1.4 Пип на основе p-n перехода

Принцип действия ПИП температуры основан на зависимости характеристик полупроводникового p-n перехода от температуры в диодах и биполярных транзисторах.

Ток I через p-n переход связан с падением напряжения U на нем следующим соотношением:

(1.4)

где − ток насыщения, зависящий от абсолютной температуры Т; I₀ − ток насыщения при Т → ∞; q − заряд электрона; k − постоянная Больцмана.

Уравнение (1.4) определяет ток как при прямом, так и обратном включении p-n перехода. Причем прямой и обратный токи являются функциями температуры. Эта зависимость может быть использована для измерения температуры. На практике в основном используют p-n переходы смещенные в прямом направлении [7]. Если прямосмещенный переход соединен с генератором постоянного тока (рис. 4 а), выходное напряжение U_ВЫХ, снимаемое с перехода, будет прямо пропорционально изменению его температуры и может быть определено по формуле

(1.5)

Рис. 5 ПИП на основе p-n перехода

Так как I/I₀ << 1 из формулы (1.5) следует, что выходное напряжение уменьшается с возрастанием температуры. Температурная чувствительность p-n перехода по напряжению составляет единицы милливольт на один градус (около 2 мВ/K) и уменьшается с увеличением тока (например, для кремниевого перехода, работающего при токе 10 мкА, температурная чувствительность S = –2,3 мВ/К, а при токе 1 мА она падает до минус 2 мВ/К [3].

В качестве ПИП температуры могут быть использованы любые диоды или биполярные транзисторы. Переход база – эммитер биполярного транзистора может быть использован как диод. На практике транзистор с «закороченными» выводами коллектора и базы является наилучшим датчиком. На рисунке 4 б показана схема ПИП температуры [15] на базе транзистора, в котором для создания тока через p-n переход используется источник напряжения U₀ и резистор R. Для улучшения характеристик в ПИП на p-n переходе часто используются два транзистора, работающих в режиме постоянного значения отношения плотности коллекторного тока. Разность напряжений база – эммитер двух транзисторов будет

(1.6)

где I₁ и I₂ – токи в двух транзисторах.

Обычно I₁ выбирается примерно равным 2I₂, так что все члены в формуле (1.6) постоянны, и ∆U_ВЫХ изменяется линейно с температурой. В таких датчиках можно либо измерять напряжение U_ВЫХ, либо предварительно преобразуя напряжение в ток, измерять ток.

Учитывая, что выражение (1.6) справедливо только для идеальных транзисторов, на практике в устройство ПИП на p-n переходе вводятся дополнительные компоненты.

К достоинствам датчиков на основе p-n перехода можно отнести линейность характеристики преобразования, большое значение выходного сигнала. К недостаткам относятся низкое быстродействие (τ достигает 870 с и более), выделение тепла.

1.5 Пирометры

Пирометры – бесконтактные датчики, регистрирующие излучение исходящее от нагретых тел. Основным достоинством пирометров (в отличие от предыдущих температурных датчиков) является отсутствие необходимости помещать датчик непосредственно в контролируемую среду. В результате такого погружения часто происходит искажение исследуемого температурного поля, не говоря уже о снижении стабильности характеристик самого датчика.

Различают три вида пирометров:

1. Флуоресцентные. При измерении температуры посредством флуоресцентных датчиков на поверхность объекта, температуру которого необходимо измерить, наносят фосфорные компоненты. Затем объект подвергают воздействию ультрафиолетового импульсного излучения, в результате которого возникает послеизлучение флуоресцентного слоя, свойства которого зависят от температуры. Это излучение детектируется и анализируется.

2. Интерферометрические. Эти датчики температуры основаны на сравнении свойств двух лучей – контрольного и пропущенного через среду, параметры которой меняются в зависимости от температуры. Чувствительным элементом этого типа датчиков чаще всего выступает тонкий кремниевый слой, на коэффициент преломления которого, а, соответственно, и на длину пути луча, влияет температура.

3. Датчики на основе растворов, меняющих цвет при температурном воздействии. В этом типе датчиков-пирометров применяется хлорид кобальта, раствор которого имеет тепловую связь с объектом, температуру которого необходимо измерить. Коэффициент поглощения видимого спектра у раствора хлорида кобальта зависит от температуры. При изменении температуры меняется величина прошедшего через раствор света.