CS242264B1

CS242264B1 - Semiconductor diode thermometer with full temperature sensor normalization

Info

Publication number: CS242264B1
Application number: CS841032A
Authority: CS
Inventors: Jiri Zabransky
Original assignee: Jiri Zabransky
Priority date: 1984-02-14
Filing date: 1984-02-14
Publication date: 1986-04-17
Also published as: CS103284A1

Abstract

Diodový polovodičový teploměr s úplnou normalizací teplotních čidel, tj. zapojení pro kompenzaci lišících se úbytků napětí polovodičových diod a lišících se teplotních koeficientů jednotlivých diod, které jsou výsledkem výrobního rozptylu. Zapojení sestává ze zdroje konstantního proudu, zdroje konstantního napětí, měrné diody, lineárního zesilovače, tří normalizačních odporů a měřidla. Zapojením je dosaženo úplné záměrnosti čidel bez nutnosti výběru a třídění teploměrných diod.Diode semiconductor thermometer with full normalization of temperature sensors, i.e. connection for compensation of different voltage drops of semiconductor diodes and different temperature coefficients of individual diodes, which are the result of manufacturing variance. The connection consists of a constant current source, a constant voltage source, a measuring diode, a linear amplifier, three normalization resistors and a meter. The connection achieves full intentionality of the sensors without the need to select and sort the temperature measuring diodes.

Description

Diodový polovodičový teploměr s úplnou normalizací teplotních čidel, tj. zapojení pro kompenzaci lišících se úbytků napětí polovodičových diod a lišících se teplotních koeficientů jednotlivých diod, které jsou výsledkem výrobního rozptylu. Zapojení sestává ze zdroje konstantního proudu, zdroje konstantního napětí, měrné diody, lineárního zesilovače, tří normalizačních odporů a měřidla. Zapojením je dosaženo úplné záměrnosti čidel bez nutnosti výběru a třídění teploměrných diod.Diode semiconductor thermometer with full normalization of temperature sensors, ie wiring for compensation of differing voltage drop of semiconductor diodes and different temperature coefficients of individual diodes, which are the result of production variance. The circuit consists of a constant current source, a constant voltage source, a diode, a linear amplifier, three normalization resistors and a meter. By wiring the sensor is fully intentional without having to select and sort thermometer diodes.

Vynález se týká zapojení polovodičového diodového teploměru s úplnou normalizací teplotních čidel, tj. zapojení pro kompenzaci lišících se úbytků napětí polovodičových diod v propustném směru a pro kompenzaci lišících se teplotních koeficientů jednotlivých diod způsobených výrobním rozptylem.The invention relates to a semiconductor diode thermometer wiring with complete normalization of temperature sensors, i.e. wiring to compensate for varying voltage drop of the semiconductor diodes in the forward direction and to compensate for different diode temperature coefficients caused by manufacturing variance.

Měření teploty s použitím polovodičových diod jako čidla spočívá ve sledování změn úbytku napětí na měrné diodě při průchodu konstantního proudu v propustném směru v závislosti na teplotě. Teplotní závislost polovodičových diod je záporná a prakticky lineární. Důvodem zájmu o tato čidla jsou linearita, nízká cena, vynikající dlouhodobá stabilita spolu s poměrně velkým teplotním rozsahem, pro křemíkové diody 70 až 420 K. Menší rozsah oproti platinovým teploměrům pro řadu použití v technologických procesech a při skladování je zcela dostatečný, naproti tomu výhodou je úspora platiny, lepší linearita v oblasti pod 0 °C a menší vliv odporu vedení. Základními parametry měrných diod jsou napěťový úbytek při určité teplotě a teplotní koeficient jednotlivých diod. Oba tyto parametry se u jednotlivých diod nezávisle na sobě liší, což je způsobeno výrobním rozptylem. Při výběru dvojic, n-tic nebo při výměně čidla je nutno prověřit velký počet diod k dosažení shody obou parametrů současně. Tato nevýhoda brání rozšíření tohoto jinak výhodného čidla do výroby a průmyslové praxe.Temperature measurement using semiconductor diodes as a sensor consists in monitoring changes in voltage drop across a specific diode as a constant current is passed in the forward direction as a function of temperature. Temperature dependence of semiconductor diodes is negative and practically linear. The reason for these sensors is linearity, low cost, excellent long-term stability along with relatively large temperature range, for silicon diodes 70 to 420 K. The smaller range compared to platinum thermometers for many applications in technological processes and storage is quite sufficient, on the other hand is platinum saving, better linearity in the range below 0 ° C and less influence of line resistance. Basic parameters of specific diodes are voltage drop at a certain temperature and temperature coefficient of individual diodes. Both of these parameters differ from one diode to another independently of each other, which is caused by the manufacturing variance. When selecting pairs, tuples or replacing a sensor, it is necessary to check a large number of diodes in order to match both parameters simultaneously. This disadvantage prevents the expansion of this otherwise advantageous sensor into manufacturing and industrial practice.

Dosud známá zapojení diodových teploměrů založených na sledování změn úbytku napětí polovodičových diod při průchodu konstantního proudu v propustném směru neřeší uvedené nevýhody, předpokládají vždy současnou kalibraci čidla a vyhodnocovacího obvodu, což je pro výrobu a průmyslovou praxi nepřijatelné. Zlepšené zapojení dle čs. autorského osvědčení č. 234 245 řeší normalizaci úbytku napětí jednotlivých diod při určité teplotě, avšak diody je nutno třídit podle lišících se teplotních koeficientů.The hitherto known diode thermometer connections based on monitoring the voltage drop of the semiconductor diodes when passing a constant current in the forward direction do not solve these disadvantages, always assuming simultaneous calibration of the sensor and the evaluation circuit, which is unacceptable for manufacturing and industrial practice. Improved wiring according to MS. No. 234 245 addresses the normalization of voltage drop of individual diodes at a certain temperature, but the diodes have to be sorted according to different temperature coefficients.

Zmíněné nevýhody odstraňuje polovodičový diodový teploměr podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že k výstupu uzemněného zdroje konstantního napětí je připojeno sériové spojení prvního normalizačního odporu, měrné diody, zapojené v propustném směru, a druhého normalizačního odporu. Druhý konec sériového spojení je připojen jednak k výstupu uzemněného zdroje konstantního proudu a dále je současně připojen ke vstupu uzemněného lineárního zesilovače. Toto sériové spojení je voleno tak, aby součet úbytků na tomto spojení při průchodu určitého konstantního proudu a při určité teplotě byl roven konstantě. Současně napětí na výstupu zdroje konstantního napětí je v absolutní hodnotě shodné se součtem úbytků na sériovém spojení, ale opačné polarity, což má za následek, že při této teplotě je napětí na vstupu lineárního zesilovače nulové. K výstupu lineárního zesilovače je připojeno měřidlo, jehož výstup je uzemněn. Ke svorkám změny zesílení lineárního zesilovače je připojen třetí normalizační odpor, jehož velikost má vliv na zesílení lineárního zesilovače. Pomocí změny třetího normalizačního odporu je možno dosáhnout konstantní odezvy na výstupu lineárního zesilovače pro různé měrné diody s různým teplotním koeficientem.The above-mentioned disadvantages are overcome by the semiconductor diode thermometer according to the invention, characterized in that the output of a grounded constant voltage source is connected by a serial connection of a first normalization resistor, a forward diode connected to a diode and a second normalization resistor. The other end of the serial link is connected to the output of a grounded constant current source and is also connected to the grounded linear amplifier input. This series connection is chosen so that the sum of the losses on this connection when the current is passed at a certain temperature is constant. At the same time, the voltage at the output of the constant voltage source is, in absolute terms, equal to the sum of the drops on the serial link, but the opposite polarity, which results in that at this temperature the voltage at the linear amplifier input is zero. A meter is connected to the output of the linear amplifier, the output of which is grounded. A third normalization resistor is connected to the gain amplifier terminals of the linear amplifier, the magnitude of which affects the gain of the linear amplifier. By varying the third normalization resistance, it is possible to achieve a constant response at the output of the linear amplifier for different measurement diodes with different temperature coefficients.

Výhodou polovodičového diodového teploměru podle vynálezu je úplná normalizace teploměrných diod, zapojení odstraňuje nejen nutnost výměru diod podle shodných napětí v propustném směru, ale současně odstraňuje i nutnost výběru podle shodných teplotních koeficientů jednotlivých diod.The advantage of the semiconductor diode thermometer according to the invention is the complete normalization of the thermo diodes.

Příklad zapojení polovodičového diodového teploměru, který vynález vysvětluje, ale neomezuje, je znázorněn na obr. 1, příklad vnitřního zapojení lineárního zesilovače je na obr. 2.An example of a semiconductor diode thermometer connection that explains but does not limit the invention is shown in Fig. 1, an example of the internal connection of a linear amplifier is shown in Fig. 2.

K výstupu uzemněného zdroje 5 konstantního napětí je připojeno sériové spojení prvního normalizačního odporu 3, měrné diody 2, zapojené v propustném směru, a druhého normalizačního odporu 4, druhý konec sériového spojení je připojen jednak k výstupu uzemněného zdroje 1 konstantního proudu a dále je současně připojen ke vstupu uzemněného lineárního zesilovače 6, jehož výstup je připojen ke vstupu měřidla 8, jehož výstup je uzemněn. Celkový úbytek napětí na sériovém spojení prvního normalizačního odporu 3, měrné diody 2 a druhého normalizačního odporu 4 je dán rovnicí U_N = U_D 4-_; Rsl + Rd, kde U_D je napěťový úbytek na měrné diodě 2 a Rl jsou napěťové úbytky na normalizačních odporech 3, 4. Celkový úbytek napětí U_N je výhodné volit při použití křemíkových diod U_N = 800,0 mV při 0 °C, konstantní proud je výhodné volit 1 mA nebo i méně až do 0,1 mA. Pokud se nastaví na výstupu zdroje 5 konstantního napětí, napětí opačné — 80,0 mV, bude na vstupu lineárního zesilovače 6 a tím i na jeho výstupu napětí nulové. Jedno z možných vnitřních zapojení lineárního zesilovače 6 představuje obr. 2. Vstup lineárního zesilovače 6 je zapojen přes vstupní odpor 12 do neinvertujícího vstupu operačního zesilovače 9, jehož výstup je spojen s výstupem lineárního zesilovače 6. Mezi invertujícím vstupem operačního zesilovače 9 a jeho výstupem je zapojen první zpětnovazební odpor 10 a dále je tento vstup operačního zesilovače 9 uzemněn přes druhý zpětnovazební odpor 11. Paralelně k tomuto druhému zpětnovazebnímu odporu 11 je připojen třetí normalizační odpor 7. Zesílení lineárního zesilovače 6, znázorněného na obr. 2 jako neinvertující zapojení operačního zesilovače 9, je bez připojeného třetího normalizačního odporu 7 dáno vztahem A = Rio/Rii + 1 (I), kde A je napěťové zesílení, Rio je první zpětnovazební odpor 10 a Rn je druhý zpětnovazební odpor 11. Výstupní signál lineárního zesilovače fi na obr. 1 je dán vztahem U_o = A . t_k (t_max — t₀) (II), kde U_o je výstupní napětí lineárního zesilovače 6, A je napěťové zesílení lineárního zesilovače 6, t_k je teplotní koeficient měrné diody 2, t_max je teplota maxima stupnice měřidla 8, t₀ je teplota minima stupnice měřidla 8. Z rovnice (II) je zřejmé, že rozdíly v teplotním koeficientu t_k jednotlivých diod je možno dokompenzovat změnou zesílení A, které je jednoduše možno měnit podle vztahu (I) poměrem odporů. Hodnoty zpětnovazebních odporů 10 a 11 je výhodné stanovit tak, aby zesílení A a stanovené výstupní napětí U_o nebylo zcela dosaženo ani pro nejvyšší absolutní hodnotu teplotního koeficientu t_k vyskytujícího se u měrných diod. Pro křemíkové diody při použití konstantního proudu 1 mA byl nalezen v teplotním intervalu 0 až 100 °C teplotní koeficient v rozmezí —1,8190 až —2,0210 mV/K, proto je výhodné volit pro výpočet zpětnovazebních odporů 10 a 11 podle rovnic (I) a (II) hodnotu t_k alespoň —2,1 mV/K. Připojením třetího normalizačního odporu 7 se zvětší napěťové zesílení lineárního zesilovače 6, čímž je dána možnost dokompenzovat teplotní koeficient reálné měrné diody 2. Pro výpočet třetího normalizačního odporu 7 byl odvozen vztahConnected to the output of the grounded constant voltage source 5 is a serial connection of the first normalization resistor 3, a diode 2 connected in the forward direction, and a second normalization resistor 4, the other end of the serial connection is connected to the output of the grounded constant current source 1. to the input of a grounded linear amplifier 6, the output of which is connected to the input of a meter 8, the output of which is grounded. The total voltage drop across the series connection of the first normalization resistor 3, the diode 2 and the second normalization resistor 4 is given by the equation U _N = U _D 4- _; Rsl + Rd, where U _D is the voltage drop across the diode 2 and Rl is the voltage drop across the normalization resistances 3, 4. The total voltage drop U _N is preferable when using silicon diodes U _N = 800.0 mV at 0 ° C, it is preferred to select a constant current of 1 mA or less up to 0.1 mA. If constant voltage is set at the output of the source 5, the opposite voltage - 80.0 mV, the voltage of the linear amplifier 6 and thus its output will be zero. One of the possible internal connections of the linear amplifier 6 is shown in FIG. 2. The input of the linear amplifier 6 is connected via an input resistor 12 to the non-inverting input of the operational amplifier 9, the output of which is connected to the linear amplifier output. the first feedback resistor 10 is connected, and further, this input of the operational amplifier 9 is grounded through the second feedback resistor 11. In parallel to this second feedback resistor 11, a third normalization resistor 7 is connected. , without the connected third normalization resistor 7, is given by A = Rio / Rii + 1 (I), where A is the voltage gain, Rio is the first feedback resistor 10 and Rn is the second feedback resistor 11. The output signal of the linear amplifier fi in Fig. 1 is given by U _o = And. t _k (t _max - t ₀ ) (II), where U _o is the output voltage of the linear amplifier 6, A is the voltage gain of the linear amplifier 6, t _k is the diode temperature coefficient 2, t _max is the maximum scale temperature of 8 ₀ is the temperature scale minimum gauge 8. From equation (II), it is clear that differences in the temperature coefficient t _to the individual diodes can be dokompenzovat change of gain A, which is simple can be varied according to the formula (I) the ratio of resistances. It is advantageous to determine the values of the feedback resistors 10 and 11 so that the gain A and the determined output voltage U _{o are} not fully achieved even for the highest absolute value of the temperature coefficient t _k occurring with the diodes. For silicon diodes using a constant current of 1 mA, a temperature coefficient of –1.8190 to –2.0210 mV / K was found in the temperature range of 0 to 100 ° C, so it is advantageous to choose 10 and 11 according to equations ( I) and (II) a value of t _{k of} at least —2.1 mV / K. The addition of the third normalization resistor 7 increases the voltage gain of the linear amplifier 6, giving the possibility to compensate for the temperature coefficient of the real measurement diode 2. For the calculation of the third normalization resistor 7, the relation

A_k . Rn — Rio — Rli kde A_k je skutečné zesílení lineárního zesilovače 6, potřebné podle vztahu (II) po dosazení teplotního koeficientu t_k konkrétní měrné diody 2.A _k . Rn - Rio - Rli where A _k is the actual amplification of the linear amplifier 6 required according to formula (II) after the temperature coefficient t _{k has been set to a} particular measuring diode 2.

Zapojením podle vynálezu se dosáhne úplné normalizace měrných diod 2. Je nutno pouze změřit oba základní parametry měrných diod a na základě nich vypočítat první, druhý a třetí normalizační odpor. Rozdílné úbytky napětí při určité teplotě se dokompenzují, normalizačními odpory 3, 4, které je vhodné vložit do sestavy konektoru čidla. Vzhledem k tomu, že normalizační odpory 3, 4 Jsou součtem odporu vedení k čidlu a vloženého odporu, je zapojením současně vykompenzován odpor vedení k čidlu. Rozdílné teplotní koeficienty měrných diod 2 jsou vykompenzovány pomocí třetího normalizačního odporu 7, který je rovněž výhodné vložit do sestavy konektoru čidla; dosáhne se tak úplné záměrnosti čidel.It is only necessary to measure the two basic parameters of the diodes and calculate the first, second and third normalization resistances. Different voltage drops at a certain temperature are compensated by normalizing resistors 3, 4, which should be inserted into the sensor connector assembly. Since the normalization resistances 3, 4 are the sum of the resistance of the lead to the sensor and the inserted resistor, the wiring to the sensor is compensated by wiring. The different temperature coefficients of the diodes 2 are compensated by means of a third normalization resistor 7, which is also advantageous to be inserted into the sensor connector assembly; the full intentionality of the sensors is achieved.

Claims

SUBJECT

1. A semiconductor diode thermometer with a complete normalization of temperature sensors, comprising a thermometer diode and an evaluation device, characterized in that a serial connection of the first normalization resistor (3), a diode (2) connected in a permeable direction, and the second normalization resistor (4), the other end of the serial connection is connected both to the output of a grounded constant current source (1) and is simultaneously connected to the grounded linear amplifier (6J) input to

The output of which is connected to the input of the meter (8), the output of which is grounded, to the gain amplifier terminals of the linear amplifier (6J connected to the third normalization resistor (7).

2. Semiconductor diode thermometer according to claim 1, characterized in that the first normalization resistor (3J) consists only of the resistance of the connection line.

3. Semiconductor diode thermometer according to claim 1, characterized in that the second normalization resistance (4) is formed by a resistance of the connection line.