Транзисторная термометрия и ее применение в агромониторинге

• Автор: Фогельсон, Игорь Борисович
• Шифр специальности: 06.01.14
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 70 с. : ил.; 20х15 см

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
1.1. АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.
Тема работы связана с необходимостью постоянного развития метрологии и измерительной техники. Особенно остро проблемы измерения сггоят в сельскохозяйственном производстве, которое предъявляет наиболее жесткие требования к измерительной технике. Исторически агрофизика стоит очень близко к проблемам метрологии в сельском хозяйстве, т.к. в нее включена задача создания агромокиторинга. Под агромонкторингом мы понимаем совокупность специализированных средств измерений, датчиков, приборов, систем преобразования и обработки агрофизической и агрометеорологической информации с. целью анализа и прогноза условий произрастания растений и хранения с/х продукции.
Наиболее важными параметрами агромониторинга являются температура, влажность воздуха и почвы, скорость воздуха. Несмотря на большое количество методов измерения температуры, невозможно было обеспечить сельское хозяйство необходимыми измерительными приборами и устройствами. Причина этого — несовершенство термочувствительных элементов и вторичных приборов.
В термометрах объемного и линейного расширения не удается сочетать высокую точность с виброустойчивостью, малые размеры с возможностью передачи информации в виде электрического сигнала. Термопары обладают низкой чувствительностью и их показания зависят от температуры свободных концов. Имеются серьезные ограничения по дистанционности работы термопар. Технические металлические термосопротивления (медные, платиновые и др.) имеют низкую чувствительность, малую дистанцкон-ность, недостаточную стабильность и большие габариты. Кроме того, платиновые термосопротивления не обладают достаточной вибро- и ударопрочностью.
Полупроводниковые термосопротивления имеют высокую чувствительность, малые габариты, большую дистанционность и виброустойчи-яость. Поэтому они широко испод уюте я в технике для регулирования и термокомпенсацш. Однако, большой разброс уиых и температурных характеристик различных образцов ( до 20%), а | существенная нелинейность ( экспоненциальная зависимость от лфатуры) и недостаточная стабильность тормозят их применение при -а|юм производстве элекгротермометров.
Наиболее высока потребность в температурных измерениях в
диапазоне от минус 60 до +200Х. В этом же диапазоне требуется и наиболее высокая точность технических средств измерений, достигающая ±0,1 °С при температурах от минус 5 до +5°С. Для научных исследований такая точность требуется в более широком диапазоне температур. Одновременно необходимы простота, дешевизна, дистанционность, малые габариты, вибро- и ударопрочность соответствующих приборов
На момент начала данной работы таких устройств не было. В основном использовались ртутные и стгртовые термометры, смиряясь с их недостатками. Стали появляться небольшими партиями дорогие, недостаточно точные и громоздкие электротермометры на полупроводниковых термосопротивлениях, но организовать их серийное производство не удавалось из-за необходимости сложного расчета каждого прибора ввиду неидентично-сти характеристик терморезисторов и невозможности их комплектования взаимозаменяемыми датчиками
1.2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.
Цели работы;
- создать новый класс термопреобразователей свободных от вышеперечисленных недостатков, которые затрудняют обеспечение метрологическим оборудованиехМ АПК.
- на основе разработанных гермолреобразователей создать комплекс датчиков, приборов и устройств агромониторинга и информационной поддержки технологических процессов в агрономическом секторе страны.;
Основными задачами исследований являлись:
- разработать новые типы термопреобразователей, сочетающих поло-жительные черты полупроводниковых и металлических терморезисторов;
- создать теорию работы таких термопреобразователей;
- исследовать температурные характеристики новых термопреобразователей;
- создать схемы, в которых применение разработанных термогтреобра-зователей наиболее перспективно;
- разработать теорию работы схем с такими термопреобразователями;
- доказать правильность выбранного типа термопреобразователя и достоверность результатов исследований путем проведения Государственньгх приемочных испытаний и органнзащда серийного выпуска разработанных термочувствительных элементов и измерительных приборов,

образцы, у которых дрейф после выдержки при 200°С достигал 1°С. Встречаются отдельные экземпляры, которые после искусственного старения сохраняют свои характеристики в течение года с точностью до 0,01°С. Было показано [П32], что кремниевые планарные термотранзисторы сохраняют свои характеристики в течение первого года эксплуатации с точностью ±0,05°С, в последующие годы — с точностью 0,01°С/год.
Данные по стабильности зависят от конкретного типа термотранзистора и технологии его изготовления Поэтому при освоении нового типа необходимо проверять депрессию и стабильность в диапазоне температур несколько большем, чем диапазон применения гермогранзистора.
Не было обнаружено влияния режимов работы термотранзисторов (при VK < 1 В и I э < 1 мА ) на их стабильность.
Нелинейность термо гранзисторов вызывает опасность появления высокочастотных наводок, которые существенно уменьшаются путем параллельного включения емкости и работой их в режиме транзисторного диода.
Не было обнаружено собственных шумов термотранзисторов при исследовании на осциллографе с эквивалентной точностью в 0,01°С и на цифровом вольтметре — в 0,001°С.
Возможно прогнозирование стабильности термотранзисторов путем экстраполяции текущих значений ХН, по изменению индивидуальных параметров, например обратного тока при разных обратных напряжениях на эмиттере или коллекторе, по величине депрессии.
От технологии и конструкции зависит диапазон работы, точность и чувствительность термотранзистора. К сожалению, организовать производство специального типа термотравднсторов не удалось из-за малой их серийности по сравнению с принятой в электронной промышленности. Поэтому в качестве термотранзисторов используются промышленные транзисторы, параметры которых удовлетворяют требованиям изложенным во 2 разделе и проградуированные по ХН в одной температурной точке.
При серийном производстве электротермометров остановились на германиевых термотранзисторах, изготовленных на основе серийных транзисторов тши МГТ-108 и ГТ-109, стабильность которых гарантировалась на уровне не хуже 0,1°С/год. Результаты 25-летнего выпуска электротермометров подтвердили изложенные выше оценки и у заводов-кзготовителей за все годы выпуска не было рекламаций, вызванных нестабильностью термопробразователей.
Для повышения стабильности транзисторов лоедложено применение v лагопоглоткгеля. Показано, что его использование, при определяемой в производстве негерметичности, позволяет гарантировать многолетнюю