УДК 621.382
, ,
Вінницький національний технічний університет
Автогенераторний вимірювальний перетворювач температури об’єктів, що обертаються
Розроблено та досліджено вимірювальний перетворювач температури автогенераторного типу на основі реактивних властивостей напівпровідникових структур з покращеними технічними параметрами. Розроблено математичну модель даного пристрою, яка враховує вплив температури на активну та реактивну компоненти малосигнального імпедансу біполярного транзистора.
Ключові слова: автогенераторний вимірювальний перетворювач (АВП), транзисторна структура з від’ємним опором (ТСВО), функція перетворення, біполярний транзистор, температура.
Одним із специфічних напрямків контрольно-вимірювальної техніки є вимірювання параметрів об’єктів, що обертаються. Особливість таких вимірювань полягає в принципіальній ролі тракту передачі інформації від вимірювального перетворювача до вимірювальної апаратури. Вимоги до розробок в цій галузі спричинили потребу створення і розвитку безконтактних методів передачі вимірювальної інформації від об’єктів, що обертаються. Ускладнення вирішуваних вимірювальних задач в першу чергу повязано зі збільшенням частоти обертання об’єктів і підвищеними вимогами до надійності вимірювальних систем [1].
З енергетичної точки зору найважливішою ділянкою вимірювального каналу для проходження інформації є ділянка від виходу вхідного перетворювача до входу підсилювально-перетворювальної апаратури, де інформація передається найменшим потоком енергії. Втрати інформації на цій ділянці не можна компенсувати ніякими наступними операціями. У зв’язку з цим, похибки, які виникають, наприклад, при використанні амплітудних перетворювачів високі, в той час як потужності вихідних сигналів цих перетворювачів низькі. Вихідні потужності частотних перетворювачів, як правило, бувають значно більшими [2]. Тому розробка і практична реалізація автогенераторних вимірювальних перетворювачів з покращеними технічними параметрами для вимірювання і контролю температури об’єктів, що обертаються є актуальною науково-технічною задачею.
Структура схем для теплового контролю об’єктів, що обертаються не відрізняється від структури звичайних систем ближньої телеметрії з радіоканалом [1] (рис. 1а). Разом з тим структурна схема засобу теплового контролю об’єктів, що обертаються на основі АВП з реактивними властивостями ТСВО відрізняється від класичної (рис. 1б).
а) б)
Рис. 1. Структурні схеми: типової системи ближньої телеметрії з радіоканалом (а), засобу теплового контролю на основі АВП
На рис. 1б в якості модулятора-генератора використовується біполярно-польова транзисторна структура з від’ємним опором, а в якості датчика параметру –біполярний транзистор, що є складовою ТСВО. Електрична схема АВП на основі ТСВО показана на рис. 2.
Рис. 2. Електрична схема АВП на основі ТСВО
Відмінності в принципових схемах різних автогенераторів пов’язані зі способом увімкнення вимірювальних перетворювачів та видом коливальної системи [2]. Для АВП на основі ТСВО як реактивні елементи коливальної системи можуть бути застосовані різноманітні напівпровідникові елементи та пристрої, активна і реактивна складові імпедансу яких змінюються в широких межах в результаті впливу на них параметрів довкілля [3].
Математичне модель АВП на основі ТСВО
При моделюванні АВП на основі ТСВО необхідно враховувати внутрішні зв’язки, що існують в такій структурі. На основі електричної схеми АВП (рис. 2) необхідно скласти еквівалентну схему пристрою, яка складається з відповідних еквівалентних схем транзисторів VT1 і VT2 і пасивних елементів. Зміна температури впливає на різні параметри і характеристики біполярних транзисторів, а саме на коефіцієнт підсилення струму, зворотні струми переходів емітера і колектора, об'ємний опір бази, емітера і колектора та інші параметри [4, 5], що відбивається на зміні елементів еквівалентної схеми від температури.
Залежність струму насичення від температури описується відомою формулою [3]. Вирази для залежностей ширини забороненої зони напівпровідника та об’ємного опору емітера від температури можна знайти в [4]. Залежності об’ємних опорів колектора та бази біполярного транзистора від температури описані в [5]. Ємність переходу база-колектор в залежності від температури, а також температурна залежність бар’єрної ємності детально розглянуто в [6].
Повний опір термочутливого біполярного транзистора з врахуванням усіх залежностей
(1)
де 
,
, 
,
.
Перетворимо електричну принципову схему перетворювача (рис. 2) на відповідну їй еквівалентну, виходячи з еквівалентних схем транзисторів VT1, VT2. Отримана схема має вигляд рис. 3.
Рис. 3. Перетворена нелінійна еквівалентна схема АВП температури
Розрахунок проведений за допомогою системи рівнянь Кірхгофа на основі методу контурних струмів. Згідно напрямкам контурних струмів рівняння Кірхгофа мають вигляд
де 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
.
Значення параметрів елементів еквівалентної схеми (рис. 3) для теоретичних розрахунків отримані з робіт [7-10]. Розв’язання системи рівнянь (2) виконано методом Гауса на ПК за допомогою пакету програм «Mathlab». Розрахункові залежності частоти генерації від температури при різних значеннях напруги живлення подані на рис. 4. Функція перетворення АВП температури у загальному вигляді описується рівнянням
(3)
Рис. 4. Залежності частоти генерації АВП від температури
Засіб теплового контролю з автогенераторним вимірювальним перетворювачем температури на основі транзисторної структури з від’ємним опором був використаний для вимірювання температури ротора аналітичної ультрацентрифуги (рис. 5).
Рис. 5. Структурна схема засобу для вимірювального контролю температури ротору аналітичної ультрацентрафуги
ЧМ передавач виконували на основі БіМОН ТСВО і розміщували на осі обертання ротору. Даний засіб використовували для частот обертання 
об/хв в діапазоні 0 – 20 0С. Несучу частоту вибирали в ультракороткохвильовому діапазоні. Абсолютна похибка вимірювання склала 
0С.
Висновки
Розроблено пристрій для вимірювання температури автогенераторного типу, еквівалентний коливний контур якого реалізовано на БіМОН транзисторній структурі з від’ємним опором, причому імпеданс біполярного транзистора (як дійсна, та і уявна складові) залежать від температури, що забезпечує високу чутливість і дозволяє вирішити проблему підвищення точності вимірювання температури об’єктів, що обертаються у два рази в порівнянні з існуючими.
Розроблено математичну модель автогенераторного вимірювального перетворювача температури, в якій враховано вплив температури на елементи нелінійної еквівалентної схеми, що дозволило отримати функцію перетворення температури у частоту.
Список використаної літератури
1. Самбурский измерения параметров вращающихся объектов / , . – М., «Машиностроение», 1976. – 141 с.
2. Арш методы и средства измерений / . – М.: «Машиностроение», 1979. – 256 c.
3. Мікроелектронні сенсори температури з частотним виходом. Монографія / , , . – Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2007. – 163 с. – ISBN 978-966-641-214-3.
4. . Кремниевые планарные транзисторы / . – М.: Советское радио, 1973. – 336 с.
5. Тугов приборы / , , . – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с.
6. Маллер Ричард. Элементы интегральных схем / Р. Маллер, Т. Кейминс. – М.: Мир, 1989. – 630 с.
7. Antognetti Paolo. Semiconductor devices modeling with SPICE / P. Antognetti, G. Massobrio. – Negraw-Hill, Inc. – New York, 1988. – 391 p.
8. PSPICE User’s guide. MicroSim Corporation. – La Cadena Drive, Laguna Hills, 1989. – 450 p.
9. . Применение программ P-CAD и Pspice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ. Выпуск 2. Модели компонент аналоговых устройств / . – М.: Радио и связь, 1992. – 72 с.
