Расчет погрешности измерения датчика температуры

Температурные сенсоры

Введение.

Термочувствительный элемент представляет собой важнейшую часть любого температурного сенсора: в нем разность температур преобразуется в электрический сигнал. Благодаря многообразию свойств и явлений в веществах, которые зависят от температуры, существует большое количество методов ее измерения и, соответственно конструкций измерительных устройств, однако в термических сенсорах практическое применение получили четыре типа термочувствительных элементов: термопары, терморезисторы, транзисторы и термисторы. Диоды и транзисторы на диодном включении успешно используются в качестве термочувствительных элементов. Первые сообщения об их применении как простых и дешевых приборов для измерении температуры в интервале от -50⁰C и +150⁰C относятся к 1962 году. Дальнейшее расширение границ использования диодов и транзисторов наступило после появления технологии интегральных схем. Здесь наиболее перспективными оказались транзисторы.

Во-первых, потому, что в интегральных элементах основные элементы – транзисторы и по соображениям однотипности элементов гелеобразнее применять транзистор в диодном включении, нежели создавать диодную структуру. Во-вторых, воспроизводимость характеристик транзисторных структур в диодном варианте включения оказывается существенно лучше, чем у простых диодов. Это приводит к лучшей взаимозаменяемости элементов, что очень важно для практики.

Принцип работы.

Благодаря температурной зависимости ВАХ p-n перехода транзисторов и диодов их можно использовать в качестве термочувствительных элементов.

Зависимость тока от температуре мы можем наблюдать при снятии ВАХ транзистора.  При разных значения температуры наблюдается разное отклонение ВАХ от оси игрек.

Чувствительность к температуре определяется как S=dU/dT, которая и определяет метрологические характеристики диодов и транзисторов. В данных приборах чувствительность имеет слабо зависимый вид от температуры.

В данной схеме на рис1 показана два транзистора с одинаковым значением обратного тока I₀ , которые питаются токами I₁ и I₂.

Эта пара описываются след выражениями.

(2)

U₁=(kT/e)ln(I₁/I₀)                                                  

                                                  U₂=(kT/e)ln(I₂/I₀)

Измерение разности напряжений U=U₁-U₂ позволяет исключить влияние тока I₀:

Uр=(kT/e)ln(I₁/I₂)   (3)

Чувствительность к температуре такой пары транзисторов равна

S=(k/e)ln(I₁/I₂)  , где k/e=86,17мкВ\К                                                          (4)

Рис 1. Принципиальная схема датчика температуры.

Параметры транзистора.

КТ3102

КТ3102 (кремниевый транзистор, n-p-n)

Прибор	Предельные параметры									Параметры при T = 25°C										RТ п-с (RТ п-к), °C/Вт
			при T = 25°C
	IК, max мА	IК и. max мА	UКЭR max (UКЭ0 max), В	UКБ0 max, В	UЭБ0 max, В	PК max, (Pmax), мВт	T, °C	Tп max, °C	Tmax, °C	h21Э (h21э)	UКБ (UКЭ), В	IЭ (IК), мА	UКЭ нас, В	IКБ0, (IКЭR), мкА	fгр (fh21), МГц	Кш, дБ	CК, пФ	CЭ, пФ	tрас, мкс
КТ3102 А	100	200	(50)	50	5	(250)	25	125	85	100...250	5	2		0,05		10	6			400
КТ3102 Б	100	200	(50)	50	5	(250)	25	125	85	200...500	5	2		0,05		10	6			400
КТ3102 В	100	200	(30)	30	5	(250)	25	125	85	200...500	5	2		0,015		10	6			400
КТ3102 Г	100	200	20	20	5	(250)	25	125	85	400...1000	5	2		0,015		10	6			400
КТ3102 Д	100	200	(30)	30	5	(250)	25	125	85	200...500	5	2		0,015		4	6			400
КТ3102 Е	100	200	(50)	50	5	(250)	25	125	85	400...1000	5	2		0,015		4	6			400

ВАХ транзистора в диодном включении.

Рис 2. Прямая ветвь ВАХ транзистора.

Рис 3. Обратная ветвь ВАХ транзистора.

На основе ВАХ  транзистора подбираем сопротивление резисторов для питания элементов:

R=0,5кОм, тогда сопротивление резисторов R₁=10кОм R₂=3.3кОм

Е_пит=10В

Рис 4. Печатная плата датчика температуры.

Измерив падение потенциалов на резисторах R₁ и R₂ определяем токи которые протекают через них:

I₁=3.93 мкA

I₂=1.71 мкA

Чувстивтельность к температуре для данной схемы:

S=(k/e)ln(I₁/I₂)                                                       (5)

S= 54.109 мкВ/К

Рис 5. Преобразовательная характеристика датчика температуры.

Определяем чувствительность по преобразовательной характеристики:

S=50 мкВ/К

Данный датчик температуры был опробован при измерении температуры окружающей среды и данные датчика были сравнены с эталонным термометром. Погрешность измерения составило ± 1.5 ⁰С.

Министерство образования и науки РФ

НГТУ

Кафедра ППиМЭ

Практическая работа:

«ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДАТЧИК»

Факультет:  РЭФ

Группа:  РМС7-71

Выполнил:  Морозов А

Новосибирск, 2010