Измерение температуры с помощью диодов

И транзисторов

 

Термодиоды и термотранзисторы находят применение в датчиках температуры, работающих в диапазоне от –80 до +150 ºС. Верхняя граница температурного диапазона ограничивается тепловым пробоем p-n перехода и для некоторых кремниевых датчиков достигает 500 ºС. Нижняя граница температурного диапазона определяется уменьшением концентрации основных носителей и может достигать для датчиков из Ge – (240 – 260) ºС, из Si – (–200 ºС).

Связь между током I через p-n переход и падением напряжения U на нем определяется уравнением

 

I = I₀e^-B/T(e^qU/(kT) – 1), (3.7)

 

где I₀e^-B/T = I_нас – ток насыщения, зависящий от температуры Т; I₀ – ток насыщения при Т → ∞; q – заряд электрона; k – постоянная Больцмана.

Это уравнение определяет ток через p-n переход как при прямом, так и при обратном смещении. Учитывая, что при Т = 300 К kT/q = 26 мВ, при напряжениях на переходе > 26 мВ можно пользоваться приближенными формулами для прямого и обратного токов

 

I_пр = I₀ e^-B/T e^qU/(kT), I_обр = I₀e^-B/T. (3.8)

 

Прямой и обратный токи являются функциями температуры, однако для измерения температуры чаще используются открытые p-n переходы. Падение напряжения на открытом переходе при токе I через переход определяется формулой

 

U = [kT ln(I/I₀) + kB]/q, (3.9)

 

из которой видно, что U линейно зависит от Т и уменьшается с увеличением температуры (I₀ >> I). Температурная чувствительность p-n перехода по напряжению составляет 1,5 – 2,5 мВ/К. Сравнивая эту величину с чувствительностью термопар, видно, что p-n переходы в 100 раз чувствительнее термопар. Используемые для измерения температуры элементы – диоды и транзисторы, включенные по схеме диода (коллектор замкнут на базу), питаются постоянным током I в прямом направлении, напряжение U на выводах, зависящее от температуры, является выходной электрической величиной датчиков, изображенных на рис. 3.1.

Микроэлектронная технология дает возможность изготовить оба транзистора датчика, изображенного на рис. 3.1,в, в виде интегральной схемы на одном кристалле.

 

Конструкции и параметры датчиков температуры

Термопары

Диапазон температур, в котором применима термопара, ограничиваются при низких температурах снижением термоэлектрической способности, а при высоких – опасностью проникновения примесей из внешней среды, испарением одного из компонентов сплава термопары, рекристаллизацией, плавлением и др. В табл. 3.1 указаны рабочие диапазоны температур для термопар основных типов и точность стандартных термопар. Максимальная рабочая температура будет тем ниже, чем тоньше проволока. У термопар типов B, R, S проволока должна быть изолирована от металлического корпуса слоем окиси алюминия для предотвращения диффузии паров металла оболочки в проводники термопары. Если термопара облучается потоком нейтронов, нельзя применять металлы, в которых могут произойти ядерные превращения, например, родий и медь; железо и никель в этих условиях стабильны.

 

а б в

 

Рис. 3.1. Элементы, используемые в качестве датчиков

температуры: а – диод; б – транзистор, включенный по схеме диода; в – пара транзисторов, включенных по схеме диода

 

Спай термопары должен иметь малый объем, чтобы не было неравномерностей температуры в различных точках. Чтобы избежать контакта за пределами измерительных спаев, проволока пропускается через керамические изоляторы, которые должны быть химически инертными и иметь большое сопротивление при высокой температуре.

Таблица 3.1

 

Основные типы термопар и их технические характеристики

 

Термопара	Диапазон температур, ºС	Термоэдс, мВ	Погрешность
Cu -константан, тип Т	(–270) – 370	(-6,258) – +19,027	±2 % (–100) – (–40) ºС ±0,8 % (–40) – 100 ºС ±0,75 % 100 – 350 ºС
Fe-констан- тан, тип I	(–210) – 800	(–8,096) – 45,498	±3 % 0 – 400 ºС ±0,75 % 400 – 800 ºС
Хромель-алюмель, тип К	(–270) –	(–5,354) – 50,633	±3 % 0 – 400 ºС ±0,75 % 400 – 1250 ºС
Хромель-константан, тип Е	(–270) – 870	(–9,835) – 66,473	±3 % 0 – 400 ºС ±0,75 % 400 – 870 ºС
Платиноро-дий (Rh 10 %) - Pt, тип S	(–50) – 1500	(–0,236) – 15,576	±2,5 % 0 – 600 ºС ±0,4 % 600 – 1500 ºС
Платиноро-дий (Rh 13 %) - Pt, тип R	(–50) – 1500	(–0,226) – 17,445	±1,4 % 0 – 538 ºС ±0,25 % 538 – 1500 ºС
Платиноро-дий (Rh 30 %)- платинородий (Rh 6 %), тип В	0 – 1700	0 – 12,426	±0,5% 870 – 1700 ºС
Вольфрам-рений(Re 5 %)-вольф-рам-рений (Re 2 %)	0 – 2760	0 – 38,45

Отечественной промышленностью выпускаются следующие типы термопар: хромель – копель, тип ТХК; хромель – алюмель, тип ТХА; платинородий (10 %) – платина, тип ТПП; платинородий (30 %) – платинородий (6 %), тип ТПР; вольфрам-рений (5 %) – вольфрам-рений (20 %), тип ТВР. Градуировочные таблицы для этих термопар приведены в ГОСТ Р 8.585 – 2001. Рабочий спай термопары может быть открытым или закрытым (защищенным от окружающей среды), что увеличивает тепловую инерционность термопары. Тепловая инерционность термопары определяется постоянной времени, для этого она погружается в воду с температурой, отличной от температуры окружающей среды. Постоянная времени – это время, в течение которого температура термопары изменится на 63 % (в е раз). Постоянная времени промышленных термопар составляет от 5 до 180 с.

Значительно снизить постоянную времени позволяют тонкопленочные термопары, полученные соединением двух пленок разных металлов. Такие термопары бывают двух типов типов: в виде пленок на съемном носителе и в виде матрицы с датчиком, встроенным в тонкий многослойный материал. Толщина металлической фольги, используемой в таких термопарах, составляет около 5 мкм, это объясняет малое значение постоянной времени таких термопар – 10 мс.