PL151455B1

PL151455B1 - Sposób elektronicznej kalibracji termometru półprzewodnikowego

Info

Publication number: PL151455B1
Application number: PL25336285A
Authority: PL
Inventors: Jerzy Kuchta; Waclaw Pietrenko; Eugeniusz Goc; Adam Skiba
Original assignee: Politechnika Gdanska
Priority date: 1985-05-13
Filing date: 1985-05-13
Publication date: 1990-09-28
Also published as: PL253362A1

Description

RZECZPOSPOLITA OPIS PATENTOWY 151 455

POLSKA

Patent dodatkowy do patentu nr--Zgłoszono: 85 05 13 (P. 253362)

Int. Cl.⁵ G01K 15/00

Pierwszeństwo--URZĄD

PATENTOWY

RP

Zgłoszenie ogłoszono: 86 11 18

Opis patentowy opublikowano: 1991 02 28

Twórcy wynalazku: Jerzy Kuchta, Wacław Pietrenko, Eugeniusz Goc, Adam Skiba

Uprawniony z patentu: Politechnika Gdańska,

Gdańsk (Polska)

Sposób elektronicznej kalibracji termometru półprzewodnikowego

Przedmiotem wynalazku jest sposób elektronicznej kalibracji termometru półprzewodnikowego, który służy do dopasowania parametrów woltomierza do charakterystyki temperaturowej zastosowanego przetwornika temperatury na sygnał elektryczny, użytego w termometrze elektronicznym z sondą półprzewodnikową w postaci diody lub tranzystora. Wynalazek może znaleźć zastosowanie przy produkcji elektronicznych termometrów z odczytem cyfrowym i/lub analogowym oraz przy ich wykorzystywaniu w pracowniach i laboratoriach naukowych.

Dotychczas do kalibracji termometrów elektronicznych pracujących zarówno w oparciu o czujniki termoelektryczne lub termistorowe jak i w układach do pomiaru temperatury z wykorzystaniem czujników półprzewodnikowych takich jak dioda lub tranzystor stosowany był sposób opisany między innymi w książce Zbigniewa Szpakowskiego pt. „Układy scalone,w zastosowaniach, WKiŁ, Warszawa, 1977r. W sposobie tym zwanym termiczną metodą^iwupunktową kalibracja termometru elektronicznego odbywała się w ten sposób, że najpierw ustawiane było „zero na wyjściu termometru, w warunkach gdy czujnik temperatury umieszczony był w środowisku o temperaturze 0°C, podczas gdy sam wzmacniacz termometru znajdował się w normalnej temperaturze pracy. Następnie czujnik umieszcza się w środowisku o temperaturze maksymalnej dla danego czujnika i ustawia się wzmocnienie wzmacniacza termometru w ten sposób, aby otrzymać na wskaźniku termometru wskazanie równe temperaturze w jakiej znajduje się czujnik termometru.

Główną wadą dotychczas stosowanego sposobu termicznej kalibracji dwupunktowej jest to, że przy kalibracji termometru uwzględnia się napięcie czujnika temperatury tylko w dwóch wybranych do kalibracji temperaturach. Natomiast sposób ten nie uwzględnia nieliniowości charakterystyki temperaturowej czujnika, która występuje w praktyce. Skutek jest taki, że wskazania termometru skalibrowanego tym sposobem w szerokim zakresie temperatury, obarczone są dużym błędem wynikającym z nieliniowości charakterystyki temperaturowej czujnika i proporcjonalnym do maksymalnego odchylenia charakterystyki czujnika od linii prostej. Poza tym sposób termi2

151 455 cznej kalibracji dwupunktowej jest czasochłonny i kłopotliwy, gdyż wymaga długotrwałego utrzymywania stabilnej temperatury podczas kalibracji w danym punkcie pomiarowym temperatury.

Celem wynalazku jest szybkie wykalibrowanie termometru elektronicznego i zapewnienie możliwie dużej dokładności wskazań termometru w szerokim zakresie temperatury.

Sposób, według wynalazku , elektronicznej kalibracji termometru półprzewodnikowego, w którym kalibracji poddawany jest termometr elektroniczny współpracujący z sondą półprzewodnikową działającą na zasadzie proporcjonalności temperatury do napięcia przewodząco spolaryzowanego złącza PN, polega na tym, że w pomiarowym zakresie temperatur najpierw, przy pomocy woltomierza mierzy się charakterystykę temperaturową Ud/T/ czujnika temperatury w postaci złącza PN, zasilanego przewodząco ze źródła zasilania, a następnie wyznacza się parametry kalibracji w postaci wzmocnienia Km i napięcia odniesienia Uom wzmacniacza wejściowego termometru elektronicznego, po czym ze znanej, uprzednio pomierzonej charakterystyki temperaturowej Ud/T/ czujnika temperatury wybiera się dwa, znacznie różniące się od siebie, napięcia czujnika Udi i Ud₂ w użytecznym zakresie pomiarowym temperatur i dla tych wybranych napięć wyznacza się wskazania termometru elektronicznego odpowiednio Tmi i Tm2 z następujących zależności:

Tmi/Udi/ ⁼ Km · /Udi-Uom/

Tm2/Ud2/ —Km -/Ud2-U_Om/ następnie przy odłącznym, od wejścia termometru elektronicznego, czujniku temperatury wraz z jego źródłem zasilania, w pierwszej kolejności tak reguluje się napięcie odniesienia Uom termometru elektronicznego , ażeby na jego wskaźniku temperatury uzyskać uprzednio obliczone wskazania Tmi/Udi/, przy sterowaniu termometru elektronicznego zewnętrznym napięciem Udi >Ud2, po czym tak reguluje się wzmocnienie Km wzmacniacza wejściowego, włączonego na wejściu termometru elektronicznego, aby na jego wskaźniku temperatury uzyskać uprzednio obliczone wskazanie Tm2/Ud2/ przy sterowaniu termometru elektronicznego zewnętrznym napięciem Ud2 < Ud, .

Dla szerokiego zakresu pracy termometru elektronicznego stosuje się elektroniczną średniokwadratową metodę kalibracji, przy której z warunku minimum błędu średniokwadratowego wskazań termometru oblicza się parametry kalibracji to jest wzmocnienie Km i napięcie odniesienia Uom, z następujących zależności:

K_M = n · S4—S, · S3 n · S₂-S,· Si tt _ Km’Si-S3 Uom — n · Km gdzie:

n = Σ Udi i oznacza sumę pomierzonych napięć czujnika temperatury, i=l n

5₂ = Σ U²di i oznacza sumę kwadratów pomierzonych napięć czujnika temperatury, i=l n

Σ Tj i oznacza sumę temperatur w punktach pomiarowych, i=l n

Σ U_Di · T i oznacza sumę iloczynów pomierzonych napięć czujnika i temperatur w i = 1 poszczególnych punktach pomiarowych,

151 455

U_Di = Ud/T,/ i oznacza napięcie czujnika temperatury w i-tym punkcie pomiarowym, n —oznacza ilość punktów pomiarowych.

Dla wąskiego zakresu pracy termometru elektronicznego stosuje się elektroniczną metodę dwupunktowej kalibracji, przy której parametry kalibracji to jest napięcie odniesienia Uom i wzmocnienie Km określa się przy pomocy następujących zależności:

Uom= Ud2-Ti-Udi-T₂

Ti-T₂

K_M ^:

Ti

Udi-Uom gdzie:

Ti, T₂ — oznacza temperatury w dwóch różniących się od siebie punktach kalibracji termometru,

Udi =Ud/Ti/ i oznacza napięcie czujnika temperatury w punkcie Ti,

Ud2 = Ud/T₂/ i oznacza napięcie czujnika temperatury w punkcie T₂.

Korzyści techniczne wynikające ze stosowania sposobu kalibracji elektronicznej termometru półprzewodnikowego polegają między innymi na tym, że jest on mało czasochłonny, gdyż w bardzo oszczędny sposób operuje temperaturami w czasie zdejmowania charakterystyki temperaturowej czujnika. Natomiast zmiany napięć podawanych na wejście termometru podczas kalibracji elektronicznej, można dokonywać znacznie szybciej niż zmiany temperatury niezbędne przy dotychczas stosowanej termicznej metodzie dwupunktowej. Nie przedstawia trudności utrzymywanie stabilnego i dokładnego napięcia w czasie kalibracji, podczas gdy utrzymywanie odpowiednio stabilnej i dokładnej temperatury jest bardzo kłopotliwe.

Drugą podstawową zaletą stosowania sposobu kalibracji elektronicznej wg wynalazku jest to, że sposób ten przewiduje stosowanie elektronicznej metody dwupunktowej kalibracji tylko dla wąskiego zakresu mierzonych temperatur, kiedy to wpływ nieliniowości charakterystyki temperaturowej czujnika jest niezbyt duży. Natomiast dla szerokiego zakresu mierzonych temperatur sposób kalibracji wg wynalazku stosuje średniokwadratową metodę kalibracji, która z zasady swojej zmusza do korzystania z elektronicznego sposobu kalibracji. Metoda ta zapewnia znacznie lepszą dokładność termometru w szerokim zakresie temperatur, dla którego maksymalny błąd termometru wykalibrowanego metodą średniokwadratową praktycznie maleje o ok. 60% względem maksymalnego błędu termometru wykalibrowanego metodą dwupunktową w tym samym szerokim zakresie temperatur. Inną cenną zaletą średniokwadratowej metody kalibracji w szerokim zakresie temperatur jest prawie symetryczny rozkład błędów względem charakterystyki idealnej. Sposób kalibracji termometru wg wynalazku pozwala również oddzielić od siebie pomiary termiczne wykonywane na czujniku temperatury od procesu elektronicznej kalibracji samego termometru elektronicznego .

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przykładowy schemat połączeń układu do elektronicznej kalibracji termometru półprzewodnikowego współpracującego z sondą półprzewodnikową, natomiast fig. 2 przedstawia krzywe porównania maksymalnych błędów, otrzymanych w szerokim zakresie pomiarowym temperatur dla metody średniokwadratowej Ttm' /T/ oraz dla termicznej metody dwupunktowej Ptm/T/.

Przykładowy układ do elektronicznej kalibracji termometru półprzewodnikowego jest połączony w ten sposób, że jedno wejście czujnika temperatury 1 w postaci złącza PN połączone jest ze źródłem zasilania 2 wchodzącym w skład termometru elektronicznego 3, drugie wejście natomiast połączone jest z przełącznikiem dwupołożeniowym Pl. Biegun „2“ przełącznika Pl jest połączony, poprzez woltomierz WT z masą układu, natomiast biegun „1“ z biegunem „1“ przełącznika trójpołożeniowego P2. Biegun „2“ przełącznika P2 jest połączony z masą układu poprzez źródło napięcia zewnętrznego pierwszego Udi, natomiast biegun „3“ jest również połączony z masą układu, ale poprzez źródło napięcia zewnętrznego drugiego Ud2. Z kolei początek przełącznika

151 455 trójpołożeniowego P2 jest połączony z wejściem nieodwracającym „+“ wzmacniacza wejściowego 4, wchodzącego w skład termometru elektronicznego 3. Wejście odwracające tworzy z wyjściem tego wzmacniacza pętlę sprzężenia zwrotnego, w której jest włączone regulowane źródło napięcia odniesienia Uom oraz element regulacyjny wzmocnienia Km. Na wyjściu wzmacniacza 4 jest również włączony wskaźnik temperatury 5.

Sposób, według wynalazku, realizowany jest w ten sposób, że czujnik temperatury 1 w postaci złącza PN pełniący funkcję sondy półprzewodnikowej, należy umieścić w środowisku, którego temperaturę można zmienić w pełnym zakresie pomiarowym. Złącze PN należy zasilać w kierunku przewodzenia ze źródła zasilania 2, będącego integralną częścią miernika temperatury. Zmieniając temperaturę środowiska czujnika temperatury 1, za pomocą wysokiej klasy woltomierza WT, należy zmierzyć charakterystykę temperaturową Ud/T/ złącza PN minimum w 44-6 punktach pomiarowych w całym zakresie temperatur podczas stosowania średniokwadratowej metody kalibracji dla szerokiego zakresu temperatur termometru. Dla wąskiego zakresu temperatur użytecznych termometru charakterystykę temperaturową złącza PN wystarczy zmierzyć tylko w dwóch skrajnych punktach pomiarowych. Schemat połączeń dla tego cyklu kalibracji realizuje przykładowo na rysunku pokazanym na fig. 2 przełącznik P2 w pozycji na biegunie „2“.

W przypadku kalibracji termometru elektronicznego 3 przeznaczonego do pracy w szerokim zakresie temperatur należy zastosować średniokwadratową metodę kalibracji. Wtedy z pomierzonej charakterystyki temperaturowej Ud/T/ czujnika temperatury 1, stosując metodę najmniejszych kwadratów z warunku minimum błędu średniokwadratowego wskazań termometru należy wyznaczyć parametry kalibracji w postaci wzmocnienia Km i napięcia odniesienia Uom z następujących zależności:

rr _ Π ’ S4-S1 * S3 oraz n · S2—Si · Si tt _ Km'S-i-S3 , . Uom— ^sdz,e: n-K„ n

= Σ U_Di jest to suma pomierzonych napięć czujnika temperatury 1, i=l n

= Σ U²di jest to suma kwadratów pomierzonych napięć czujnika temperatury 1, i=l n

= Σ Tj jest to suma temperatur w punktach pomiarowych, i=l n

= Σ U_Di · Ti jest to suma iloczynów pomierzonych napięć i temperatur w poszczególnych i = 1 punktach pomiarowych,

U_Di = Ud/T,/ jest to napięcie czujnika temperatury 1 w i-tym punkcie pomiarowym, n — ilość punktów pomiarowych.

Natomiast w przypadku kalibracji termometru elektronicznego 3 przeznaczonego do pracy w wąskim zakresie temperatur na przykład w przypadku kalibracji elektronicznego termometru lekarskiego należy zastosować elektroniczną metodę dwupunktowej kalibracji, dla której parametry kalibracji Uom i Km należy obliczyć przy pomocy następujących zależności:

tt _ υ_Ο2·Τι-υ_ο1·Τ₂

Ti-T₂

151 455

Udi-Uom gdzie:

Τι, T2 są to temperatury w dwóch skrajnych punktach pomiarowych termometru,

Udi =Ud/Ti/ jest to napięcie czujnika temperatury 1 w punkcie T-i,

Ud2 = UD/T2/ jest to napięcie czujnika temperatury 1 W punkcie T2.

Po przeprowadzeniu stosowanych obliczeń i wyznaczeniu parametrów kalibracji Km i Uom można obliczyć jakie winny być wskazania termometru dla dowolnego napięcia Ud co można zrealizować na podstawie ogólnej zależności:

Tm ⁼ Km ' /Ud-Uom/

Z pomierzonej charakterystyki temperaturowej Ud/T/ czujnika temperatury 1 należy wybrać dwa znacznie różniące się od siebie napięcia czujnika Udi i Ud2 w użytecznym zakresie pomiarowym temperatur i dla tych wybranych napięć należy wyznaczyć wskazania termometru elektronicznego Tmi i Tm2 z następujących zależności:

Tmi/Udi/ ⁼ Km ‘ /Udi-Uom/

Tm₂/Ud₂/ = Km -/Ud2-Uom/ w szczególności dla:

Udi ⁼ Uom oraz Ud2 ⁼ 0 otrzymuje się Tmi =0 i Tm2 = -Km*Uom

Po wybraniu odpowiednich napięć Udi i Ud2, należy od wejścia termometru elektronicznego 3 odłączyć czujnik temperatury 1 wraz z jego źródłem zasilania 2, a do wejścia termometru elektronicznego 3 należy dołączyć najpierw napięcie Udi>Ud2 i tak regulować napięciem odniesienia Uom wzmacniacza wejściowego 4 termometru elektronicznego 3, ażeby na jego wskaźniku temperatury 5 uzyskać uprzednio obliczone wskazanie Tmi/Udi/. Potem na wejście termometru elektronicznego 3 należy podać napięcie Ud2<Udi i tak regulować wzmocnienie Km wzmacniacza wejściowego 4 termometru elektronicznego 3, aby na jego wskaźniku temperatury 5 uzyskać uprzednio obliczone wskazanie TM2/UD2/. Schemat połączeń dla tego cyklu kalibracji realizuje przykładowo na rysunku fig. 1 przełącznik P2 w pozycji „2“ i „3“.

Praktycznie dla szerokiego zakresu użytecznego termometru półprzewodnikowego napięcia kalibracyjne wybiera się w ten sposób, że Udi =Uom i aby jako wynik kalibracji uzyskać 0°C na wskaźniku temperatury 5 oraz Ud2 takie, aby wynik kalibracji mieścił się w górnej granicy dopuszczalnych wskazań miernika. Dla wąskiego zakresu użytecznego termometru należy stosować metodę elektronicznej kalibracji dwupunktowej.

Wykres przedstawiony na fig. 2 obrazuje korzyści techniczne wynikające ze stosowania sposobu wg wynalazku. Przedstawia on krzywe dotyczące rozkładu maksymalnych poprawek P'tm/T/ otrzymanego dla przykładowej sondy nr 2 współpracującej z termometrem wykalibrowanym wg metody średniokwadratowej z rozkładem maksymalnych poprawek Ptm/T/ otrzymanym dla tej samej sondy nr 2 współpracującej z termometrem wykalibrowanym wg metody dwupunktowej. Dodatkowo przedstawiono rozkład poprawek Pud/T/ sondy nr 2 ilustrujący stopień nieliniowości jej charakterystyki temperaturowej.

Poszczególne wykresy dają się zapisać w postaci następujących zależności: P'tm/T/ = T-T'm -kalibracja średniokwadratowa; Ptm/T/ = T-Tm - kalibracja dwupunktowa; Pud/T/ — U_Pom-Ua_Pr\\ /mV/, gdzie:

U_apr⁼ Uod + Kd ’ T,

Tm — KM/U_pOm-Uom/, U_pOm - napięcie pomierzone na złączu PN,

Uod - napięcie odniesienia złącza PN - stała złącza,

Kd - temperaturowy współczynnik zmian napięcia złącza PN - stała złącza,

T - temperatura środowiska, w którym umieszczono badaną sondę,

Tm- temperatura wskazywana przez termometr z podłączoną sondą półprzewodnikową,

151 455

Τ'μ - temperatura wskazywana przez termometr wykalibrowany wg metody średniokwadratowej, w czasie gdy sonda umieszczona jest w środowisku o temperaturze T,

Tm - temperatura wskazywana przez termometr wykalibrowany wg metody dwupunktowej, w czasie gdy sonda umieszczona jest w środowisku o temperaturze T.

Z przedstawionego porównania wynika, że przy średniokwadratowej metodzie kalibracji maksymalny błąd termometru maleje o około 67% względem maksymalnego błędu termometru wykalibrowanego metodą dwupunktową.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób elektronicznej kalibracji termometru półprzewodnikowego, w którym kalibracji poddawany jest termometr elektroniczny współpracujący z sondą półprzewodnikową działającą na zasadzie proporcjonalności temperatury do napięcia przewodząco spolaryzowanego złącza PN, znamienny tym, że w pomiarowym zakresie temperatur najpierw, przy pomocy woltomierza (WT), mierzy się charakterystykę temperaturową U13/T/ czujnika temperatury (1) w postaci złącza PN, zasilanego przewodząco ze źródła zasilania (2), a następnie wyznacza się parametry kalibracji w postaci wzmocnienia Km i napięcia odniesienia Uom wzmacniacza wejściowego (4) termometru elektronicznego (3), po czym ze znanej, uprzednio pomierzonej, charakterystyki temperaturowej Ud/T/ czujnika temperatury (1) wybiera się dwa, znacznie różniące się od siebie, napięcia czujnika Udi i Ud2 w użytecznym zakresie pomiarowym temperatur i dla tych wybranych napięć wyznacza się wskazania termometru elektronicznego (3) odpowiednio Tmi i Tm2 z następujących zależności:

Tmi/Udi/ — Km '/Udi-Uom/

Tm2/Ud2/ ⁼ Km · /Ud2-Uom/ następnie przy odłączonym, od wejścia termometru elektronicznego (3), czujniku temperatury (1) wraz z jego źródłem zasilania (2), w pierwszej kolejności tak reguluje się napięcie odniesienia Uom termometru elektronicznego (3), ażeby na jego wskaźniku temperatury (5) uzyskać uprzednio obliczone wskazanie Tmi/Udi/, przy sterowaniu termometru elektronicznego (3) zewnętrznym napięciem Udi>Ud2, po czym tak reguluje się wzmocnienie Km wzmacniacza wejściowego (4), włączonego na wejściu termometru elektronicznego (3), aby na jego wskaźniku temperatury (5) uzyskać uprzednio obliczone wskazanie TM2/UD2/ przy sterowaniu termometru elektronicznego (3) zewnętrznym napięciem Ud2<Udi.
2. Sposób elektronicznej kalibracji termometru półprzewodnikowego według zastrz. 1, znamienny tym, że dla szerokiego zakresu pracy termometru elektronicznego (3) stosuje się elektroniczną średniokwadratową metodę kalibracji, przy której z warunku minimum błędu średniokwadratowego wskazań termometru oblicza się parametry kalibracji to jest wzmocnienie Km i napięcie odniesienia Uom, z następujących zależności:

v _ ⁿ' S4-S1 · S3 n · S2-S1· Si tt _ Km’Si-S3 Uom — n · Km gdzie:

n

51 = Σ U_Di i oznacza sumę pomierzonych napięć czujnika temperatury (1), i=l n

52 = Σ U²Di i oznacza sumę kwadratów pomierzonych napięć czujnika temperatury (1), i=l

151 455 η

S₃ = Σ Ti i oznacza sumę temperatur w punktach pomiarowych, i=l n

Ξ4=Σ Udi'T i oznacza sumę iloczynów pomierzonych napięć czujnika i temperatur w poszczególnych punktach pomiarowych, i=l

UDi ⁼ Uo/Ti/ i oznacza napięcie czujnika temperatury (1) w i-tym punkcie pomiarowym, n - oznacza ilość punktów pomiarowych.
3. Sposób elektronicznej kalibracji termometru półprzewodnikowego według zastrz. 1,znamienny tym, że dla wąskiego zakresu pracy termometru elektronicznego (3) stosuje się elektroniczną metodę dwupunktowej kalibracji, przy której parametry kalibracji to jest napięcie odniesienia Uom i wzmacnienie Km określa się przy pomocy następujących zależności:

Uom —

Ud2 ' Τι-Um ’T₂

T!-T₂

Udi-Uom gdzie:

Ti, T₂ oznacza temperatury w dwóch różniących się od siebie punktach kalibracji termometru, Udi =Ud/Ti/ i oznacza napięcie czujnika temperatury (1) w punkcie Ti,

Ud2 = Ud/T₂/ i oznacza napięcie czujnika temperatury (1) w punkcie T₂.

.« (

Ο.ΘΟ

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 100 egz.

Cena 3000 zł