литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 10. Электромагнитные преобразователи

Рис. 10.21. Горизонтальный планарный магнитотранзистор

Наибольшая магниточувствительность наблюдается при включении магнитотранзистора как двухполюсника (цепь эмиттер—коллектор) с отключенной базой. В обычных условиях обратный ток коллекторного перехода мал, h21Б при микрорежимах также мало, и магниточувствительность незначительна. Поэтому в коллектор вводятся шунтирующие его каналы, позволяющие увеличить IКБО, общий ток через транзистор и магниточувствительность [11, 13].

В некоторых конструкциях магнитотранзисторов используется также эффект Холла. Например, если в транзисторе выводы базы разделить и пропускать через них ток от отдельного источника, то в базе возникает ЭДС Холла. При соответствующем выборе направления тока холловское электрическое поле может быть направлено от коллектора к эмиттеру, т.е. навстречу потоку инжектированных из эмиттера дырок, это приводит к дополнительному уменьшению h21Б в поперечном магнитном поле и увеличению магниточувствительности.

Двухколлекторные магнитотранзисторы

Первые типы двухколлекторных магнитотранзисторов (ДМТ) представляли собой обычный транзистор, коллектор в котором разделен на две части Без магнитного поля половина инжектированных носителей попадает в один коллектор, а половина — в другой Магнитное поле отклоняет инжектированные носители от одного коллектора к другому, например, от первого ко второму. Соответственно, ток первого коллектора уменьшается, а второго увеличивается.

Существует значительное количество конструктивных разновидностей магнитотранзисторов, характеристики которых описаны в [1, 11, 13].

Полевые магнитотранзисторы

При помещении любого полевого транзистора в поперечное магнитное поле в его канале возникает холловское электрическое поле, как и в полупроводнике с двумя омическими контактами на концах. Полевой магнитотранзистор отличается от обычного лишь тем, что в его канале имеются дополнительные боковые омические контакты для вывода ЭДС Холла.

Характеристики серийно выпускаемых магнитных датчиков можно найти в [1, 2, 4, 6, 11, 12, 13, 16—39 и др.].

Литература

Литература

1.Викулин И. М., Викулина Л. Ф., Стафеев В. И. Гальваномагнитные приборы. — М.: Радио и связь, 1983. — 104 с.

2.Викулин И.М., Курмашев Ш.Д., Синиа И.И. Магниточувствительность S-диода с механизмом отрицательного дифференциального сопротивления // Электронная техника. Серия «Полупроводниковые приборы», 1986. — Вып. 3(182). — С. 44—48.

3.Евтихиев Н.Н., Купершмидт Я.А., Папуловский В.Ф., Скугоров В.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин / Под ред. Н.Н. Евтихеева. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 352 с.

4.Егиазарян Г. А., Стафеев В. И. Магнитодиоды, магнитотранзисторы и их применение. — М.:Радио и связь, 1989. — 88 с.

5.Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984. — 912 с.

6.Курмашев Ш.Д., Викулин И.М. Магнитодиод с инжекционным усилением на основе InSb для низих температур // Электронная техника. Сер. «Полупроводниковые приборы», 1986. — Вып. 3(182). — С. 42—44.

7.Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). — Л.: Энергоатомиздат, 1983. — 320 с.

8.Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. — М.: Высшая школа, 1983. — 463 с.

9.Полищук Е.С. Измерительные преобразователи. — Киев: Вища школа, 1981. — 296 с.

10.Полищук Е.С., Дорожовец М.М., Стадник Б.И., Ивахив О.В., Бойко Т.Г., Ковальчик А. Средства и методы измерений неэлектрических величин: Учебник / Под ред. проф. Полищука. — Львов: Бескид Бит, 2008. — 618 с. (На укр. яз.).

11.Полупроводниковые преобразователи / Под ред. Ю. Пожелы. — Вильнюс: Моклас, 1980. — 176 с.

12.Фрайден Дж. Современные датчики: Справочник. — М.: Техносфера, 2005. — 592 с.

13.Хомерики О.К. Полупроводниковые преобразователи магнитного поля. — М.:Энергоатомиздат, 1986. — 136 с.

14.Schaumburg H. Sensoren. Band 3. B.G. Teubner Stuttgart: 1992.

15.Schaumburg H. (Hrsg.) Sensoranwendungen. Band 8. B.G. Teubner Stuttgart: 1995.

ГЛАВА 11

ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ

11.1. Общие сведения

Температура — это статистически сформированная термодинамическая величина, которая характеризует уровень внутренней энергии тела. Носителями внутренней энергии являются атомы и молекулы тела, кинетическая энергия движения которых определяет температуру. В процессе соударения молекул происходит обмен их энергетических импульсов и выравнивания распределения энергий между ними, то есть устанавливается равновесное состояние, при котором все формы кинетической энергии молекул и атомов тела характеризуются одним значением температуры. Такую равновесную температуру называют термодинамической [1, 3, 6, 9, 10].

Термодинамическая температура входит в фундаментальные соотношения, которые определяют характер хода ряда физических процессов или связь с другими физическими величинами. Среди них [10]:

1. Уравнение состояния идеального газа — уравнение Клапейрона:

где с и V — соответственно, давление и объем газа; R — универсальная газовая постоянная.

2. Закон Кюри, который устанавливает зависимость магнитной восприимчивости парамагнетика от температуры:

где м — магнитная восприимчивость парамагнитного вещества; С — постоянная Кюри.

3. Уравнение Найквиста, которое определяет интенсивность тепловых флуктуаций напряжения (тепловых шумов) на концах проводника активного сопротивления R, который находится в состоянии теплового равновесия при абсолютной температуре Т:

где U кв — среднеквадратическое значение напряжения на концах проводника с сопротивлением R; k — постоянная Больцмана, Дf — полоса частот, в пределах которой измеряют флуктуации напряжения.

4. Закон Планка, который определяет свойства теплового излучения абсолютно черного тела для длины волны л:

где Е 0T — спектральное свечение, Вт/м2, С1 и С2 — постоянные коэффициенты.

11.1. Общие сведения

5. Уравнение скорости распространения звука v в газообразной среде:

M

где C p / CV отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме; R — универсальная газовая постоянная; М — молярная масса газа.

Приведенные законы и уравнения составляют основу так называемой первичной термометрии. Под первичной термометрией понимают термометрию, которую осуществляют с помощью термометра, уравнение состояния которого можно описать в явном виде без применения неизвестных коэффициентов, зависимых от температуры. Записав уравнение состояния системы, которую мы используем в качестве термометра, можно утверждать, что определенная таким образом температура будет в термодинамическом и численном согласовании с температурой, полученной при использовании любой другой системы и другого уравнения состояния. Примерами таких систем, пригодных для термометрии, могут быть газовые термометры, термометры полного излучения, шумовые термометры и т.п.

Температурные шкалы. Для многих экстенсивных физических величин процесс их измерения заключается в экспериментальном определении числового соотношения между значениями измеряемой величины и значением, условно принятым за единицу. Под термином «температурная шкала» понимают непрерывную совокупность чисел, линейно связанную с числовым значением какого-то точно измеряемого свойства, которое является однозначной и монотонной функцией температуры.

Фаренгейт (в 1715 г.), Реомюр (в 1776 г.) и Цельсий (в 1742 г.) при построении шкал базировались на предположении линейной связи между температурой Т и термометрическими свойствами, такими как, например, расширение объема жидкости V, то есть Т = а + bV, где a и b — постоянные коэффициенты.

Подставив в это уравнение V = V1 при Т = T1 и V = V2 при Т = T2, после преобразования получим уравнение температурной шкалы:

где (t2 ­ t1) — главный интервал.

В шкалах Фаренгейта, Реомюра и Цельсия точка таяния льда Т1 отвечала соответственно +32,0 и 0 градусам, а точка кипения воды Т2 — 212,80 и 100 градусам. Главный интервал делится соответственно на N = 180, 80 и 100 равных частей, и 1/N часть каждого из интервалов называют градусом Фаренгейта — °F, градусом Реомюра — °R и градусом Цельсия — °С. Таким образом, для шкал, построенных по указанному принципу, градус не является единицей измерения, а являет собой единичный промежуток — масштаб шкалы.

Для пересчета температуры из одной указанной шкалы в другую используют соотношение

Глава 11. Датчики температуры

Позже выяснилось, что показания термометров, которые имеют разные термометрические вещества (например, ртуть, спирт и другие), которые используют одно и то же термометрическое свойство и равномерную градусную шкалу, совпадают лишь в реперных точках, а в других точках показания имеют расхождения. Последнее особенно заметно при измерении температур, значения которых размещены вдалеке от главного интервала.

Указанное обстоятельство объясняется тем, что связь между температурой и термометрическим свойством в действительности нелинейна, и эта нелинейность разная для разных термометрических веществ. В том числе, в рассматриваемом случае нелинейность между температурой и изменением объема жидкости объясняется тем, что температурный коэффициент объемного расширения жидкости сам изменяется от температуры, и это изменение несколько разное для разных термометрических жидкостей.

На основе описанного принципа построения может быть получено любое количество температурных шкал, которые значительно отличаются между собой. Такие шкалы называют условными, а масштабы этих шкал — условными градусами. Проблема создания температурной шкалы, которая не зависит от термометрических свойств, была решена Кельвином, а предложенная им шкала была названа термодинамической. В отличие от условных температурных шкал, термодинамическая температурная шкала является абсолютной.

Термодинамическая шкала температур базируется на использовании второго закона термодинамики. В соответствии с данным законом коэффициент полезного действия з тепловой машины, которая работает за обратным циклом Карно, определяется только температурами нагревателя Тн и холодильника Тх и не зависит от свойств рабочего вещества, то есть

где Qн и Qх — соответственно количество теплоты, которое получило рабочее вещество от нагревателя и отдано холодильнику.

Кельвином было предложено для определения температуры использовать соотношение

Соответственно, используя один объект в качестве нагревателя, а второй — в качестве холодильника и осуществляя между ними цикл Карно, можно определить отношение температур объектов измерением отношения теплоты, взятой от одного объекта и переданной другому. Полученная шкала температур не зависит от свойств рабочего (термометрического) вещества и называется абсолютной шкалой температур. Чтобы абсолютная температура (а не только отношение) имела определенное значение, было предложено принять разницу термодинамических температур между точками кипения воды Ткв и таянья Ттл равной 100°. Целью принятия такого значения разницы было наследование числового выражения термодинамической температурной шкалы от стоградусной температурной шкалы Цельсия. Таким образом, помечая количество тепла, полученного от нагревателя (кипящая вода) и переданной холодильни-

11.1. Общие сведения

ку (растаявший лед), соответственно через Qкв и Qтл и приняв Ткв ­ Ттл = 100, получим:

Для любой температуры Т нагревателя при неизменном значении температуры Ттх холодильника и количества тепла Qтл, которое отдается ему рабочим веществом машины Карно, будем иметь

Последнее выражение является уравнением стоградусной термодинамической шкалы температур и свидетельствует, что значение температуры Т по данной шкале линейно связано с количеством тепла Q, полученного рабочим веществом тепловой машины при осуществлении ею цикла Карно, и, как следствие, не зависит от свойств термометрического вещества. За один градус термодинамической температуры принимают такую разницу между температурой тела и температурой таянья льда, при которой выполняемая за оборотным циклом Карно работа равняется 1/100 части работы, которая выполняется в цикле Карно между температурой кипения воды и таянья льда (при условии, что в обоих циклах количество тепла, которое отдается холодильнику, одинаково).

Из выражения для коэффициента полезного действия тепловой машины следует, что при максимальном значении з = 1 должна равняться нулю Тх. Эта наименьшая температура была названа Кельвином абсолютным нулем, который равняется Т = ­273,15 °С.

Температура таянья льда по абсолютной шкале составляет Т0 = 273,15 К. Любая температура в абсолютной шкале Кельвина может быть определена

как Т = 273,15 K + t (где t — температура в °С). Необходимо отметить, что один Кельвин (1 К) отвечает одному градусу Цельсия (1 °С), поскольку обе шкалы базируются на одинаковых реперных точках.

Термодинамическая шкала температур, которая базируется на двух реперных точках (температура таянья льда и кипения воды), имеет недостаточную точность измерения. Практически трудно воспроизвести температуры указанных точек, поскольку они являются зависимыми от изменения давления, а также от незначительных примесей в воде. Кельвин выдвинул тезис о построении термодинамической шкалы температур по одной реперной точке.

Консультативный комитет по термометрии Международного комитета мер и весов в 1954 г. принял рекомендацию о переходе к определению термодинамической шкалы с использованием в качестве одной из реперных точек — тройной точки воды (точки равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах), которая легко воспроизводится в специальных сосудах с погрешностью, не большей 0,0001 К. Температура этого состояния воды (тройная точка воды) является ровной 273,16 К, то есть выше температуры точки топящего льда на 0,01 К. Такое число выбрано для того, чтобы значение температур по новой шкале практически не отличалось от старой шкалы Цельсия с двумя реперными точками. Второй реперной точкой является абсолютный

Глава 11. Датчики температуры

нуль, который экспериментально не реализуется, но имеет строго фиксированное значение.

В 1967 г. XIII Генеральная конференция по мерам и весам конкретизировала определение единицы термодинамической температуры в такой редакции: «Кельвин — 1/273,15 часть термодинамической температуры тройной точки воды». Термодинамическая температура может быть выражена также в градусах Цельсия:

°C = K — 273,15.

Использование второго закона термодинамики, предложенное Кельвином с целью установления понятия температуры и построения абсолютной термодинамической температурной шкалы, которая не зависит от свойств термометрического вещества, имеет большое теоретическое и практическое значение. Но реализация указанной шкалы с использованием в качестве термометра тепловой машины, которая работает по обратному циклу Карно, не может быть практически осуществлена.

Международная температурная шкала 1990г. (МТШ-90) принята Международным комитетом мер и весов на сессии в 1989 г. Эта шкала заменяет Международную практическую температурную шкалу 1968 г. (редакция в 1975 г.) и Временную температурную шкалу 1976 г. для диапазона от 0,5 до 30 К.

Единицей основной физической величины термодинамической температуры (Т) является Кельвин, определенный как 1/273,15 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

Единицей температуры Цельсия является градус Цельсия (°С), который равняется Кельвину по определению. Разница температур выражается только в кельвинах.

МТШ-90 охватывает диапазон от 0,65 К до наивысшей температуры, практически доступной измерению в соответствии с законом излучения Планка для монохроматического излучения.

МТШ-90 базируется в некоторых определенных интервалах на фундаментальных физических зависимостях, а в других интервалах — на ряде хорошо воспроизводимых реперных точек, которым приписаны определенные значения температур. В интервалах между реперными точками температура определяется с помощью интерполяционных эталонных приборов и соответствующих интерполяционных формул. В каждом из диапазонов и поддиапазонов установлено свое определение температуры Т90. Некоторые из этих диапазонов перекрываются и там, где имеет место такое перекрытие, существуют разные определения Т90, причем эти определения эквивалентны, и ни одно из них не преобладает. При очень точных измерениях могут быть обнаружены расхождения между результатами измерений, выполненных при одной и той же температуре, но в соответствии с разными определениями Т90.

МТШ-90 построена таким образом, чтобы во всем диапазоне температур числовые значения Т90 минимально отличались от наиболее точных значений Т, полученных до 1990 года. В сравнении с прямыми измерениями термодинамических температур, измерения Т90, выполняются легче, точнее и с более высокой степенью воспроизводимости.

Основные разновидности методов и средств измерений температуры. Чаще всего приходится измерять средние и высокие температуры в интервале от ­80

11.1. Общие сведения

до 3000...3500 °С. В наше время в связи с бурным развитием техники низких температур — криогеники, что характеризуется не только важными научными открытиями, но и их широким практическим использованием, важное значение приобретают измерения низких температур от 1 до 273 К, а при создании плазмы — измерение сверхвысоких температур (до 1010 К и выше). Такой широкий диапазон измеряемых температур и разнообразие условий измерений обусловили большое количество методов и средств их измерений. В современном промышленном производстве преимущественно используются электрические средства измерений температуры, достоинства которых общеизвестны.

Электрические методы измерений температуры можно разделить на контактные и бесконтактные. При контактных методах используется первичный преобразователь (датчик), который в процессе измерения находится в непосредственном тепловом контакте со средой, температуру которой измеряют. Тепло от исследуемого объекта к чувствительному элементу преобразователя передается теплопроводностью и конвекцией.

Бесконтактный метод основывается на свойстве тел излучать тепловую энергию, за которой и определяют температуру исследуемого объекта.

Выбор того или иного метода и средств измерений определяется рядом факторов, а именно: значениями измеряемых температур, агрессивностью исследуемой среды и ее динамическими характеристиками, а также необходимой чувствительностью и точностью измерения. Часто эти факторы противоречивы, что усложняет выбор метода. Определяющим является, в первую очередь, диапазон измеряемых температур и необходимая точность измерения.

При конктактном методе измерений, когда первичный преобразователь помещается непосредственно в исследуемую среду, всегда наблюдается некоторое искажение температурного поля среды как следствие неоднородности теплофизических свойств среды и преобразователя, а также неточность превращения температуры среды в температуру преобразователя.

Степень искажения температурного поля зависит, в основном, от теплоемкостей исследуемой среды и преобразователя и является во многих случаях незначительной. Что же касается неточности (погрешности) воссоздания термопреобразователем температуры исследуемой среды, то она предопределена теплоотводом по элементам конструкции термопреобразователя, радиационным теплообменом, тепловой инерцией, а также такими внутренними источниками энергии, как нагревание чувствительного элемента термопреобразователя измерительным током, и может достигать достаточно больших значений. Уменьшить эти погрешности можно, правильно выбрав конструкцию преобразователя и соответствующий метод установки его на исследуемый объект. В частности, для уменьшения погрешностей от теплоотвода конструкционные элементы преобразователя изготавливают из материалов с малой теплопроводимостью, а отношения длины преобразователя к его диаметру выбирают сравнительно большими (7: 1; 10:1). Должен быть обеспечен тепловой контакт между чувствительным элементом преобразователя и исследуемой средой.

При бесконтактных методах измерений чувствительный элемент преобразователя находится вне исследуемого объекта, который исключает искажение температурного поля объекта и дает возможность измерять температуру объектов малой теплоемкости. Основное же применение бесконтактных методов —

Глава 11. Датчики температуры

это измерение высоких температур. Основными источниками погрешностей бесконтактных измерителей является зависимость излучательной способности от состояния поверхности исследуемого тела и других его свойств, влияние посторонних излучений, теплопоглощающая способность элементов преобразователя и др. [11].

Основными разновидностями первичных преобразователей температуры являются: терморезистивые (проводниковые и полупроводниковые), термоэлектрические, акустические, пирометрические, квадрупольные ядерные, пьезоэлектрические преобразователи [1, 3, 4, 18-21].

11.2.Терморезистивные преобразователи температуры

Терморезисторы — это резистивные элементы, изготовленные из проводникового или полупроводникового материала с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Принцип действия терморезисторов основывается на зависимости их сопротивления от температуры.

Терморезисторы на основе металлов. Для создания терморезисторов используют материалы, которые имеют стабильный ТКС, воспроизводимость электрического сопротивления при данной температуре, большое удельное сопротивление, стабильные химические и физические свойства при нагревании, инертные к влиянию исследуемой среды.

Из проводниковых материалов широко применяется платина, медь, никель. Среди них выделяется платина. Этот благородный металл даже при высоких температурах в окислительной среде не изменяет своих физических и химических свойств. Температурный коэффициент сопротивления в диапазоне 0…100 °С имеет приблизительно 1/273 К-1, удельное сопротивление при 20 °С равняется 0,105 Ом мм2/м, интервал температур достигает ­260...

...+1300 °С.

Температурная зависимость сопротивления платины в диапазоне 0...650 °С описывается уравнением

где RT, R0 — сопротивления преобразователя при температуре Т °С и 0 °С; А и В — постоянные коэффициенты (для платинового провода, который применяется в промышленных термопреобразователях температуры,

А= 3,9702·10-31/К, В = ­5,8893·10-7 1/К.

Винтервале температур -250...0 °С зависимость сопротивления платины от температуры имеет вид:

где С = ­4,356 10 1/K — постоянный коэффициент.

В интервале температур от ­200 до +650 °С приведенные зависимости являются точной аппроксимацией функции преобразования платиновых преобразователей температуры, в результате чего их используют в качестве эталон-

11.2. Терморезистивные преобразователи температуры

ных для воссоздания Международной температурной шкалы. К недостаткам платиновых преобразователей температуры принадлежат достаточно высокая загрязняемость платины при высоких температурах парами металлов (особенно кремния и железа), сравнительно невысокая химическая стойкость в восстановительной среде, в результате чего она становится хрупкой, теряет стабильность характеристик.

Медь широко применяется в преобразователях температуры в интервале ­40...+180 °С. Температурный коэффициент сопротивления меди бТ = 1/234,7К-1, зависимость электрического сопротивления от температуры — линейная:

К недостаткам медных преобразователей температуры принадлежат высокая окисляемость меди при нагревании, поэтому терморезисторы из меди применяются в указанном, сравнительно узком, диапазоне температур в средах с низкой влажностью и при отсутствии агрессивных газов. Кроме платины и меди для чувствительных элементов термопреобразователей температуры применяют никель, вольфрам и другие чистые металлы (табл. 11.1).

Таблица 11.1. Некоторые физические свойства материалов терморезистивных преобразователей (при 20 °С)

Никель — химически стойкий материал даже при высоких температурах, но имеет сложную зависимость сопротивления от температуры и невысокую ее воспроизводимость. В интервале температур (­50...+180) °С температурная зависимость сопротивления такова:

где А = 0,00547 1/К, В = 0,639 Ї 10-5 1/К; С = 0,69 Ї 10-8 1/К — постоянные коэффициенты.

Тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, тантал и ниобий — имеют ограниченное применение. Влияние рекристаллизации и роста зерен в результате действия температуры делает чувствительный элемент из этих материалов хрупким и потому чувствительным к механическим вибрациям.