3. PRZEGLĄD METOD KOMPENSACJI WPŁYWU TEMPERATURY Z ZASTOSOWANIEM OBWODÓW KOMPENSACJI W ANALOGOWEJ CZĘŚCI UKŁADU PRZETWARZAJĄCEGO

s. 18

3.1. Wstęp

Znane rozwiązania kompensacji układowej [1, 32 ÷ 77] można podzielić na trzy grupy. Pierwszą grupę stanowią rozwiązania, w których czujnik wielkości nieelektrycznej wykorzystywany jest jednocześnie jako czujnik temperatury. Drugą grupę tworzą rozwiązania w których w celu próbkowania temperatury czujnika zastosowano elementy o rezystancji uzależnionej od temperatury. W trzeciej grupie rozwiązań temperaturę czujnika próbkuje się złączowymi przyrządami półprzewodnikowymi.

W drugiej i trzeciej grupie możemy dokonać ponadto podział ze względu na technologię wykonania elementów czułych na temperaturę, a mianowicie stosowanie elementów dyskretnych i scalonych.

W dalszej części pracy zostaną przedstawione przykłady najciekawszych rozwiązań.

3.2. Metoda z zastosowaniem czujnika ciśnienia jako czujnik temperatury

Metoda [61] opracowana w IAP PW została zastosowana do pomiaru ciśnienia hydrostatycznego oraz temperatury w obszarze działania tego ciśnienia za pomocą pojedyńczego czujnika stanowiącego półprzewodnikowe złącze p-n o dowolnym mechaniźmie przebicia, zasilanego przemiennym prądem o kształcie prostokątnym. Napięcie przewodzenia $U_{p}$ i napięcie zaporowe $U_{z}$ wyrażają się następującymi zależnościami:

gdzie przez $U_{po}$ i $U_{zo}$ oznaczono odpowiednio napięcie przewodzenia

s. 19

i zaporowe przy ciśnieniu początkowym $p_{o}$ i temperaturze odniesienia $T_{o}$, przez $\alpha_{p}$ i $\alpha_{z}$ oznaczono czułość ciśnieniową złącza odpowiednio w kierunku przewodzenia i zaporowym, natomiast przez $\beta_{p}$ i $\beta_{z}$ oznaczono odpowiednio współczynnik temperaturowy napięcia odpowiednio w kierunku przewodzenia i zaporowym.

Znak "+" lub "-" czułości ciśnieniowych złącza zależy od materiału z którego jest wykonane złącze. Znak "+" lub "-" współczynnika temperaturowego $\beta_{z}$ napięcia zaporowego zależy od mechanizmu przebicia /zenerowski lub lawinowy/. Znak współczynnika temperaturowego $\beta_{p}$ napięcia przewodzenia jest zawsze ujemny. Współczynniki $\alpha_{p}$, $\alpha_{z}$, $\beta_{p}$, $\beta_{z}$ są funkcją prądu płynącego przez złącze.

Tworząc przy pomocy układu elektronicznego posiadającego pamięć /rys. 3/ sumę $U^{+}$ oraz różnicę $U^{-}$ napięć przewodzenia i zaporowego z odpowiednimi współczynnikami proporcjonalności odpowiednio $k_{p}$, $k_{z}$ uzyskuje się możliwość znieczulenia tej sumy bądź różnicy za zmiany ciśnienia lub zmiany temperatury

oraz

W przypadku gdy $\alpha_{p}$, $\alpha_{z}$, $\beta_{p}$, $\beta_{z}$ nie są funkcją temperatury i ciśnienia można uzyskać spełnienie dwóch z czterech powyższych zależności i uzyskuje się przetwornik temperatury skompensowany ciśnieniowo bądź przetwornik ciśnienia skompensowany temperaturowo.

s. 20

3. 3. Metoda z zastosowaniem dyskretnych elementów o zmiennej rezystancji próbkujących temperaturę

Prezentowana w pracy [71] metoda kompensacji, zaproponowana przez firmę Statham, USA, polega na włączaniu szeregowo w gałęzie mostka tensometrycznego bądź równolegle do nich dwójników o rezystancji zależnej od temperatury w celu kompensacji dryftu zera, natomiast szeregowo z mostkiem bądź szeregowo-równolegle do niego

• analogicznych dwójników w celu kompensacji zakresu.

Na rys. 4a, 4b, 4c, 4d przedstawiono warianty kompensacji temperaturowej zakresu. Rezystancje tensometrów oznaczone są przez $R_{1}$...$R_{4}$. Dwójnik kompensacyjny na rys. 4a jest zbudowany z elementów rezystancyjnych $R_{5}$...$R_{8}$, przy czym rezystor $R_{6}$ jest skompensowany temperaturowo, wartość rezystancji elementu $R_{7}$ wzrasta w funkcji temperatury, natomiast elementu $R_{8}$ - maleje. Kompensacja polega na zmiennym obciążaniu wyjścia mostka. Układ na rys. 4b zmodyfikowano włączając silniejsze dzielnikowanie sygnału wyjściowego za pomocą rezystora $R_{5}$.

s. 21

s. 22

Układ na rys. 4c zawiera szeregowy z zasilaniem dwójnik $R_{9}$, $R_{10}$, $R_{11}$, przy czym rezystor $R_{9}$ jest stabilny temperaturowo, a rezystory $R_{10}$ i $R_{11}$ mają przeciwne nachylenia charakterystyk temperaturowych. Równolegle do mostka włączony jest dodatkowo drugi dwójnik zbudowany z rezystorów $R_{6}$, $R_{7}$, $R_{8}$, $R_{12}$, $R_{13}$. Wypadkowa charakterystyka napięcia zasilającego mostek w funkcji temperatury jest wykorzystywana w celu kompensacji dryftu zakresu. Na rys. 4d przedstawiono inny wariant dwójnika szeregowego z mostkiem.

Kompensację temperaturową zera zrealizowano za pomocą dwójnika analogicznego jak przy kompensacji zakresu, lecz włączonego w szereg z tensometrem /rys. 4e/. Rezystor $R_{20}$ zastosowano w drugiej gałęzi w celu wyrównania rezystancji w gałęziach mostka.

Przedstawiona metoda charakteryzuje się skompensowaną zależnością wartości elementów kompensacji od wartości błędu w różnych temperaturach. Wyznaczenie tych wartości jest możliwe praktycznie jedynie przez kompensowanie błędu czujnika zewnętrznymi rezystorami, a następnie przez wyznaczenie na podstawie charakterystyk temperaturowych elementów kompensujących wartości elementów kompensacji. Zmiana elementów kompensacji zera wpływa na wartości elementów kompensujących zakres i odwrotnie.

Zbliżoną do omawianej wyżej metodę kompensacji opracowała firma ITT, USA [57], rys. 5. Tensometry $R_{3}$ i $R_{5}$ włączone są do tej samej gałęzi mostka pomiarowego. Rezystory $R_{1}$ lub $R_{6}$ są uzależniane od temperatury w celu kompensacji błędu temperaturowego zera. Kompensację zakresu realizuje się przez dzielnik rezystorowy $R_{11}$ - $R_{8}$, $R_{9}$, $R_{10}$, przy czym tylko rezystor $R_{10}$ jest uzależniony od temperatury. Rezystor $R_{8}$ służy do zgrubnego ustawienia zakresu pomiarowego.

Procedura kompensacji polega na zmierzeniu błędu temperaturowego zera i zakresu, a następnie na wyliczeniu wartości elementu $R_{1}$, $R_{6}$, $R_{8}$, $R_{10}$ kalibrujących zgrubnie wartość sygnału początku i końca zakresu pomiarowego w temperaturze odniesienia oraz zapewniających dwupunktową kompensację temperaturową.

s. 23

Główną wadą metody jest skomplikowana zależność wartości elementów kompensujących od wartości błędów.

Inne rozwiązanie metody kompensacji zostało wprowadzone przez firmę Kulite, USA [77], rys. 6.

W celu kompensacji temperaturowej zera mostka tensometrycznego zbudowanego z tensometrów $R_{1}$...$R_{4}$, napięcie między punktami AC jest zrównywane w temperaturze odniesienia z napięciem pomiędzy punktami AB. W tych warunkach prąd płynący przez rezystory $R_{9}$ i $R_{10}$ jest równy zeru i wartość tych rezystancji nie wpływa na napięcie na przekątnej DB mostka tensometrycznego. Uzależniając napięcie między punktami AC od temperatury za pomocą rezystorów $R_{6}$, $R_{7}$, $R_{8}$, $R_{11}$, uzyskuje się możliwość wytworzenia zmiany napięcia na przekątnej mostka tensometrycznego kompensującej dryft zera. Wartość wymaganego prądu płynącego przez rezystory $R_{9}$ i $R_{10}$ zależy od wartości ich rezystancji i nie zmiania warunku równowagi mostka tensometrycznego w temperaturze odniesienia.

s. 24

Proponowane są dwa wyjścia układu. Wyjście $WY_{1}$ jest podłączone bezpośrednio na przekątną DB mostka tensometrycznego, natomiast wyjście $WY_{2}$ zawiera dodatkowo włączony dzielnik $R_{9}$-$R_{10}$, modyfikujący przebieg sygnału kompensującego.

Kompensację zakresu uzyskano przez zmianę napięcia zasilającego mostek. Jeśli w temperaturze odniesienia napięcie pomiędzy punktami AE równe jest napięciu pomiędzy punktami AF, to wartość rezystancji $R_{6}$ nie wpływa na wartości tych napięć. Jeśli w innej temperaturze napięcia te różnią się, przez $R_{6}$ płynie prąd i dobierając charakterystykę temperaturową napięcia AF za pomocą rezystorów $R_{7}$, $R_{8}$, $R_{9}$ oraz charakterystykę rezystora $R_{5}$ uzyskuje się możliwość kompensacji zakresu, tzn. wymaganego zwiększenia lub zmniejszenia napięcia AE na mostku.

Zaletą układu jest możliwość stosowania prostej procedury kompensacji. W temperaturze odniesienia wyrównuje się napięcia

s. 25

i mierzy wartość napięcia na wyjściu układu przy początkowej i końcowej wartości zakresu mierzonego ciśnienia. W temperaturze kompensacji ustala się wartość rezystorów $R_{9}$, $R_{10}$, a następnie $R_{6}$, aby uzyskać poprzednio zmierzone wartości sygnału mierzonego.

Wadą układu przy stosowaniu takiej procedury kompensacji jest brak możliwości zerowania mostka. Wprawdzie zerowanie można zrealizować w układzie współpracującym, lecz zwiększa to błąd temperaturowy zera spowodowany zmianą napięcia zasilania.

Ciekawe rozwiązanie zostało zaproponowane w pracy [37], opracowane w MIFI, ZSRR. Układ elektroniczny do stosowania metody przedstawiono na rys. 7. Mostek tensometryczny zbudowany z tensometrów $R_{1}$...$R_{4}$ jest zasilany przez rezystor $R_{5}$. Kompensację dryftu zera przeprowadza się za pomocą mostka pomocniczego M zawierającego termistor RT. W temperaturze odniesienia napięcie na przekątnej AB mostka jest równe zeru /co uzyskuje się za pomocą potencjometru P2/, a zerowanie przetwornika wykonuje się potencjometrem P1. W temperaturze kompensacji sygnał wyjściowy wzmacniacza W1 jest sprowadzany do poprzedniej wartości przez dodanie do sygnału czujnika sygnału wyjściowego wzmacniacza W2 ze współczynnikiem wagi ustalonym rezystorem $R_{12}$ lub $R_{13}$. Sygnał wyjściowy wzmacniacza W2 jest uzależniony od temperatury za pomocą mostka pomocniczego M.

Kompensację zakresu realizuje się za pomocą rezystora $R_{5}$ i przez wykorzystanie zmiennej rezystancji tensometrów $R_{1}$...$R_{4}$ w funkcji temperatury, co powoduje zmiany napięcia $U_{AB}$ na mostku.

Metoda pozwala na stosunkowo proste dwupunktowe skompensowanie dryftu zera oraz zgrubne skompensowanie zakresu. Wymaga ona jednak stosowania dodatkowego wzmacniacza operacyjnego, co jest jej wadą.

s. 26

3. 4. Metody z zastosowaniem dyskretnych złączowych przyrządów półprzewodnikowych jako czujników temperatury.

Przedstawione dalej rozwiązania wykorzystują liniową zależność napięcia przewodzenia diody lub napięcia baza - emiter tranzystora od temperatury. Jednocześnie mogą być stosowane do kompensacji elementy o zmiennej rezystancji.

W metodzie stosowanej w firmie Mera-Pnefal /Polska/ [33], kompensacja dryftu zera realizowana jest za pomocą elementów rezystancyjnych /rys. 8/. W mostku pomiarowym są umieszczone w przeciwnych gałęziach dwa tensometry $R_{3}$ i $R_{4}$. Wartość rezystorów $R_{5}$ i $R_{7}$ są uniezależnione od temperatury, natomiast wartości rezystorów $R_{6}$ i $R_{8}$ mają dodatni współczynnik zmian rezystancji. Mierząc wymaganą rezystancję łączną $R_{5} + R_{6}$ oraz $R_{7} + R_{8}$ dla wyzerowania mostka w dwóch temperaturach uzyskuje się informacje niezbędne do przeliczenia rezystorów $R_{5}$....$R_{8}$, przy czym zawsze jeden z rezystorów $R_{7}$, $R_{8}$ jest równy zeru. Do dokładnego zerowania mostka służy potencjometr P.

s. 27

Kompensację zakresu uzyskuje się, podobnie jak w rozwiązaniach firmy Bell Howell, USA, [60], za pomocą diod łączonych szeregowo z mostkiem. Napięcie na diodach maleje przy wzroście temperatury, co powoduje wzrost napięcia na mostku pomiarowym, co kompensuje spadek czułości ciśnieniowej. Liczbę diod należy obliczyć na podstawie pomiaru wartości dryftu temperaturowego zakresu.

Metoda kompensacji [72] opracowana przez firmę Honeywell, USA, wykorzystuje diodę D1 /rys. 9/ jako element próbkujący temperaturę. Równowaga mostka pomiarowego zbudowanego z tensometrów $R_{1}$, $R_{2}$, $R_{3}$, $R_{4}$ zależy od wartości prądów wytwarzanych przez źródła prądowe zbudowane na tranzystorach T1 i T2. Srednia wartość tych prądów może kompensować dryft temperaturowy zakresu przez zmianę wypadkowego napięcia na mostku. Celem skompen sowania dryftu zera czujnika, wartość niezbędnej zmiany różnicy prądów obu źródeł zmieniana jest w pierwszej kolejności potencjometrem P1, a następnie dokonuje się zerowanie mostka potencjometrem P2.

s. 28

Kompensację dryftu temperaturowego zakresu można również otrzymać za pomocą uzależnienia prądu wytwarzanego przez tranzystor T3 od temperatury za pomocą doboru współczynnika temperaturowego diody D2 lub zastosowania rezystora $R_{11}$ uzależnionego od temperatury.

Nastawy potencjometrów P1 i P2 zapewniające kompensację temperaturową są w tym układzie wzajemnie uzależnione.

Ciekawe rozwiązanie kompensacji temperaturowej [32, 73] zaproponowała firma Bell and Howell, USA. W metodzie wykorzystuje jako czujniki temperatury złącza baza - emiter tranzystorów.

Kompensacja dryftu zakresu przedstawiona jest na rys. 10a. W wyniku zmniejszania się napięcia baza - emiter tranzystora T1 przy wzroście temperatury, prąd $I_{1}$ wzrasta, powodując zmniejszenie napięcia na mostku pomiarowym zawierającym tensometry $R_{1}$...$R_{4}$.

s. 29

Na rys. 10b i 10c pokazano układ proponowany do jednoczesnej kompensacji zakresu i zera. Jednoczesne zwiększenie prądów $I_{2}$ i $I_{3}$ doprowadzanych przez źródła prądowe zbudowane na tranzystorach T2 i T3 powoduje:

• w układzie na rys. 10b: zwiększenie napięcia na mostku pomiarowym, co umożliwia kompensację ujemnego dryftu czułości tensometrów,

s. 30

• w układzie na rys. 10c: zmniejszenie napięcia na mostku, co umożliwia kompensację dodatniego dryftu czułości tensometrów.

Kompensacja dryftu zera tensometrów jest kontrolowana przez odpowiednie rozrównoważenie obu źródeł prądowych. Warunki kompensacji zostają spełnione za pomocą rezystorów $R_{11}$, $R_{12}$, $R_{15}$, $R_{16}$ wykonywanych techniką grubowarstwową z dokładnością 0,1% wartości obliczonej przez komputer.

3. 5. Metody z zastosowaniem scalonych elementów rezystancyjnych jako czujników temperatury

W metodzie [48], której realizację przedstawiono na rys. 11, opracowanej przez firmę Balley, USA, zastosowano trzy elementy rezystancyjne $R_{1}$, $R_{2}$, $R_{3}$ wdyfundowane w krzemową membranę pomiarową przetwornika ciśnienia. Tylko jeden element $R_{2}$ jest czuły na ciśnienie, wszystkie trzy natomiast zmieniają swą rezystancję w funkcji temperatury. Mostek pomiarowy powstał przez włączenie tensorezystora $R_{2}$ w szereg ze źródłem prądowym zbudowanym na tranzystorze T1 w jednej gałęzi oraz przez szeregowe połączenie rezystora $R_{3}$ z rezystorem $R_{4}$ i źródłem prądowym zbudowanym na tranzystorze T2 w drugiej gałęzi. Zerowanie sygnału następuje za pomocą potencjometru P.

Kompensacji temperaturowej dryftu zera dokonano przez dobór odpowiedniej wartości stabilnego temperaturowo rezystora $R_{4}$, ustalającego wypadkowy współczynnik temperatury napięcia w prawej gałęzi mostka równy współczynnikowi temperaturowemu napięcia na tensometrze. Ponieważ w mostku kompensują się bezwzględne przyrosty napięcia więc przyrosty napięć w obu gałęziach zależą również od stosunku prądów wytwarzanych przez tranzystory T1 i T2. Umożliwia to kompensację dryftu zera przetwornika zarówno wtedy gdy tensometr $R_{2}$ zmienia się silniej w funkcji temperatury od rezystora $R_{3}$, jak i w przypadku przeciwnym.

Kompensację dryftu temperaturowego zakresu uzyskano w wyniku uzależnienia od temperatury napięcia sterującego wydajnością prądową

s. 31

źródeł prądowych na tranzystorach T1, T2. Uzależnienie to otrzymano dzięki wykorzystaniu wdyfundowanego rezystora $R_{1}$ zasilanego stabilnym temperaturowo źródłem prądowym I do wytworzenia wspomnianego napięcia sterującego. Tranzystor T3 pracujący w układzie diody kompensuje zmiany temperaturowe baza - emiter tranzystorów T1 i T2.

Bardzo rozbudowaną metodę kompensacji temperaturowej [33, 39, 40] opracowała firma Honeywell, USA dla rodziny przemysłowych przetworników ciśnienia i wielkości pochodnych opartych na zintegrowanym krzemowym czujniku piezorezystancyjnym wykonanym techniką planarną. Układ kompensacji przedstawiono na rys. 12. Pełni on następujące funkcje:

• kompensuje błąd temperaturowy zera
• kompensuje błąd temperaturowy zakresu
• kompensuje napięcie przesuwające punkt początkowy charakterystyki przetwarzania przesuwany w obszarze ±100% zakresu pomiarowego.

s. 32

Czujnik zbudowany jest z sześciu rezystorów $R_{15}$[?:likely R_1s]...$R_{65}$[?:likely R_6s] wdyfundowanych w krzemową membranę pomiarową. Dwa z tych rezystorów $R_{13}$[?:likely R_1s] i $R_{65}$[?:likely R_6s] zmniejszają rezystancję przy wzroście ciśnienia, dwa następne: $R_{35}$[?:likely R_3s] i $R_{45}$[?:likely R_4s], zwiększają ją, a pozostałe dwa: $R_{25}$[?:likely R_2s] i $R_{55}$[?:likely R_5s] nie są czułe na ciśnienie.

Kompensacja temperaturowa zakresu realizowana jest przez uzależnienie od temperatury prądu wytwarzanego przez źródło prądowe zbudowane na elemencie T1 typu Darlington i wzmacniaczu W. Uzależnienie otrzymuje się za pomocą dwójnika zbudowanego z termistora

s. 33

RT3 oraz rezystorów $R_{37}$ i $R_{38}$.

Skokowe przesunięcie zera uzyskuje się za pomocą napięcia na dzielniku rezystancyjnym $R_{20}$...$R_{22}$, natomiast płynna regulacja zera potencjometrem $R_{24}$. Aby uniezależnić napięcie pomiędzy punktami AB i CD mostka od zmian prądu kompensującego zakres, wprowadzono rezystory $R_{7}$, $R_{9}$, $R_{8}$, $R_{10}$, termistory RT1, RT2, oraz wdyfundowano tensorezystory bierne /uzależnione od temperatury/ $R_{25}$ i $R_{55}$.

Kompensację dryftu zera wykonuje się za pomocą stabilnych temperaturowo rezystorów włączonych szeregowo /$R_{34}$, $R_{35}$/ bądź równolegle /$R_{33}$, $R_{36}$/ do tensorezystorów. Jako elementy próbkujące temperaturę wykorzystuje się tensorezystory $R_{35}$ i $R_{65}$.

Procedura kompensacji temperaturowej polega tu na automatycznym pomiarze w trzech temperaturach 241K, 297K, 352K następujących parametrów czujnika:

• rezystancji tensorezystorów
• dryftu napięcia na przekątnej mostka przy zerowej wartości ciśnienia
• dryftu napięcia na przekątnej mostka przy zakresowej wartości ciśnienia,
• napięcia niezrównoważenia mostka w temperaturze 297K
• zakresowej czułości czujnika w temperaturze 297K
• histerezy temperaturowej
• histerezy ciśnieniowej.

Na podstawie zmierzonych parametrów czujnika komputer oblicza wartości elementów kompensacji. Wartości elementów kompensujący cych dryft zakresu oraz dryft napięcia przesuwającego punkt początkowy charakterystyki są sprzężone ze sobą. W zależności od parametrów czujnika stosuje się jeden z trzech zestawów wartości tych elementów, co wystarcza do utrzymania błędów przetwornika na poziomie 0,07%/10K.

Łączna liczba możliwych wartości rezystorów $R_{33}$...$R_{36}$ jakie w praktyce mogą wystąpić kompensujących dryft zakresu wynosi 110, przy czym wartości te są tak skwantowane, aby uzyskać wypadkowy dryft zera na poziomie 0,07%/10K.

s. 34

Przedstawiona metoda ma zasadniczą wadę: wymaga ona magazynowania dużej liczby elementów, z których tylko nieznaczny procent będzie wykorzystany w procesie produkcji.

Zaletą rozwiązań stosujących scalone elementy próbkujące temperaturę są mniejsze gradienty temperaturowe pomiędzy tymi elementami a czujnikiem, wynikające z małej rezystancji cieplnej pomiędzy tymi elementami.

3. 6. Metoda z zastosowaniem scalonych przyrządów półprzewodnikowych jako czujników temperatury

Najciekawszą koncepcyjnie metodę kompensacji opracowała firma National Semiconductors, USA, [1, 42, 70]. Metoda ta jest ściśle powiązana z opracowanym również w tej firmie zintegrowanym czujnikiem ciśnienia. Czujnik ten zbudowany jest z czterech tensometrów $R_{1}$, $R_{2}$, $R_{3}$, $R_{4}$ /rys. 13/ wdyfundowanych w krzemową membranę pomiarową. Pomiędzy tymi tensometrami wdyfundowany jest trynzystor T4. W tę samą płytkę krzemu poza obszarem membrany wdyfundowane są także tranzystory T1, T2, T3 oraz wzmacniacz operacyjny W. Wszystkie wdyfundowane elementy znajdują się blisko siebie, dzięki czemu rezystancja termiczna pomiędzy nimi jest bardzo mała.

Tranzystor T4 jest wykorzystany jako grzejnik sterowany falą prostokątną z generatora sterującego. Czas narastania temperatury od 298K do 423K wszystkich wdyfundowanych elementów, z wyjątkiem wzmacniacza W, wynosi około 200 ms /cieplna stała czasowa - ok. 100ms, rezystancja cieplna ok. 300 K/W/. W wyniku tego staje się możliwa zmiana temperatury wdyfundowanych elementów z częstotliwością rzędu kilku Hz.

Pierwszym elementem poddawanym kompensacji temperaturowej w układzie czujnika jest napięcie zasilające między punktami A i B. Napięcia tego dostarcza dioda Zenera zbudowana z rewersyjnie spolaryzowanego złącza baza - emiter tranzystora T2, o napięciu ok. 6,4 V i współczynniku temperaturowym ok. +2,5 mV/K. Kompensację temperaturową uzyskuje się za pomocą układu tzw. "$n \cdot V_{BE}$" - źródła na-

s. 35

pięciowego o napięciu równym "n" razy napięcie baza - emiter tranzystora T1. Zmieniając okresowo temperaturę elementów obserwuje się zmiany napięcia zasilania, korygując w automatycznym cyklu sterowanym komputerem tak długo wartość grubowarstwowego rezystora $R_{9}$ za pomocą korektora laserowego, dopóki zmiany te nie będą równe zeru.

Po zadaniu ciśnienia początkowego doprowadza się wyżej podanym sposobem zmiany napięcia na przekątnej mostka tensometrycznego, wynikającą ze zmian temperatury, do zera za pomocą zmiany wartości grubowarstwowych rezystorów $R_{5}/R_{6}$.

Po skompensowaniu wartości początkowej zadaje się ciśnienie zakresowe i ponownie obserwując zmiany napięcia na przekątnej mostka tensometrycznego sprowadza się je do zera za pomocą drugiego układu

s. 36

"n·$V_{BE}$" na tranzystorze T3 i rezystorach $R_{10}$, $R_{11}$.

Ze względu na bardzo szybkie zmiany temperatur w metodzie tej nie występują ograniczenia stosowania jak w metodach klasycznych, z którymi się łączy brak możliwości iteracyjnego traktowania kompensacji ze względu na wymagany czas wygrzewania /ok. 1,5 godz./ w komorze temperaturowej, niezbędny do ustalenia i wyrównania się temperatur. Omawiany wyżej czujnik podlegający kompensacji ma wymiary 2,9 x 4,2 x 0,6 mm, a grubość krzemowej membrany pomiarowej wynosi 25 µm. Zastosowany w czujniku materiał - krzem - charakteryzuje się ponadto brakiem histerezy mechanicznej i temperaturowej, dzięki czemu są możliwe tak szybkie zmiany temperatur.

W przedstawionej metodzie nie udaje się jednak uniknąć gradientów temperaturowych, w związku z czym dokładność kompensacji jest ograniczona. Niemniej metoda umożliwia pełną automatyzację procedury kompensacji. Cena jednostkowa kompletnych przetworników ciśnienia tej firmy wynosi 10 $, przy seriach 10 000 szt., a więc są one kilkadziesiąt razy tańsze niż przetworniki wszelkich innych firm konkurencyjnych.

3. 7. Podsumowanie

Przedstawione wyżej znane metody kompensacji temperaturowej można scharakteryzować następująco: a/ żadna ze znanych metod nie umożliwia pełnej kompensacji błędów temperaturowych. W prawie wszystkich metodach stosuje się tylko temperaturę kompensacji, z wyjątkiem metody firmy Honeywell z kompensacją trójpunktową, czyli z dwiema temperaturami; b/ tylko jedna metoda, opracowana przez firmę Kulite zapewnia jednokierunkową niezależność ustalania warunków kompensacji, bowiem wartość rezystorów $R_{6}$, $R_{9}$, $R_{10}$ /rys. 4/ regulowanych w temperaturze kompensacji nie wpływa na sygnał przetwornika w temperaturze odniesienia; c/ w każdej z prezentowanych metod liczba wartości elementów kompensujących, niezbędnych dla skompensowania wszystkich czujników

s. 37

w serii produkcyjnej, jest duża. We wszystkich rozwiązaniach w których elementy kompensujące są połączone z tensometrami szeregowo, występują duże trudności, bądź przy wykonywaniu, bądź też przy kupnie stabilnych elementów o wartościach rzędu kilku lub ułamków omów, łączące się zawsze ze stosowaniem niskoomowych tensometrów /np. 100 Ω/; d/ procedura kompensacji opartej na wszystkich znanych metodach, z wyjątkiem metody opracowanej przez firmę Kulite, jest trudna i uciążliwa w warunkach produkcyjnych; e/ najciekawsza pod względem koncepcyjnym metoda firmy National Semiconductors wymaga wielokrotnego powtarzania cykli temperaturowych co, ze względu na wymagany czas, jest niewykonalne w razie zastosowania innej technologii wytwarzania przetwornika, a także ze względu na występujące gradienty temperaturowe w razie podwyższenia wymagań co do dokładności kompensacji.

W związku z powyższym zdaniem autora celowym wydaje się opracowanie nowej metody kompensacji wpływu temperatury w półprzewodnikowych przetwornikach ciśnienia, eliminującej wady znanych i stosowanych dotychczas metod.