Nowy czujnik do pomiaru temperatur w układzie przepływowym wentylatorów

ZESZYTY N A UK OW E PO LI TE CH NI KI ŚLĄSKIEJ

Seria: E N ER GE TY KA z. 72 Nr kol. 60*1

_______ 1979

Andrzej US Z A R U K Instytut M a sz yn

i Urzą dz eń En er ge ty cz ny oh

NOWY CZ UJ NI K DO PO MI AR U T E MP ER AT UR W U K Ł A DZ IE P R ZE PŁ YW OV YM WENT YL AT OR ÓW

St r e s z c z e n i e . W pracy omówiono zalety czujników t e m p e r a t u r y ,opar­

tych n a strukturze kr ze m o w e g o złącza p-n oraz przedstawiono p o ds ta­

wo we zależności fi zyczne złącza w funkcji temperatury. Przy to cz o­

no w y n i k i pomi ar ów ch ar ak te ry st yk U = f(T) dla wybranego typu diod k r z e m o w y c h oraz podano przykładowe rozwiązanie (schemat blokowy) cyfrowego m i e r n i k a temperatury, wy ko na ne go w Zespole Cieplnyoh M a ­ szyn W i r n i k o w y c h

1. Ws t ę p

W p r og ra mi e b a d a ń struktury przepływu w os iowym stopniu sprężającym [i]

przewidziano po mi ar ro zkładu temperatur w pr ze strzeniach mi ędzywieńoowych stopnia. W y w o ł a ł o to k o n i eo zn oś ó opracowania przyrządu do pomiaru temp e­

ratur o dużej do kł adności [A] i zastosowania no we go czujnika o niewielkich w y m i a r a c h i małej be zw ładności termioznej. Dotychczas stosowane czujniki elektryczne temperatury, takie jak: termometry rezystanoyjne metalowe i p ó łprzewodnikowe oraz t e r m o e l e m e n t y , w y k a zu ją wi el e wad. Do w a d tych n a ­ leży gł ównie zaliczyć: dużą be zw ła dn oś ć termiczną, ko ni ec zn oś ć stosowania p r ze wo dó w k o m p e n s a c y j n y c h (termometry, termoelektryczne), mały sygnał u- żyteczny, n i e l i n i o w a zależność rezystancji od temperatury (t e r m i s t o r y ),du­

że w y m i a r y (termometry rezystanoy jne metalowe), Wymi en i ony eh wad n i e p o ­ si adają czujniki oparte n a strukturze krzemowego złącza p-n. To, że nie znalazły one dotychczas szerszego zastosowania wszędzie tam, gdzie w y m a ­ ga ny jest ni ez by t szeroki zakres liniowości temperatury (-AC C - 150 0)[ó]

oraz d u ż a dokład no ść jej pomiaru, jak również niewielkie wy miary i mała ineroja termiczna, spowodowane jest dw ie ma przyczynami: ko ns erwatyzmem oraz ogra ni cz on ą za mi ennością n o w y c h czujników. Doda tk ow ą istotną zaletą za st osowania nowych, czujników z cyfrowym pr ze twarzaniem sygnału jest m o ­ żl iw oś ć b a d a n i a zj awisk nieustalonych, oo w przypadku metod tradyoyjnyoh jest n i e do zrealizowania.

P r ob le m zamienności ozujników rozwiązano poprzez ich dobór w oparciu o wykres ch ar ak te ry st yk U = f(T). V za stosowaniach szerszych selekcję ele-

168 Andrzej Uszaruk

mezitów el ektronicznych (np. diod krzemowych) mo te przeprowadzić sam pro­

ducent .

2. Pó łprzewodnikowy kr zemowy cz uj ni k temperatury

Z uwagi n a małą pojemność cieplną, niewielkie wy mi ar y oraz możliwość pomiaru temperatury z błędem nie w i ę k s z y m ni ż 0,1°C, przewidziano b e z p o ­ średnie zamooowanie ozujnika n a sondzie kulowej. Istotą metody jest tempe­

raturowa zależność spadku na pięcia n a złączu p-n w ki erunku przewodzenia diody [3]- Zaprojektowany i zbudowany przyrząd został przystosowany do współpracy z dwom a półprzewodnikowymi czujnikami temperatury znajdującymi się prze d i za stopniem wentylatora. Ch arakterystyka złącza idealnego p-n określona jest równaniem:

q D aA T

I a Is (e - 1 ), (1 )

i gdzie:

I s - prąd na sy oe ni a diody,

q - elementarny ła dunek elektronu,

- na pięcie zewnętrzne przyłożone do złącza, k - stała Boltzmana,

T - temperatura bezwzględna

i jest zależna od temperatury z dwóo h powodów:

- Konc en tr ac ja ró wn owagowa n o ś n i k ó w mniejszościowych, któr a występuje w prądzie n a sy oe ni a (lB ) jest proporcjonalna do kw adratu koncentracji noś­

n i k ó w samoistnyoh (n^ ) i dlatego w z ra st a ona ba rd zo silnie ze W z r o st em temperatury.

- Potencjał elektrokinetyozny kT/q, kt ór y występuje jako argument w f u n k ­ cji wykładniozej jest liniowo zależny od temperatury. Zwykle n i e uwzględ­

nia się temperaturowej zależności ws pó łc zy nn ik a dyfuzji, występującego w prądzie nasyoenia, gdyż zależność ta jest stała w porównaniu z bardzo silną zależnością od temperatury, jaką obserwujemy w koncentracji n o ś ­ n i k ó w mniejszośoiowyoh.

Biorąc po oh od ną logarytmu ró wnania (i) i pomijająo jedynkę,otrzymujemy

d (q V ) q U . d I

SE

dT T - * x - l T T - 3 T ) - ( 2 )

Rozważając diodę praoująoą w temperaturze pokojowej (300°K) tuż powyżej napięcia progowego (0,2 V dla Ge oraz 0,6 V dla Si) na podstawie równania

(2) otrzymujemy:

Nowy czujnik, do pomiaru temperatur... _______________________________16S

- 2 , 1 mV/° C dla Ge d U _

d T - 2,3 mV/° C dla Si.

Dane te op ierają się n a pa ra me tr ac h średnioh i dla typo wy ch obliozeń zu­

pełnie do brze mo ż n a przyjąć w a rt oś ć

§ = - 2,5 mV/°C

zarówno dla Ge jak i dla Si w temperaturze pokojowej.

N a podstawie r ó w n a n i a (2) mo ż n a zauważyć, że w a rt oś ć — maleje ze wzroste temperatury i przy m a ł y o h zmianach temperatury w porównaniu z temperatura bezw zg lę dn ą n a pi ęo ie n a złączu p-n przy stałym prądzie zmniejsza się l i ­ niow o ze w z r o s t e m temperatury. T ę wł a ś n i e ch ar ak te ry st yc zn ą zależność w y ­ korzys ta no w opracowanej m e to dz ie pomiaru temperatury.

3. Po miar zależności U c f(T) dla diod k r ze mo wy oh impulaowyoh typu BAVP 21

N a rys. 1 przedstawiono sohemat bl ok ow y układu pomiarowego służąoego do zd ej mo wa ni a oh ar ak t e r y s t y k U = f(T). Celem pr zeprowadzonych po miarów by­

ło określenie ks ztałtu kr zy we j U = f(T) oraz wy b ó r takioh dw óc h egzempla­

rzy diod, k t ó r y c h spadki n a pi ęć n a złączu p - n w furikoji temperatury były jednakowe. Wyniki po miarów zebrano w tablicy 2.

Rys. 1. Schemat układu pomiarowego do ba dania zależności U = f(T) 1 - źródła n a p i ę ć odniesienia, 2 - ko mu ta to r sygnałów analogowych, 3 - układ

przełączania, k - wo lt om ie rz cyfrowy Vi»50

170 Andrzej Ugzaruk

Ta bl ic a 1

Nr czujnika 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

dIJ

dT

te]

Ta bl ic a 2

Nr czujnika u p-n L Jr v i

0 °C 1 1 ,9°C 21,6°C 2 9,8°0 4 0 , 9°C 5 8,o°c 86,5°C 1 0 ,6136 0,587*1 0,5655 ^0,5*176 0,5224 0,4840 0,4225 2 0,6305 0,' 6004 0,5755 0,55*t9 0,5278. 0,4863 0,4150 3 0,6016 0,576 2 0,55*t9 0,537*1 0,5235 0,4763 0,4150

4 0,6029 0,5775 0,5563 0,5387 0,5152 0,4780 0,4176

5 0,6028 0,5775 0,5563 0,5387 0,5155 0,4785 0,4180

6 0,6182 0,5913 0-.5689 0,5502 0,5251 0,4865 0,4225 7 0,6098 0,5830 0 ,5 6 0 7 0,5*122 0,5175 0,4785 0,4150 8 0,6070 0,5812 0,5600 0,5*126 0,5192 0,4820 0,4200 9 0,6127 0,5863 0,5643 0,5*158 0,5217 0,4836 0,4203 10 0,5961 0,5705 0,5*191 0,5321 0,5083 0.4698 0,4080

Z uwagi n a ma ły prąd płynąoy przez złącze p - n czuj ni ka (i 00 ¡xX) do pomiaru spadku napi ęo ia n a złączu użyto wo lt om ie rz a cyfrowego V 5*10 o d u ­ żym oporze wewnętrznym. Stałą temperaturę zapewniło użycie ultratermosta- .tu, w k t ór ym było zanurzone naczynie z wo dą destylowaną. W me dnium tym znaj- dowały się badane czujniki. Na podstawie pr zeprowadzonych pomiarów w y k r e ­ ślono krzywe U = f(T). Niektóre z n i o h zamieszczono n a rys. 2.

Stwierdzono, że ws zy st ki e przebadane diody BAVP-21 w y k a z u j ą liniowy c h a­

rakter zmian napi ęc ia na złąozu p-n w funkcji temperatury, ró żnią się zaś jedynie naoh yl en ie m k r z y wy ch oo w yraźnie widać n a przedstawionym w y ­ kresie.

Dla ws zy st ki ch przebadanyoh ozujników obliczono na ch yl en ia dla za­

kresu temperatury 11,9°C - 40,9°C, w y ni ki ujęto w wyżej przedstawionej t a ­ blicy 1.

Nowy czujnik, do pomiaru temperatur. 171

Rys. 2. W y kr es zależności U=f(T,> uj.a w y b r a n y c h czujników

Ił. Ogólna ko nc e p c j a przetwornika te mp er at ura-częstotliwość

Na rys. 3 przedstawiono schemat bl okowy przetwornika te mperatura-częs­

totliwość. Przy pr oj ektowaniu i bu dowie przyrządu założono, że będzie on mógł w przyszłości w s p ó ł p ra co wa ć w syst em ac h centralnej rejestracji da-

nyoh. Z uwagi n a to, że syg­

nał w y jś oi ow y jest sygnałem T T L um ożliwiającym wspó łp ra - oę z dowolnym urządzeniem w y ­ ko na ny m w technice T T L lub z n i m kompat yb il ny m [2]. Przy projektowaniu przyrządu zało­

żono, że temperatura ot ocze­

n i a będzie się zmieniać w d o ś ć szerokich granicach, dlatego też szczególną uwagę zwróoo- no n a kons tr uk cj ę układów źró­

deł na pi ęć odniesienia [7,8].

Przyrząd przedstawiony na rys. 3 składa się z dwóo h blo-

1 ukfad formujący i/ęnary

* prłdtwoifik napięci* *t**toMiwołć 1 e*dsl»łci«mi#'ł tyłowy 1 np Płt 201 B totiloci »(obiliiowon/

Rys. 3. Sohemat blokowy pr ze tw or ni ka tem- p e ra tura-ozęstotliwośó

172 Andrzej Uszaruk

k ó w - bloku analogowego oraz c y f r o w e g o . ¥ skład bloku analogowego w c ho dz ą n a st ępujące podzespoły: czujniki (diody krzemowe), źródła napięć odni e­

sienia, k o mu ta to r sygnałów analogowych, układ form uj ąc y sygnał.

Czujniki temperatury są zasilane przez wy so ko et ab ił he układy źródeł n a ­ pięć odniesienia. Zmiana n& p i ę o i a n a złąozu p - n diody pod w p ły we m temp e­

ratury jest przesy ła na przez ko mu t a t o r sy gnałów analogowych (wybór czuj­

n i k a I lub I X ) do układu formującego sygnał, tam po odpowiedniej gobriifeóe sygnał n a pi ęc io wy jest kier ow an y do prze tw or ni ka napięoie-ozęstotliwośó.

Impulsy z przetwornika napięoie-o zę st ot liw oś ó przesyłane są do ozęstośoio- mierza, k t ó r y umożliwia oyfrowy odczyt w i el ko śc i wejści ow ej (temperatury), jak ró wnież przetw ar za informację bi na rn ą (częstotliwość) n a kod BCD mo- gąoy być wi el ko śc ią sterującą, np. drukarką. Opróoz ozęstośoiomierza i przetwornika napięoie-o zę st ot liw oś ó w skład blok u cyfrowego wc ho dz i układ sterowania i pr ze łą cz an ia ka na łó w poraiarowyoh.

5. Uwagi końcowe

N a podstawie przepr ow ad zo ny ch ba d a ć stwierdzono, że diody impulsowe ty­

pu B A V P 21 n i e spełniają w a r u nk ów zmiennośoi z uwagi n a trudności z do bo­

r e m egzemplarzy o Idealnie ta ki ch samyoh ch ar ak terystykach U a f('f). Ja­

ko czujniki temperaturowe proponuje się użycie diod pojemnościowych, k t ó ­ re są produkowane w tzw. i: szóśżkaoh" - co zapewnia stałość parametrów sta- ty oznyoh i dyna mi cz ny ch dla wy branej "szóstki" [ć].

Z uwagi n a bardzo m a ł ą bezwładność termiczną czujnika temperatury, na-' leży b a rd zo starannie zaprojektować jego zamocowanie do sondy kulowaJ o- raz sposób po dł ączenia prze wo dó w za si lająoyoh ozujnik. Proponuje csię do tego pelu użycie k r ó t k i c h przewodów m i e d zi an yc h o średnicy nie wi ększej od 0,1 mm.

Zaprojektowany i zbudowany w Zespole Cieplnych Ma szyn Wirn ik ow yc h przy­

rząd n a l e ż y traktować jako urządzenie modelowe. Aby osiągnąć lepsze p a r a ­ metry, szczególnie m n i e js zą wr aż li wo ść n a temperaturę otoozenia, pr oponu­

je się użyoie le pszych jakościowo elementów (głównie wz ma oniaozy operacyj­

nych, np.pA.7>V7 łub T C A k90B) [7,8]. Stosując termostat dla przetwornika U / f możn a znacznie zmniejszyć b ł ą d ni el iniowości przetwarzania. ¥ miejsce ko mu ta to ra sy gnałów analogowych zrealizowanyoh w oparoiu o kontaktrony pro­

ponuje się użyoie soalonego przełąoznika analogowego, np. firmy S e so os om - SP.P1Ó0K [?]. Istnieje wted y możl iw oś ć pomiaru temperatury w 8 różnych pu nktach wentylatora. ¥ przypadku stosowania wa ri k a p ó w (diod pojemnościo­

wych) jako czuj ni kó w temperatury istnieje możliwość wykorz ys ta ni a tylko jednego źródła n a p i ę c i a odnissionia.

Praca została wy k o n a n a w r a ma ch problemu mi ędzyresortowego M S 1.26

"Podstawy projek to wa ni a m a sz yn i urządzeó energetycznych" koordynowanego przez IMP P A N w Gd&ósku,

Nowy ozujnik do pomiaru temperatur. m

LI TE RA TU RA

[ 1 ] Witkowski. A. ! Stanowisko do b a d a ń struktury przepływu w osiowym stop­

n i u sprężającym. Ma te r i a ł y n a Ko nf e r e n c j ę Nauk ow o- Te ch ni cz ną "Wenty­

la to ry przemysłowe" G l iw io e- Ka to wi oe 1979.

[2] Sowiński: Cy f r o w a tech ni ka pomiarowa. KWiŁ, W a r s z a w a 1975.

[3] Gray P . E . , Searle C . L . : Po dstawy elektroniki. P W N Warszawa, 1976.

[¡¡] Pomiary, automatyka, k o n t ro la - n r 6/1976.

[5] Pomiary, automatyka, k o n t ro la - n r 1/1977.

[6] "Sflelovaoi teohnika" - n r 12/1977.

[7] "Linear Integr at ed Cirouits 1976" - ka ta lo g fi rm y Sesoosem.

[8] "Linear and C o nv er si on I.C. Products" - ka talog firm y PMI,

HO B H 0 .ĘATWIiK jyuj U3MEPEHHS TEMUBPATyP B nPOTOWHOM CHCTEME BEHTHJIHTOPOB

P e 3 k> u ^e

B cT a iŁ e oOcyscfleHH AOCTOHHeiBa flaiwaKOB TeM uepaiypH , ocHOBaHHHX Ha d p y sc Type KpeMHHQBoro o o e f l H H e H H k p - n , a tslkjus npeflCTaBaeHH o c H O B H u e $ H 3 H H e c K H e

3aBHCHM00TH ooeflHKeHHH b (JiyHKĄHK TeM nepaiypH.

X I p H B e ^ e H H p e 3 y j i B i a T H n 3 M e p e n H 8 x a p a K T e p n c i H K U » f(T) jyra H 3 f i p a H H O r o t h - n a K p e M H K Q B H X s h o a o b , a Taicse n o k a s a H O n p a i i e p H o e p e m e s t i e (6jiok-c x e s»a ) v,B<p-

p o B o r o f l a i H H K a T e M n e p a i y p H , c o 3 f l a H H o r o b Koji-neicTHBe T e r u i O B n x p o i o p H H x ua-

N E W SE NS OR OF T E M P E R A T U R E M E AS UR ME NT IN TH E F A N FLOW SY ST EM

S u m m a r y

T h e po si ti ve fe atures of the n e w temperature gauges base d on the struc­

ture of si licon p-n junction are presented in this paper. The fundamental physioal relations f o r p-n junctions are presented as a fu nc ti on of tem­

perature. T h e meaurment results of curves characteristics U - f(t) f o r se­

lected types of si li oo n diodes and a n example of d e si gn (blook pattern) of a digital temperature mete r constructed in the Th er ma l Turbom&ohines I n v e s t ig at io n Grou p is also presented in this paper.