Интегральные измерители температуры.

Интегральные датчики температуры (ИДТ) являются неотъемлемой частью практически любого современного электронного устройства. С одной стороны, это связано с необходимостью обеспечения требуемых характеристик аппаратуры в широком диапазоне температур, а с другой — с проблемой обеспечения оптимального теплового режима элементов и защиты их от перегрева. Отличительной особенностью ИДТ по сравнению с традиционными термодатчиками (термисторами, термопарами и др.) является сравнительная простота их использования — они не требуют линеаризации (линеаризация – метод анализа нелинейных систем или зависимостей, при котором они рассматриваются как линейные) и компенсации холодного спая, что делает весьма целесообразным их применение во всевозможных термометрах и терморегуляторах. Последнее поколение ИДТ со специализированными цифровыми интерфейсами, так называемые интеллектуальные ИДТ (Smart Temperature Sensor), широко применяются для стабилизации тепловых режимов вычислительных систем, измерительной аппаратуры и в технике радиосвязи.

Работа большинства интегральных термодатчиков и ИОН (источник опорного напряжения) основана на использовании напряжения на прямо смещенном кремниевом p-n-переходе. Величина этого напряжения имеет следующий вид: U = (kT/q) ln(I/I_s) (4),

где U — напряжение на переходе, k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура, q — заряд электрона, I — ток через переход, I_s — обратный ток насыщения, величина которого зависит от конфигурации и температуры перехода. Однако непосредственное применение формулы (4) для точного измерения температуры невозможно по двум причинам: во-первых, существует значительный разброс «начального» прямого падения напряжения на переходе, связанный с технологией изготовления последнего, а во-вторых, существенный вклад в значение U(T) вносит температурная зависимость I_s. Для исключения данных эффектов измерение температуры в ИДТ производится по разности напряжений двух p-n-переходов, а точнее напряжений база-эмиттер ΔU_бэ двух интегральных транзисторов с различной плотностью токов эмиттера, для чего можно использовать транзисторы с разными площадями эмиттерных переходов или набор одинаковых транзисторов, соединенных параллельно. Нетрудно показать, что разность напряжений ΔU_бэ одиночного транзистора Q1 и транзистора Q2, образованного N параллельно соединенными такими же транзисторами, при равных токах их коллекторов пропорциональна величине абсолютной температуры согласно формуле:

ΔU_бэ = (kT/q) ln(N) (5),

где N=J_E1/J_E2, а J_E1 и J_E2 — плотность тока эмиттеров транзисторов.

Совершенствование интегральных датчиков температуры направлено на повышение линейности и точности измерений. Появились специализированные микросхемы — контроллеры для работы с удаленными термочувствительными элементами (диодами или транзисторами), которые могут располагаться непосредственно в контролируемом устройстве, например микропроцессоре. В этом случае микросхема-контроллер проводит поочередное измерение выходных напряжений сенсора при двух заданных значениях тока, а затем расчет разности этих напряжений и температуры согласно приведенным формулам. Максимальный диапазон температур, перекрываемый интегральными полупроводниковыми датчиками, составляет от –60 до +200 °С, минимальная погрешность измерений зависит от диапазона измеряемых температур и может составлять менее десятых долей градуса. Следует отметить, что точность измерения температуры зависит от типа корпуса датчика, его конструктивного выполнения и размещения в системе. На результаты измерений влияет также собственное тепловыделение ИДТ, определяемое приложенным к нему напряжением и потребляемым током.

Лекция 4.

Введение.

Калориметрия (от лат. calor - тепло и греч. metreo - измеряю), совокупность методов измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в изучаемом процессе. Для определения количества теплоты используют специальные приборы - калориметры. Совокупность частей калориметра, между которыми распределяется измеряемое количество теплоты, называется калориметрической системой. Она включает в себя калориметрический сосуд, в котором протекает изучаемый процесс, инструмент для измерения температуры (ртутный термометр, термометр сопротивления, термопара или термобатарея, терморезистор, кварцевый термометр и др.; при температурах выше 1300 К используют оптические пирометры), электрический нагреватель и др. Калориметрическую систему защищают экранами или оболочками, предназначенными для регулирования ее теплообмена с окружающей средой. Оболочки могут быть изотермическими или адиабатическими. Разность температур калориметрической системы и оболочки контролируют простыми и дифференциальными термопарами и термобатареями, терморезисторами и т.д. Температуру оболочки, снабженную электрическим нагревателем, регулируют автоматически с помощью электронных устройств. Все калориметры (в зависимости от принципа измерения количества теплоты) можно условно разделить на калориметры переменной температуры, постоянной температуры и теплопроводящие. Наиболее распространены калориметры переменной температуры, в которых количество теплоты Q определяется по изменению температуры калориметрической системы: Q =W*dT, где W - тепловое значение калориметра (т.е. количество теплоты, необходимое для его нагревания на 1 К), найденное предварительно в градуировочных опытах, d T - изменение температуры во время опыта. Калориметрический опыт состоит из трех периодов. В начальном периоде устанавливается равномерное изменение температуры, вызванное регулируемым теплообменом с оболочкой и побочными тепловыми процессами в калориметре, так называемый температурный ход калориметра. Главный период начинается с момента ввода теплоты в калориметр и характеризуется быстрым и неравномерным изменением его температуры. В конечном периоде опыта, по завершении изучаемого процесса, температурный ход калориметра снова становится равномерным. В калориметрах с изотермической оболочкой (иногда называемых изопериболическими калориметрами) температура оболочки поддерживается постоянной, а температуры калориметрической системы измеряют через равные промежутки времени. Для вычисления поправки на теплообмен, которая достигает несколько % от dТ, используют метод расчета, основанный на законе охлаждения Ньютона. Такие калориметры обычно применяют для определения теплот сравнительно быстрых процессов (продолжительность главного периода опыта 10-20 мин). В калориметрах с адиабатической оболочкой температуру оболочки поддерживают близкой к температуре калориметрической системы в продолжение всего опыта (температуру последней измеряют только в начальном и конечном периодах опыта). Поправка на теплообмен в этом случае незначительна и вычисляется как сумма поправок на неадиабатичность и на ход температуры. Такие калориметры применяют при определении теплот медленно протекающих процессов. По конструкции калориметрической системы и методике измерения различают жидкостные и массивные, одинарные и двойные (дифференциальные) калориметры и др. В жидкостном калориметре (рис. 1) сосуд заполнен определенным количеством так называемой калориметрической жидкости (обычно дистиллированной воды, реже этанола, жидкого NH₃, вазелинового масла, расплавленного свинца и др.). В сосуд помещают калориметрическую бомбу или ампулу с веществом. Часто калориметрическая жидкость служит одновременно одним из компонентов какой-либо химической реакции. Такие калориметры наиболее часто применяют для работы при комнатных температурах для измерения теплоемкости твердых и жидких тел, энтальпий сгорания, разложения, испарения, растворения, химических реакций, протекающих в растворах, и др. В массивном калориметре вместо калориметрической жидкости используют блок из металла с хорошей теплопроводностью (Сu, Al, Ag) с выемками для сосуда, термометра и нагревателя. Их применяют для измерения энтальпий сгорания, испарения, адсорбции и др., но чаще всего для определения энтальпии веществ при температурах до 3000 К по методу смешения. Энтальпию вещества рассчитывают как произведение теплового значения калориметра и изменения температуры блока, измеренных после сбрасывания нагретого до нужной температуры образца в гнездо блока. Для определения теплоемкости твердых и жидких веществ в области от 0,1 до 1000 К и энтальпий фазовых переходов используют калориметры-контейнеры (рис. 2), в которых калориметрическим сосудом служит тонкостенный контейнер (ампула для вещества) обычно небольшого размера (от 0,3 до 150 см³), изготовленный из меди, серебра, золота, платины, нержавеющей стали.

Рис. 1. Жидкостной калориметр с изотермической оболочкой:

1 - калориметрический сосуд;

2 - калориметрическая бомба;

3 и 9 - термометры калориметра и оболочки соответственно;

4 и 7 - нагреватели калориметра и оболочки соответственно;

5 - мешалки с приводом;

6 - изотермическая оболочка, заполненная водой;

8 - змеевик для охлаждения оболочки; 10 - контактный термометр для регулировки температуры оболочки.

Калориметры-контейнеры, предназначенные для работы при низких температурах, кроме системы изотермической или адиабатической оболочек, защищают вакуумной рубашкой и помещают в криостат (сосуд Дьюара), заполненный в зависимости от температурной области жидким Не, Н₂ или N₂. Для работы при повышенных температурах калориметр помещают в термостатированную электрическую печь. Теплоемкость С = Q/dТ обычно определяют методом периодического, реже - непрерывного ввода теплоты.

Рис. 2. Адиабатический калориметр-контейнер для определения теплоемкости твердых и жидких веществ при низких температурах:

1, 2 - адиабатические оболочки;

3 - калориметр;

4 - платиновый термометр сопротивления;

5 - нагреватель;

6 - герметичный платиновый контейнер для вещества;

7 - крышка контейнера.

Теплоемкость газов и жидкостей при постоянном давлении определяют в проточных калориметрах - по разности температур на входе и выходе стационарного потока газа или жидкости, мощности этого потока и джоулевой теплоте, выделенной электрическим нагревателем. При измерениях небольших тепловых эффектов, а также теплоемкостей применяют двойной калориметр, имеющий две совершенно одинаковые калориметрические системы (жидкостные, массивные, тонкостенные), которые находятся при одной и той же температуре и имеют одинаковый теплообмен с оболочкой. Вместо поправки на теплообмен вводят небольшую поправку на неидентичность калориметрических систем (блоков), определяемую предварительно. При определении тепловых эффектов экзотермических реакций в одном из блоков выделяется неизвестное количество теплоты исследуемой реакции Qx (например, реакции полимеризации), а в другой блок вводится известное количество теплоты Q так, чтобы температуры обоих блоков были равны в продолжение всего опыта, тогда Qx = Q. В случае эндотермической реакций теплота Q вводится в тот блок, в котором протекает процесс. В калориметрах постоянной температуры, или изотермических, количество теплоты измеряют по количеству вещества, изменившего свое агрегатное состояние (плавление льда, нафталина или испарение жидкости). Теплопроводящие калориметры (иногда их называют диатермическими) используют в калориметрии теплового потока, в которой определение Q основано на измерении мощности теплового потока dQ/dt (t – время). К этой калориметрии относят микрокалориметрию Тиана-Кальве и дифференциальную сканирующую калориметрию В первой записывают кривые dQ/dt =f(t) при постоянной температуре, во второй - кривые dQ/dt = f(t, I) при постоянной скорости нагревания и охлаждения. Величину Q определяют по площади пика на кривой нагревания: Q*m = K*A, где К - калибровочная константа, А - площадь, т - масса вещества. Теплопроводящие калориметры должны обладать значительным теплообменом с оболочкой, чтобы большая часть вводимой в них теплоты быстро удалялась и состояние калориметра определялось мгновенным значением мощности теплового процесса. Такие калориметры (рис. 3) представляют собой металлический блок с каналами, в которых помещаются цилиндрические камеры, чаще всего две, работающие как дифференциальный калориметр. В камере проводится исследуемый процесс, металлический блок играет роль оболочки, температура которой может поддерживаться постоянно с точностью до 10^-6 К. Передача теплоты и измерение разности температур камеры и блока осуществляется с помощью термобатарей, имеющих до 1000 спаев; эдс измерительной термобатареи и соответствующий тепловой поток пропорциональны малой разности температур, возникающей между блоком и камерой, когда в ней выделяется или поглощается теплота. Чувствительность калориметров достигает 0,1 мкВт.

Рис. 3. Микрокалориметр Кальве:

1 - калориметрическая камера, окруженная термоспаями детекторной и компенсационной термобатарей;

2 - блок (оболочка) калориметра;

3 - термостатирующая оболочка;

4 - тепловая изоляция;

5 - трубка для введения вещества в калориметр.

Микрокалориметры типа Кальве используют для изучения кинетики и определения энтальпий медленно протекающих процессов, а также энтальпий растворения в металлических и оксидных расплавах (так называемая высокотемпературная калориметрия растворения). Калориметры дифференциально-сканирующей калориметрии применяют для определения теплоемкости, энтальпии фазовых превращений, химических реакций с участием газа и др. Для определения теплоемкости веществ при температурах до 4000 К, обладающих значительной электропроводностью (металлы, сплавы), используют методы модуляционной и импульсной калориметрии. В первой измеряют амплитуду колебаний температуры образца при пропускании через него переменного тока известной частоты, во второй - подъем температуры при нагревании тонкой проволоки (или стержня), изготовленной из образца, импульсами тока. К импульсной калориметрии относится метод калориметрии с нагревом вспышкой лазера, который применяют для исследования металлических и керамических материалов, а также жидких веществ в интервале температур 80-1100 К. Выбор методики, конструкции и типа калориметра определяется характером и продолжительностью изучаемого процесса, диапазоном температур, в котором проводят измерение, количеством измеряемой теплоты и требуемой точностью. Современные калориметры охватывают диапазон температур от 0,1 до 4000 К и позволяют измерять количество теплоты от 10^-5 до тысяч Дж с длительностью изучаемых процессов от долей секунд до десятков суток. Точность измерений до 10^-2%. Данные калориметрии применяют во многих областях химии, в теплотехнике, металлургии, химической технологии. Они используются для расчета термодинамических свойств веществ, расчета химических равновесий, установления связи между термодинамическими характеристиками вещества и их свойствами и строением; составления тепловых балансов технологических процессов. Важное значение имеет калориметрическое изучение природы и структуры растворов, процессов образования минералов. Калориметрия теплового потока применяется: в металлургии для определения энтальпий образования жидких и твердых металлических сплавов, интерметаллических соединений и др., в физической химии и биохимии для изучения жидких кристаллов, идентификации и изучения свойств полимеров (например, степени кристалличности и кинетики кристаллизации, температур стеклования), изучения кинетики и термодинамики процессов с участием высокомолекулярных соединений, в т.ч. биополимеров; в аналитической химии для количественного анализа смесей, определения чистоты веществ. Основоположником калориметрии считают Дж. Блэка, создавшего в середине 18 в. первый ледяной калориметр. Термин "калориметр" предложен А. Лавуазье и П. Лапласом в 1780.

Метод лазерной вспышки.

Существующие методы определения теплопроводности материала подразделяют на стационарные и нестационарные.

Метод лазерной вспышки (метод лазерного импульса) относится к группе нестационарных методов, которые, в отличие от стационарных, не требуют длительного времени для установления теплового равновесия.

Основными достоинствами этого метода являются:

· экспрессность, собственно измерение длится секунды

· малые размеры исследуемых образцов

· при помощи одного и того же инструмента исследуется широкий диапазон свойств (термическая диффузия, теплопроводность, теплоемкость)

· высокая точность

· более широкий интервал температур, чем для стационарных методов (возможны испытания расплавов)

К недостаткам метода относятся прежде всего:

· высокая стоимость аппаратуры

· повышенные требования к условиям эксперимента при испытании пористых и негомогенных материалов

Сущность метода.

Сущность метода лазерной вспышки состоит в том, что короткий импульс лучистой энергии поглощается в тонком слое фронтальной поверхности плоского образца - "таблетки".

Рис.4. Схема метода лазерной вспышки

instantaneous pulse – короткий импульс лучистой энергии

front face – лицевая сторона

lateral face – боковая сторона

rear face – тыльная сторона

initial temperature – начальная температура

thickness – толщина

temperature increase – температурное увеличение

Вызванное этим возмущение температуры тыльной поверхности образца регистрируется прецизионным температурным датчиком с очень малым временем термической реакции. По зависимости температуры обратной поверхности образца от времени определяют температуропроводность (коэффициент термической диффузии). Полученная в этом случае информация содержит данные, связанные с коэффициентом температуропроводности (термической диффузии), теплоемкостью и теплопроводностью образца:

Рис.5. График изменения температуры на тыльной поверхности образца в зависимости от времени. А – идеальная кривая; B, C – реальные кривые.

Для интерпретации результатов применяется метод, разработанный Паркером.

Метод Паркера применяется при следующих допущениях (идеальная модель):

· адиабатный, гомогенный, изотропный образец

· однородный импульсный нагрев

· стремящаяся к 0 длительность импульса (импульс должен описываться распределением Дирака)

При облучении идеального образца при идеальных условиях температура обратной поверхности образца после облучения возрастает до определенного значения и затем остается постоянной (рис.5, кривая А).

На практике перечисленные идеальные условия труднодостижимы, поэтому на реальных кривых (рис.5, кривые B и C) наблюдается максимум, после достижения которого значения начинают уменьшаться.

Для применения данного метода к реальным условиям, были разработаны различные техники и модели, учитывающие неидеальность условий эксперимента, а именно:

· потери тепла и излучение поверхности образца,

· конечность лазерного импульса,

· неоднородность импульсного нагрева,

· негомогенность и неизотропность материала (например, в случае композитов).

Для учета потерь тепла и излучения поверхности образцы испытывают относительно образца сравнения или обрабатывают поверхность специальными материалами (графит).

Отличие от 0 длительности импульса компенсируют при помощи специального преобразования (finite correction).

Остальные неидеальности учитываются при помощи специальных моделей, заложенных в программном обеспечении.

Лекция 5.