RU2165600C2 - Temperature meter - Google Patents
Temperature meter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2165600C2 RU2165600C2 RU99111389/28A RU99111389A RU2165600C2 RU 2165600 C2 RU2165600 C2 RU 2165600C2 RU 99111389/28 A RU99111389/28 A RU 99111389/28A RU 99111389 A RU99111389 A RU 99111389A RU 2165600 C2 RU2165600 C2 RU 2165600C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resistor
- amplifier
- current
- output
- bipolar transistor
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области электронной техники, в частности к устройствам для измерения температуры. The invention relates to the field of electronic technology, in particular to devices for measuring temperature.
Известны устройства /1/ для измерения температуры, в основе работы которых лежит эффект Зеебека. Но термопары обладают рядом существенных недостатков: нелинейной зависимостью термоЭДС от температуры, невысокой крутизной температурной зависимости напряжения, необходимостью термостатировать опорные выводы. Термометры сопротивления /1/ также обладают рядом недостатков, например низким сопротивлением и невысокой крутизной температурной зависимости напряжения. Known devices / 1 / for measuring temperature, which are based on the Seebeck effect. But thermocouples have a number of significant drawbacks: the non-linear dependence of the thermoEMF on temperature, the low slope of the temperature dependence of the voltage, the need to thermostat the reference terminals. Resistance thermometers / 1 / also have a number of disadvantages, for example, low resistance and low slope of the temperature dependence of voltage.
Устройство /2/ обладает существенным недостатком: температурный коэффициент напряжения ЭДС, входящей в состав генератора однополярных импульсов, практически определяет погрешности устройства при измерении температуры. Оптимальным можно считать устройство, содержащее высокостабильный термонезависимый источник и датчик температуры на основе p-n-перехода, обладающий высокой линейностью. The device / 2 / has a significant drawback: the temperature coefficient of the voltage of the EMF, which is part of the unipolar pulse generator, practically determines the errors of the device when measuring temperature. Optimal can be considered a device containing a highly stable thermally independent source and a temperature sensor based on the p-n junction, which has high linearity.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство /3/, содержащее источник опорного напряжения, содержащий усилитель постоянного тока на основе операционного усилителя, диод на основе широкозонного полупроводника, биполярный транзистор, два токозадающих резистора, причем база транзистора соединена с анодом диода и выводом второго токозадающего резистора, эмиттер транзистора - с первым токозадающим резистором и входом усилителя постоянного тока, выход усилителя постоянного тока соединен с коллектором транзистора и вторым выводом второго токозадающего резистора, вторые выводы диода и первого токозадающего резистора соединены с общим проводом схемы. Closest to the proposed device is / 3 /, containing a reference voltage source containing a DC amplifier based on an operational amplifier, a diode based on a wide-gap semiconductor, a bipolar transistor, two current-setting resistors, the base of the transistor connected to the anode of the diode and the output of the second current-setting resistor, transistor emitter - with the first current-sensing resistor and the input of the DC amplifier, the output of the DC amplifier is connected to the collector of the transistor and the second output to of the second lead-in resistor, the second terminals of the diode and the first lead-in resistor are connected to a common circuit wire.
Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения температуры, поскольку при введении разбаланса температурных коэффициентов напряжения диода и эмиттерного перехода транзистора с целью получения температурной зависимости выходного напряжения изменяется с температурой и ток через второй токозадающий резистор и, следовательно, температурный коэффициент напряжения на диоде. В силу этого зависимость выходного напряжения от температуры становится нелинейной, что снижает точность измерения температуры. The disadvantage of this device is the low accuracy of temperature measurement, since when the imbalance of the temperature coefficients of the diode voltage and the emitter junction of the transistor is introduced in order to obtain the temperature dependence of the output voltage, the current through the second current-setting resistor and, therefore, the temperature coefficient of the voltage on the diode change. Due to this, the dependence of the output voltage on the temperature becomes non-linear, which reduces the accuracy of temperature measurement.
Настоящее изобретение направлено на расширение функциональных возможностей устройства, а именно на применение его в качестве высокоточного измерителя температуры. The present invention is aimed at expanding the functionality of the device, namely, its use as a high-precision temperature meter.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство дополнительно введены второй биполярный транзистор, третий резистор, второй усилитель постоянного тока на основе второго операционного усилителя и индикатор, первый резистор выполнен в виде делителя напряжения, причем база второго биполярного транзистора соединена с эмиттером биполярного транзистора, а его эмиттер - с третьим резистором и инвертирующим входом второго усилителя постоянного тока, коллектор второго биполярного транзистора связан с выходом первого усилителя постоянного тока, третий вывод первого резистора, выполненного в виде делителя напряжения, соединен с неинвертирующим входом второго усилителя постоянного тока, выход которого связан с индикатором, второй вывод третьего резистора соединен с общим проводом схемы. The solution to this problem is achieved by the fact that a second bipolar transistor, a third resistor, a second DC amplifier based on a second operational amplifier and an indicator are added to the device, the first resistor is made in the form of a voltage divider, and the base of the second bipolar transistor is connected to the emitter of the bipolar transistor, and its emitter is with a third resistor and an inverting input of the second DC amplifier, the collector of the second bipolar transistor is connected to the output of the first amplifier DC, the third output of the first resistor, made in the form of a voltage divider, is connected to the non-inverting input of the second DC amplifier, the output of which is connected to the indicator, the second output of the third resistor is connected to the common wire of the circuit.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в устройство дополнительно введены: второй биполярный транзистор, третий резистор, второй усилитель постоянного тока, индикатор, а первый резистор выполнен в виде делителя напряжения. Заявляемое устройство отличается от прототипа не только вновь введенными элементами, но и связями между элементами схемы, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна". Comparative analysis with the prototype shows that the device is additionally introduced: a second bipolar transistor, a third resistor, a second DC amplifier, an indicator, and the first resistor is made in the form of a voltage divider. The inventive device differs from the prototype not only by the newly introduced elements, but also by the connections between the elements of the circuit, which allows us to conclude that the criterion of "novelty".
Сопоставительный анализ с другими техническими решениями позволяет сделать вывод, что предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность измерения температуры из-за применения термонезависимого источника при сохранении высокой линейности транзисторного термодатчика. A comparative analysis with other technical solutions allows us to conclude that the proposed technical solution improves the accuracy of temperature measurement due to the use of a thermally independent source while maintaining high linearity of the transistor temperature sensor.
Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия". This allows us to conclude that the criterion of "significant differences".
Функциональная электрическая схема устройства показана на чертеже. Functional electrical diagram of the device shown in the drawing.
Измеритель температуры состоит из источника 10 опорного напряжения, содержащего усилитель 1 постоянного тока на основе операционного усилителя, диод 2 на основе широкозонного полупроводника, биполярный транзистор 3, два токозадающих резистора 4 и 5, второй биполярный транзистор 6, третий резистор 7, второй усилитель 8 постоянного тока на основе второго операционного усилителя и индикатор 9, первый резистор 5 выполнен в виде делителя напряжения, причем база биполярного транзистора 3 соединена с анодом диода 2 и выводом второго токозадающего резистора 4, эмиттер первого биполярного транзистора 3 - с первым выводом первого токозадающего резистора 5, выполненным в виде делителя напряжения, входом усилителя 1 постоянного тока и базой второго биполярного транзистора 6, выход усилителя 1 постоянного тока соединен с коллекторами первого и второго биполярных транзисторов 3 и 6 и вторым выводом второго токозадающего резистора 4, эмиттер второго биполярного транзистора 6 связан с третьим резистором 7 и с инвертирующим входом второго усилителя 8 постоянного тока. The temperature meter consists of a reference voltage source 10 containing a direct current amplifier 1 based on an operational amplifier, a wide-gap semiconductor diode 2, a bipolar transistor 3, two current-sensing resistors 4 and 5, a second bipolar transistor 6, a third resistor 7, and a second constant amplifier 8 current based on the second operational amplifier and indicator 9, the first resistor 5 is made in the form of a voltage divider, and the base of the bipolar transistor 3 is connected to the anode of the diode 2 and the output of the second source 4, the emitter of the first bipolar transistor 3 - with the first output of the first current-sensing resistor 5, made in the form of a voltage divider, the input of the DC amplifier 1 and the base of the second bipolar transistor 6, the output of the DC amplifier 1 is connected to the collectors of the first and second bipolar transistors 3 and 6 and the second terminal of the second lead-in resistor 4, the emitter of the second bipolar transistor 6 is connected to the third resistor 7 and to the inverting input of the second DC amplifier 8.
Третий вывод первого резистора 5, выполненного в виде делителя напряжения, соединен с неинвертирующим входом второго усилителя 8 постоянного тока, выход второго усилителя 8 постоянного тока связан с индикатором 9. Вторые выводы первого резистора 5, выполненного в виде делителя напряжения, третьего резистора 7 и диода 2 соединены с общим проводом схемы. The third output of the first resistor 5, made in the form of a voltage divider, is connected to the non-inverting input of the second DC amplifier 8, the output of the second DC amplifier 8 is connected to the indicator 9. The second conclusions of the first resistor 5, made in the form of a voltage divider, the third resistor 7 and a diode 2 are connected to a common circuit wire.
Измеритель температуры работает следующим образом. The temperature meter operates as follows.
Термостабильное напряжение генерируется как разность напряжений на прямосмещенном диоде 2 из широкозонного полупроводника и эмиттерном переходе биполярного транзистора 3. Thermostable voltage is generated as the voltage difference on the forward biased diode 2 from a wide-gap semiconductor and the emitter junction of the bipolar transistor 3.
Как следует из теории тонкого p-n-перехода, напряжение на диоде 2 при прямом смещении определится соотношением:
где Δ Eg1 - ширина запрещенной зоны полупроводника;
e - заряд электрона;
A1 - некоторая величина, почти не зависящая от температуры [1];
k - постоянная Больцмана;
Т - абсолютная температура;
S1 - крутизна температурной зависимости;
I01 - ток прямосмещенного p-n-перехода.As follows from the theory of a thin pn junction, the voltage at diode 2 with forward bias is determined by the relation:
where Δ E g1 is the band gap of the semiconductor;
e is the electron charge;
A 1 - some value, almost independent of temperature [1];
k is the Boltzmann constant;
T is the absolute temperature;
S 1 - the steepness of the temperature dependence;
I 01 is the current of the forward biased pn junction.
Аналогичным выражением описываются напряжения на переходах база-эмиттер биполярных транзисторов 3 и 6. A similar expression describes the voltage at the base-emitter junctions of bipolar transistors 3 and 6.
где Δ Eg2 - ширина запретной зоны полупроводникового материала, из которого изготовлены транзисторы (кремний);
S2 - крутизна температурной зависимости напряжения на переходе база-эмиттер первого транзистора 3;
S3 - крутизна температурной зависимости напряжения на переходе база-эмиттер второго транзистора 6.
where Δ E g2 is the band gap of the semiconductor material from which the transistors (silicon) are made;
S 2 - the steepness of the temperature dependence of the voltage at the base-emitter junction of the first transistor 3;
S 3 - the steepness of the temperature dependence of the voltage at the base-emitter junction of the second transistor 6.
Напряжение на первом токозадающем резисторе 5 можно найти как разностное напряжение:
Регулируя ток I01 или I02, добиваются равенства S1= S2. При этом напряжение на резисторе 5 становится термонезависимым. Это напряжение усиливается усилителем 1 постоянного тока и используется для питания каскадов выделения разностного напряжения. По этой причине напряжение на третьем выводе резистора 5, выполненного в виде делителя напряжения, оказывается также термонезависимым. Коэффициент деления выбирают таким, чтобы напряжение на неинвертирующем входе усилителя 8 постоянного тока было равно
Напряжение на третьем резисторе 7 можно найти как разностное:
Если установить I03 ≠ I02, то S1= S2 ≠ S3, так что напряжение на резисторе 7 оказывается зависящим от температуры. Это напряжение подается на инвертирующий вход второго усилителя 8 постоянного тока.The voltage at the first current-sensing resistor 5 can be found as the differential voltage:
By adjusting the current I 01 or I 02 , achieve the equality S 1 = S 2 . In this case, the voltage across the resistor 5 becomes thermally independent. This voltage is amplified by a DC amplifier 1 and is used to power the differential voltage isolation cascades. For this reason, the voltage at the third terminal of the resistor 5, made in the form of a voltage divider, is also thermally independent. The division ratio is chosen so that the voltage at the non-inverting input of the DC amplifier 8 is equal to
The voltage at the third resistor 7 can be found as a differential:
If I 03 ≠ I 02 is set , then S 1 = S 2 ≠ S 3 , so that the voltage across resistor 7 turns out to be temperature-dependent. This voltage is supplied to the inverting input of the second DC amplifier 8.
Выходное напряжение усилителя 8 постоянного тока можно определить из выражения:
где Δ S =S1-S2-S3 - разностная крутизна;
K - коэффициент усиления второго усилителя 8 постоянного тока.The output voltage of the DC amplifier 8 can be determined from the expression:
where Δ S = S 1 -S 2 -S 3 is the difference slope;
K is the gain of the second DC amplifier 8.
Из уравнения (7) следует, что выходное напряжение второго усилителя 8 постоянного тока линейно зависит от температуры. Это напряжение индуцируется индикатором 9. From equation (7) it follows that the output voltage of the second DC amplifier 8 is linearly dependent on temperature. This voltage is induced by indicator 9.
Регулировка разностной крутизны осуществляется подбором третьего резистора 7, а начальное показание индикатора при Т=273K=0oC устанавливается регулировкой коэффициента деления делителя напряжения.The difference slope is adjusted by selecting the third resistor 7, and the initial indicator reading at T = 273K = 0 o C is set by adjusting the division factor of the voltage divider.
Отметим, что разностная крутизна Δ S ≈ -S3 оказывается существенно выше, чем у термопары ΔS ~ 2500 мкВ/К и остается практически постоянной в широком диапазоне температур.Note that the difference slope Δ S ≈ -S 3 is significantly higher than that of the thermocouple ΔS ~ 2500 μV / K and remains almost constant over a wide temperature range.
Главным преимуществом предлагаемого источника является питание от термонезависимого источника и высокие линейность и крутизна температурной зависимости выходного напряжения. The main advantage of the proposed source is power from a thermally independent source and high linearity and slope of the temperature dependence of the output voltage.
Источники информации
1. К. Бриндли. Измерительные преобразователи. Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. 1991. С.46-58.Sources of information
1. C. Brindley. Measuring transducers. Per. from English - M .: Energoatomizdat. 1991. S. 46-58.
2. А. Л. Белоусов. А.С.СССР N SU 1673871 A1 МПК G 01 K 7/00, Б.И. N 32, 1991. 2. A. L. Belousov. A.S.SSSSR N SU 1673871 A1 IPC G 01 K 7/00, B.I. N 32, 1991.
3. Ю.В. Гармаш, С.М. Карабанов. Патент Российской Федерации N RU 2119212 C1, МПК 6 H 01 L 23/58, H 03 F 1/30, БИ N 26, 1998. 3. Yu.V. Garmash, S.M. Karabanov. Patent of the Russian Federation N RU 2119212 C1, IPC 6 H 01 L 23/58, H 03 F 1/30, BI N 26, 1998.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99111389/28A RU2165600C2 (en) | 1999-05-26 | 1999-05-26 | Temperature meter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99111389/28A RU2165600C2 (en) | 1999-05-26 | 1999-05-26 | Temperature meter |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU99111389A RU99111389A (en) | 2001-03-27 |
| RU2165600C2 true RU2165600C2 (en) | 2001-04-20 |
Family
ID=20220557
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99111389/28A RU2165600C2 (en) | 1999-05-26 | 1999-05-26 | Temperature meter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2165600C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2796191C1 (en) * | 2023-01-09 | 2023-05-17 | Акционерное общество "ЭЙРБУРГ" | Device for measuring the temperature of a controlled object |
-
1999
- 1999-05-26 RU RU99111389/28A patent/RU2165600C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2796191C1 (en) * | 2023-01-09 | 2023-05-17 | Акционерное общество "ЭЙРБУРГ" | Device for measuring the temperature of a controlled object |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | The temperature characteristics of bipolar transistors fabricated in CMOS technology | |
| US7821320B2 (en) | Temperature detection circuit | |
| US7828479B1 (en) | Three-terminal dual-diode system for fully differential remote temperature sensors | |
| US6554469B1 (en) | Four current transistor temperature sensor and method | |
| Timko | A two-terminal IC temperature transducer | |
| US4123698A (en) | Integrated circuit two terminal temperature transducer | |
| McNamara | Semiconductor diodes and transistors as electrical thermometers | |
| EP2295944A2 (en) | Temperature sensor | |
| US20130325391A1 (en) | Circuit and method for sensing temperature | |
| TWI727435B (en) | Thermal sensor and method of temperature measurement | |
| Meijer et al. | Smart temperature sensors and temperature sensor systems | |
| KR101889766B1 (en) | Temperature sensor circuit with compensation function | |
| Chuang et al. | A temperature sensor with a 3 sigma inaccuracy of±2° C without trimming from− 50° C to 150° C in a 16nm FinFET process | |
| KR102360738B1 (en) | Flicker noise reduction in a temperature sensor arrangement | |
| Ohte et al. | A precision silicon transistor thermometer | |
| US5327029A (en) | Logarithmic current measurement circuit with improved accuracy and temperature stability and associated method | |
| JPH09105681A (en) | Temperature measuring circuit | |
| RU2165600C2 (en) | Temperature meter | |
| Carvalhaes-Dias et al. | Using the non-linear behavior of the Brokaw bandgap voltage reference cell to linearize resistance temperature detectors (RTD) | |
| JP4314669B2 (en) | Bandgap reference circuit | |
| Moise et al. | Intelligent Temperature Sensor with SiC Schottky Diode | |
| RU2017088C1 (en) | Temperature meter with direct indicated values | |
| SU1377611A1 (en) | Temperature-measuring device | |
| SU1597596A1 (en) | Electronic temperature-sensitive element | |
| RU150U1 (en) | Device for converting temperature to voltage |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040527 |