перетворювачів

Термочутливими елементами в частотних температурних перетво-

рювачах є металеві опори, напівпровідникові опори та біполярні транзис-

тори. З точки зору технології виготовлення схем перетворювачів найкра-

щими температурними елементами є біполярні транзистори, проте вони не

дозволяють вимірювати температури вище 120 ºС, тому для вимірювання

більш високих температур необхідно використовувати металеві опори. Для

точного

вимірювання температури в діапазоні від –200 ºС до 850 ºС засто-

совуються термочутливі елементи з нікелю і платини.

Найбільш дешеві вимірювальні опори Pt-100 виготовляються у тон-

коплівковому вигляді. Вони складаються з тонкої (0,6 мм) керамічної під-

кладки, на яку методом катодного розпилення напилюється шар платини

товщиною 2 мкм. В напиленому шарі лазером випалюють орнамент у

фо-

рмі меандру і проводять тонку доводку. Після цього методом термокомп-

ресійної зварки виготовляють контактні виводи і потім активний платино-

вий шар покривають керамічним ізолюючим шаром товщиною 10 мкм.

Для підвищення чутливості вимірювальних опорів в діапазоні темпе-

ратур від –80 ºС до +240 ºС використовуються терморезистори з від’ємним

температурним коефіцієнтом. Це клас

напівпровідникових резисторів, опір

яких зменшується при підвищенні температури. Температурний коефіцієнт

складає 3-6 %/К, що у 10 разів більше, ніж у платинових або нікелевих ре-

зисторів. Терморезистори складаються з полікристалічної суміші різних

спечених оксидів, наприклад Fe

(шпінель), Zn

TiO

, MgCz

, TiO

або

NiO і CoO з Li

O. Процес спікання здійснюється при 1000…1400 ºС. Далі

виготовляють контакти шляхом впікання срібної пасти. Для забезпечення

високої стабільності опору терморезистори після спікання піддають штуч-

ному старінню. За допомогою спеціальних режимів обробки досягається

висока стабільність опору.

Температурна характеристика терморезистора описується рівнянням

[7, 8]

exp

RR B

⎡

⎤

⎛⎞

=−

⎢

⎥

⎜⎟

⎝⎠

⎣

⎦

де ,

R – відповідно опір при температурах T і

T (у градусах Кельві-

на),

– коефіцієнт, який характеризує матеріал терморезистора, що має

розмірність К, при цьому температурний коефіцієнт дорівнює (-В/Т

Температурна характеристика терморезисторів при різних значеннях

подана на рис. 5.11. Як видно з графіка, найбільшу температурну чутли-

вість мають терморезистори з найбільшим значенням B, проте їх темпера-

турний діапазон роботи значно скорочується (від –40 ºС до +120 ºС) [10].

148

Рис. 5.11. Робочі характеристики терморезисторів

з від’ємним ТКС, які відрізняються значенням

Перейдемо до розгляду біполярних транзисторів в якості термочут-

ливих елементів частотних температурних перетворювачів, тому що біпо-

лярні транзистори мають кращу залежність параметрів від температури

ніж польові [11, 14, 15]. З біполярних транзисторів необхідно вибрати кре-

мнієві транзистори, тому що коефіцієнт теплопровідності кремнію складає

1,5 Вт/см

, а германію – 0,6 Вт/см

, окрім цього кремнієві біполярні тран-

зистори працюють до +120 ºС, а германієві до +80 ºС. Одночасно біполярні

транзистори виступають як активні елементи автогенератора, утворюючи

ємнісну та індуктивну компоненти коливального контуру автогенератора.

З другого боку транзистори визначають робочу частоту температурного

перетворювача, тому при їх проектуванні необхідно, щоб гранична частота

біполярних транзисторів завжди була

більшою ніж робоча частота пере-

творювачів. Як показали теоретичні та експериментальні дослідження, ро-

боча частота перетворювачів повинна складати (0,1…0,3) від значень гра-

ничної частоти [58, 69].

Енергетична ефективність мікроелектронних частотних перетворю-

вачів температури має вигляд

012

8()

екв K

LET T

−

, (5.8)

де

– частота генерації,

U – вихідна змінна напруга,

екв

– еквівалентна

індуктивність коливального контуру перетворювача,

– коефіцієнт на-

гріву (мВт/

С),

,TT – значення температур за існування вихідної напруги і

за її відсутності.

149

Аналіз (5.8) показує, що з підвищенням частоти і еквівалентної інду-

ктивності енергетична ефективність зменшується. Проте в цьому висновку

існує протиріччя, тому що із зменшенням величини індуктивності збіль-

шується робоча частота. Таким чином, вибір оптимальної частоти визнача-

ється максимальним коефіцієнтом корисної дії генератора, яка, у свою чер-

гу, визначає оптимальне значення

величини індуктивності.

Одним із основних показників якості термочутливих елементів є ко-

ефіцієнт корисної дії, який характеризується відношенням вихідної потуж-

ності до потужності теплового випромінювання, яке поглинає термочутли-

вий елемент.

Розрахунки коефіцієнта корисної дії і чутливості показують, що най-

більшу чутливість мають терморезистори (3,4 %/ºС) при значенні ККД ~

50 %, біполярні транзистори мають

ККД 7,4 % при чутливості 2,2 %/ºС.

Коефіцієнт корисної дії металевих термоопорів складає 8 %, а чутливість

0,3 %/ºС (зміна опору у відсотках на 1 ºС). Таким чином, напівпровідникові

термічні опори і біполярні транзистори є оптимальними термочутливими

елементами частотних перетворювачів.

Перейдемо до аналізу температурних перетворювачів з точки зору їх

оптимального конструювання. На рис. 5.12 подано залежність коефіцієнта

корисної

дії перетворювачів від напруги живлення для різних конструкцій.

Як видно з графіка, найбільшу величину ККД (92 %) має пристрій у якому

в якості термочутливого елемента використовується терморезистор. Опти-

мальним діапазоном живлення перетворювача є діапазон від 7,2 В до 7,7 В.

На рис. 5.13а, б показані залежності функції перетворення і чутливо-

сті. З аналізу видно

, що температурний перетворювач з активним індукти-

вним елементом має найкращу чутливість, причому в інтервалі температур

від 20 ºС до 80 ºС величина чутливості майже не змінюється.

Рис. 5.12. Залежність коефіцієнта корисної дії термочутливих перетворю-

вачів від напруги живлення для різних конструкцій: 1 – два біполярні тран-

зистори; 2 – напівпровідниковий опір; 3 – металевий опір; 4 – перетворю-

вач з активною індуктивністю