Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Транзисторная термометрия и ее применение в агромониторинге

ВАК РФ 06.01.14, Агрофизика

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, доктора технических наук, Фогельсон, Игорь Борисович, Санкт-Петербург

АГРОФИЗИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ФОГЕЛЬСОН Игорь Борисович

ТРАНЗИСТОРНАЯ ТЕРМОМЕТРИЯ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ В АГРОМОНИТОРИНГЕ

Специальность: 06.01 Л4 - агрофизика.

ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада, на соискание ученой степени доктора технических наук

С - Петербург, 1998г.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Р.А.ПОЛУЭКТОВ

доктор технических наук, профессор,

Академик метрологической академии В.Г.КНОРРИНГ

доктор физико-математических наук,

профессор В.И.СОКОЛОВ

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева

Защита состоится " ЛО" на заседании диссертацис в Агрофизическом науч по адресу: 195220, Санкт-Петербу

/Г

часов

Д.020.21,01 институте

С диссертацией в виде и библиотеке Агрофизическое

комиться в

та.

Диссертация

Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук

ослана

М.В. АРХИПОВ

(Н

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

Тема работы связана с необходимостью постоянного развитая метрологии и измерительной техники. Особенно остро проблемы измерения стоят 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 агромониторинга. Под агромониторингом 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 дистанцион-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--ость. Поэтому они широко испол .утотся в технике для Регулирования и термокомпенсацш. Однако, большой разброс ^чых и температурных характеристик различных образцов ( до 20%), а 3 существенная нелинейность ( экспоненциальная зависимость от •>-|затуры) и недостаточная стабильность тормозят их применение при ".Ном производстве элекгротермометров. ш [более высока потребность в температурных измерениях в с .1

I з

диапазоне от минус 60 до ^200Г:С. 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 сгагртовые термометры, смиряясь с их недостатками. Стали появляться небольшими партиями дорогие, недостаточно точные и громоздкие элекгротермометры на полупроводниковых термосо-ггротивлениях, но организовать их серийное производство не удавалось из-за необходимости сложного расчета каждого прибора ввиду неидентичности 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 оборудованием АПК.

- на основе разработанных гермопреобразователен 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 положительные черты полупроводниковых и металлических терморезисторов;

- создать теорию работы таких термопреобразователей;

- исследовать температурные характеристики новых термопреобразователей;

- создать схемы, в которых применение разработанных термопреобразователей наиболее перспективно;

- разработать теорию работы схем с такими термопреобразователями;

- доказать правильность выбранного типа термопреобразователя и достоверность результатов исследований путем проведения Государственных приемочных испытаний и организации серийного выпуска разработанных термочувствительных элементов и измерительных приборов,

применить предложенные термопреобразователи для измерения температуры и других параметров агромониторинга и агрометеорологии в различных отраслях науки, техники и сельского хозяйства.

1.3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫДВИГАЕМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

- новое перспективное направление термометрии — транзисторная термометрия;

- основы теории работы термотранзисторов;

- оптимальные схемы включения термотранзисторов;

- результаты экспериментальных исследований термометрических параметров термотранзисторов;

- синтез измерительных цепей с использованием термотранзисторов;

- создание теории работы термотранзисторов в разработанных схемах и режимах;

- разработка, теоретическое обоснование и экспериментальная проверка функционирования новых типов датчиков температуры;

- разработка датчиков для измерения параметров агромониторинга (градиентов температуры, влажности воздуха и почвы, скорости ветра), на основе дифференциальных схем с термотранзисторами, а также физическое и математическое обоснование работы датчиков и схем их применения.

1.4. НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

Предложено использовать транзисторы в качестве термочувствительных элементов и напряжение эмиттер-база транзистора (прямые характеристики) в качестве термочувствительного параметра.

Создана математическая модель функционирования транзисторов как термопреобразователей и теория работы термотранзисторов, включенных в прямом направлении. Эта теория лежит в основе работы термотранзисторов и термодиодов в других режимах. В качестве начального параметра предложено использовать "ток короткого замыкания" и "характеристическое напряжение" Показана возможность представления основного уравнения транзисторной термометрии в виде степенного ряда, коэффициенты которого определяют чувствительность, нелинейность и другие параметры термотранзисторов.

Предложены новые режимы работы термотранзисторов (термочувствительный генератор постоянного тока, транзисторный диод), схемы многоэлементных (гибридных, интегральных) термопреобразователей. Развита теория работы термотранзисторов в этих режимах и схемах.

Исследованы термометрические параметры (чувствительность, диапазон работы и другие) термотранзисторов и показано их соответствие теоретическим положениям. Исследованы стабильности и депрессии термотранзисторов. Разработаны и теоретически обоснованы методы стабилизации и прогноза стабильности термотранзисторов.

Создана теория работы термотранзисторов в измерительных схемах: мостовой на постоянном и импульсном токах, с симметричным и несимметричным питанием плеч. Предложены схемы, позволяющие повысить дистанционность, точность работы мостовых схем с термотранзисторами. Дано теоретическое обоснование разработанных методов линеаризации выходных характеристик измерительных схем. Предложен новый метод линеаризации измерительных схем с линейными АЦП на выходе.

Теоретически обоснованы разработанные датчики температуры, которые позволяют в несколько раз увеличить диапазон работы термопреобразователей, уменьшить инерционность в средах с малой теплопроводностью, снизить влияние мешающих факторов, например солнечной радиации.

Представлены теоретические обоснования функционирования и исследованы усовершенствованные и разработанные датчики агромонигоринга: температуры, влажности воздуха и почвы, скорости ветра и другие. В основе большинства описанных выше датчиков лежат дифференциальные схемы с термопреобразователями, в которых преимущества термотрагои-сторов наиболее ярко выражены.

Введены термины: "транзисторная термометрия", "Р-п термометрия" и другие.

1.5. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ И РЕАЛИЗАЦИЯ ЕЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

На основе проведенных научных работ разработан новый тип термочувствительного элемента - термотранзистор, метрологические характеристики которого подтверждены Государственными метрологическими приемочными испытаниями. Термотранзисторы являются первыми термопреобразователями с р-п переходами, включенными в Государственный Реестр СССР (далее "Госреестр"), как средство измерения температуры, допущенное к обращению во всех отраслях народного хозяйства.

Опытные партии термотранзисторов выпускались на Новгородском (НЗЛК) и Запорожском ("Гамма") заводах полупроводниковых приборов. Термотранзисторы типов МПТ-108 (Госреестр № 7982-80), многоэлементные термопреобразователи МТП-5Г (Госреестр № 10346-86), изготавливались в СКБ с ЭП Агрофизического НИИ.

В серийном производстве транзисторов был применен влагопоглотитель — силикагель, с которым выпущено несколько миллионов транзисторов и который позволил существенно повысить их стабильность.

Термотранзисторы и многоэлементные транзисторные термопреобразователи широко применялись в аппаратуре, разработанной по договорам в Агрофизическом НИИ, в СКБ с ЭП при АФИ и в других организациях. Построены ( впервые для полупроводниковых термопреобразователей) термометрические таблицы, облегчающие расчеты приборов с термотранзисторами, термодиодами и другими термочувствительными элементами с р-п переходами.

Применение термотранзисторов позволило впервые в мире организовать серийное производство электротермометров, работающих в широком диапазоне температур с высокой точностью и комплектующихся неограниченным количеством взаимозаменяемых датчиков, различных конструкций и назначений. Все приборы, выпускавшиеся серийно, проходили Государственные приемочные и периодические метрологические испытания.

Начиная с 1972г. серийно выпускались следующие приборы:

- электротермометр ТЭТ-2 на Рижском заводе Гидрометеоприборов, Госреестр № 3749 -73, в количестве более 15000 шт.,

- элекгротермометр ТЭТ- ЦП на Рижском заводе Гидрометеоприборов, Госреесгр № 8955 -82, в количестве более 5000 шт.

Опытные партии (не менее 100 шт. в каждом случае) электротермометров выпускались в следующих организациях:

- на Днепропетровском заводе электрического оборудования — электротермометр РЭТ-1 (аналог ТЭТ-1Р) (Госреестр №7508-79),

- на Ленинградском заводе "Спецэлеватормельмаш" — электротермометр У14-УТЭ1 по схеме ТЭТ-1с и ТЭТЧу,

- на заводе опытных машин ВНИИ торфяной промышленности — измеритель температуры торфа ЙТТ-3,

- в СКБ с ЭП Агрофизического НИИ — термопаук (измеритель средней температуры поверхности),

- в Научно-техническом предприятии "Термо-Т" — элекгротермометр ТЭТ-1зс 1992г и индикатор температуры ИТФ-1 с 1994г.

Применение термотранзисторов позволило организовать крупносерийное производство транзисторных электротермометров и обеспечить ими научные институты, опытные станции, практические хозяйства, хранилища, а также многие другие предприятия.

На основе дифференциальных схем с термотранзисторами изготовлены опытные образцы приборов и систем измерения параметров агромонито-

ринга: влажностям воздуха и почвы, скорости ветра, градиентов температуры и других.

Изобретения автора используются в аппаратуре различных отраслей народного хозяйства. Разработанные теоретические положения, схемы, методики и конструкции датчиков могут быть применены в других направлениях метрологии и метеорологии.

1.6. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались:

- на международных конференциях:

"Электрические методы и средства измерения температуры (Электро-термометрия-88)", "Проблемы механизации и электронизации отраслей АПК" (Краснодар, 1991г.), "Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве (Углич, 1995г.), "Modem Agriculture and the Environment" (Israel, 1994), "Измерительно -информационные технологии в охране здоровья (Metromed 95)" (С-Петербург, 1995г.), "Холод и пищевые производства" (С-Петербург, 1996г.).

-на всесоюзных конференциях:

"Достижения геофизического и гидрометеорологического приборостроения за годы Советской власти" (Ленинград, 1967г.), НТК по тепловым режимам термостатирования и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры (Одесса, 1969г.), "Метрологическое обеспечение народного хозяйства" (Горький, 1975г.), "Состояние и перспектива развития средств измерения температуры контактными и бесконтактными методами" (Львов, 1978г.), "Состояние и перспектива развития средств измерения температуры (Температура 84)" (Львов, 1984г.), "Измерительная и вычислительная техника в управлении производственными процессами в АПК (Ленинград, 1988г.);

- на региональных конференциях:

"Методика и аппаратура для автоматизации сбора, обработки и выдачи гидрометеорологической информации" (Ленинград, 1973г. и 1975г.), 3 Московская НТК "Полупроводниковые датчики механических и тепловых величин" (Москва 1974г.), "Полупроводниковые термопреобразователи" (Ленинград, 1976г.) [П31];

- на Всесоюзных и региональных семинарах:

"Электрификация тепловых процессов и работ в культивационных сооружениях" (Москва, 1972г.), "Приборы и устройства контроля и регулирования в системах управления технологическими и медико-биологическими процессами" (Новочеркасск, 1980г.), "Вопросы теории и принципы по-

строения устройств и систем автоматизации" (Новочеркасск 1982г.), "Метрология и повышение качества продукции ленинградских предприятий" (Ленинград, 1983г.), "Технические средства для Государственной системы наблюдений и контроля природной среды" (Обнинск, 1983г.), "Вопросы теории и принципы построения устройств и систем автоматизации" (Новочеркасск, 1983г.),

- на других конференциях, семинарах, ученых советах, совещаниях, докладах в НИИ и на заводах.

Разработанные приборы демонстрировались на международных и союзных выставках. Автором получены золотая, 5 серебряных и бронзовая медали ВДНХ.

1.7 ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликованы: монография, 22 авторских свидетельств, 50 статей и 28 рефератов докладов на конференциях и семинарах.

1.8 СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация в форме научного доклада изложена на 70 страницах и содержит 26 рисунков и две таблицы.

Она включает в себя следующие разделы:

- общая характеристика работы,

- основы теории работы термотранзисторов, исследование термометрических параметров,

- режимы включения термотрагоисторов и схемы построения термопреобразователей,

- синтез термометрических цепей,

- датчики, приборы и устройства агромониторинга,

написанные по результатам исследований.

В конце работы представлены общие выводы и список основных публикаций: монография [М1], авторские свидетельства [А! - А20]. статьи и тезисы докладов [П1 - П45].

2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАБОТЫ ТЕРМОТРАНЗИСТОРА

Обоснование выбора.

При освоении серийного производства транзисторов в СССР перед автором была поставлена задача добиться повышения временной и температурной стабильностей транзисторов. Если первую задачу удалось успешно решить [Ш ], то оказалось, что вторую задачу решить невозможно. Температурный дрейф многих параметров транзисторов лежит в природе этих электронных приборов. L.Teilennan (1954г.), Н.Н.Тарновский (I960), и Н.М.Ройзен (1961г.) использовали температурные зависимости параметров для определения теплового сопротивления р-п переход - корпус и р-п переход - среда.

Столкнувшись с описанными выше недостатками термопреобразователей, автор предложил использовать прямые характеристики (напряжение эмиттер-база) транзисторов (полупроводниковых триодов), включенных по схеме с общей базой, в качестве термометрических параметров датчиков температуры и разработал первые схемы с ними [А1,П2,ПЗ] (1961-63г.г.).

Последующий, анализ мировой научной литературы по