Моделирование температурной зависимости мостовой схемы высокотемпературного полупроводникового датчика давления

3. Дудников Е.Г. Автоматическое управление в химической промышленности. - М. : Химия, 1987. - 312 с.

4. Кафаров В.В. Основы массопередачи. - М. : Химия, 1975. - 285 с.

5. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств : учеб. пособие. -М. : Высш. шк., 1991. - 277 с.

6. Мончарж Э.М. Постановка задач автоматизации технологических процессов. -Н. Новгород, 2003. - 87 с.

7. Холоднов В.А., Дьяконов В.П. Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов : практ. руководство. - СПб.: Профессионал, 2003. - 312 с.

8. Чураков Е.П. Оптимальные и адаптивные системы : учеб. пособие для вузов. - М. : Энергоатомиздат, 1987. - 256 с.

9. Ермоленко, А.Д. Автоматизация процессов нефтепереработки: уч. пос./ СПб.: Профессия, 2012. - 304 с.

Баринов И.П1, Волков В.С.2

1Доцент, кандидат технических наук, 2доцент, кандидат технических наук, Пензенский государственный университет МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ МОСТОВОЙ СХЕМЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО

ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ

Аннотация

Проанализированы результаты моделирования схемы температурной компенсации высокотемпературного полупроводникового датчика давления. Предложена математическая модель для определения характеристик терморезистора.

Ключевые слова: высокотемпературный датчик давления, температурный коэффициент сопротивления, температурная компенсация.

Barinov IN.1, Volkov V.S.2

'Associate professor, PhD in technical sciences, 2 associate professor, PhD in technical sciences, Penza State University SIMULATION OF BRIDGE CIRCUIT TEMPERATURE DEPENDENCE FOR HIGH - TEMPERATURE

SEMICONDUCTOR PRESSURE SENSOR

Abstract

The results of simulation the temperature compensation circuit of high temperature semiconductor pressure sensor are analyzed. The mathematical model for determining the characteristics of the thermistor is proposed.

Keywords: high temperature pressure sensor, temperature coefficient of resistance, temperature compensation.

Современные датчики давления, содержащие полупроводниковый чувствительный элемент (ЧЭ) с расположенными на нем полупроводниковыми тензорезисторами, эксплуатируются в условиях воздействия высоких температур [1]. Использование технологии "кремний - на - диэлектрике" обеспечивает работоспособность датчиков давления в диапазоне температур до 300°С, но расширение температурного диапазона датчиков вызывает проблему снижения значительной дополнительной температурной погрешности [2-5].

Тензорезисторы в составе ЧЭ объединены в мостовую измерительную схему, выходной сигнал которой описывается выражением:

R1R4 ~ R2 R3

1 + ^2) •

U вых U п / п (R

Нелинейность температурной зависимости полупроводниковых тензорезисторов приводит к необходимости использования для ее описания нелинейной функции, например, полинома 2-й степени:

R

где R0 - номинал тензорезистора при нормальной температуре, a! - ТКС 1-го порядка [1/°С], a2 - ТКС 2-го порядка [1/°С2]. Зависимость сопротивления тензорезистора от деформации под воздействием измеряемого давления выражается формулой:

R

где k - коэффициент тензочувствительности, s - относительная деформация тензорезистора.

Коэффициент тензочувствительности можно представить линейно зависящим от температуры:

k

где у- ТКЧ.

Подставив выражения (3) и (4) в формулу (2), получим зависимость сопротивления тензорезистора от температуры и деформации вследствие измеряемого давления:

R

где знак "+" соответствует тензорезисторам R! и R4, а знак "-" соответствует тензорезисторам R2 и R3.

Для количественного определения характеристик мостовой схемы целесообразно использовать имитационное моделирование [6].В программе MathCad было проведено моделирование мостовой схемы, тензорезисторы которой имеют номинальное сопротивление 500 Ом. Параметры схемы представлены в таблице 1, напряжение питания моста Пп = 2 В.

Таблица 1 - Параметры моделируемой схемы

Номинальное сопротивление тензорезистора, Ом ТКС 1-го порядка аь 1/°С, ТКС 2-го порядка a2, 1/°С2

R1 510 4,839-10-6 2,22-10-6

R2 505 1,166-10-5 2,1  10-6

R3 491 6,348-10-6 1,9-10-6

R4 508 1,196-10-5 2-10'6

Выходной сигнал мостовой измерительной схемы при максимальном давлении и изменении температуры до 300 °С представлен на рисунке 1.

12

Рис. 1 - Выходной сигнал мостовой измерительной схемы

Из рисунка 1 видно, что при увеличении температуры выходной сигнал мостовой схемы нелинейно возрастает от 72 до 103 мВ, что составляет погрешность 42,6 % или 0,142 %/°С. Из рисунка 4 следует необходимость принятия специальных мер для температурной компенсации чувствительности мостовой схемы.

Наиболее простым способом температурной компенсации является последовательное включение терморезистора в цепь питания мостовой схемы. В этом случае часть схемы, содержащую источник питания ип и терморезистор R, можно представить в виде эквивалентного генератора напряжения, управляемого температурой, напряжение на выходе которого ип1 будет определяться формулой:

Цц = ип

R

Ям + Rt

м t

(

6)

где RH - сопротивление мостовой схемы, определяемое выражением R _

м R1 + R2 + R3 + R4

(

7)

Rt - сопротивление терморезистора, зависимость которого от температуры также целесообразно описать полиномом 2-го

порядка:

Rt

где в и р2 - ТКС терморезистора 1-го и 2-го порядка соответственно.

При этом возникает задач определения температурной характеристики сопротивления компенсирующего терморезистора, т.е. определение коэффициентов Р! и р2, входящих в выражение (8).

Решение данной задачи аналитически может быть получено с использованием символьных вычислений в программе MathCad. Постановка задачи определения температурной зависимости терморезистора выглядит следующим образом:

8

д

д

(Цвых (AT)) _ 0

где выходной сигнал схемы с включенным терморезистором ивых определяется с на основании выражения (1), в котором напряжение питания определяется по формуле (6), в которую входит сопротивлении терморезистора, определяемое выражением (8). Первое уравнение системы (9) отражает условие минимальной температурной чувствительности выходного сигнала термокомпенсированной схемы, второе уравнение отражает условие неизменности чувствительности схемы к деформации, вызванной измеряемым давлением, при изменении температуры [8,58].

Решение системы (9) относительно Р! и р2 дает следующие выражения:

О _ R0(Y-Ya2AT2) + Rt0(Y + а1 0 _ Rfo

Ya2 AT2)

О 2 _

R0

Rt0

(1

0)

где а! и a2 - усредненные значения ТКС тензорезисторов мостовой схемы, R0 - усредненный номинал тензорезисторов, Rt0 -номинал терморезистора.

Анализ выражений (10) показывает, что ТКС терморезистора зависят от температуры, однако зависимость сопротивления терморезистора от температуры близка к линейной; при этом значение Р2 будет равно 0, а Р! легко определится аналитически (рисунок 3). 13

13

Рисунок 3 - Зависимость сопротивления терморезистора от температуры с учетом значений ТКС, определяемых выражением

(10).

Номинал терморезистора необходимо выбирать из условий минимизации температурной погрешности и обеспечения максимального значения выходного сигнала мостовой схемы.. При выборе номинала терморезистора равного 50 Ом, значение ТКС в составило 0,024 °С-1. Температурная погрешность выходного -0,031%/°С, максимальный выходной сигнал составил 60 мВ при нормальной температуре. Следовательно, применение терморезистора с указанными характеристиками привело к снижению максимального выходного сигнала мостовой схемы на 10%, при этом абсолютное значение температурной погрешности чувствительности выходного сигнала уменьшилась почти в 5 раз (с 42,6 % до -9,3%).

Таким образом, применение терморезистора с температурной характеристикой, рассчитанной по предложенной методике, позволяет снизить температурную погрешность чувствительности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления на этапе проектирования и изготовления.

Литература

1 Мокров Е.А., Баринов И.Н. Разработка высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.-2009.- № 1. - С. 23-27.

2 Баринов И.Н., Волков В.С. Обеспечение долговременной стабильности параметров высокотемпературных полупроводниковых тензорезистивных датчиков абсолютного давления // Приборы . - 2012.-№ 9. - С. 29-35.

3 Баринов И.Н. Омические контакты для высокотемпературных датчиков давлений на основе карбида кремния // Надежность и качество: труды Международного симпозиума: в 2-х т. - Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ.-2008.-1 т. - С. 495-498.

4 Баринов И.Н., Цибизов П.Н., Кривулин Н.П. Использование микропленочных геттеров в технологии вакуумирования чувствительных элементов датчиков абсолютного давления // Надежность и качество: труды Международного симпозиума: в 2-х т. / Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ.-2008.-1 т. - С. 501-503.

5 Баринов И.Н. Оптимизация параметров полупроводниковых чувствительных элементов датчиков абсолютного давления // Приборы.-2009.-№ 4. - С. 47-51.

6 Баринов И.Н., Волков В.С. Использование системы Simulink при имитационном моделировании высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления // Приборы.-2011.-№ 7. - С. 50-54.

Газуль С.М. \ Бабаев Э.О. 2, Горнов ПА. 3

1 аспирант, 2 аспирант, 3 аспирант, Санкт-Петербургский государственный экономический университет ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ГОТОВНОСТИ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ К РАБОТЕ В ОБЛАКЕ

Аннотация

В статье описан интегральный показатель, включающий в себя показатели необходимости информационной системы бизнесу, стоимости совокупного владения, безопасности информационной системы, затрат связанных с процессом внедрения. Данный показатель упростит выбор конфигурации информационной системы при применении методики проектирования гибридных информационных систем.

Ключевые слова: гибридные информационные системы, облачные вычисления, эффективность.

Gazul S.M 1, Babaev E.O. 2, Gornov P.A. 3

1 postgraduate, 2 postgraduate, 3 postgraduate, St. Petersburg State University of economics THE INTEGRAL INDEX OF THE READINESS OF THE INFORMATION SYSTEM TO WORK IN A CALCULATING

CLOUD

Abstract

The following article gives a description of the integral index, which contains the following attributes: of the necessity of the information system for the business, total cost of the shared ownership, security of the information system and integration costs. This indicator will help to simplify the choice of the configuration of the information system in the process of designing the hybrid information systems.

Keywords: hybrid information systems, cloud computing, efficiency

Современная наука выделяет множество способов автоматизации бизнес-процессов, разные модели распространения программных продуктов.

Целью данной статьи является разработка показателя, позволяющего упростить принятие решений при выборе архитектуры проектируемой информационной системы.

В настоящее время при формировании информационной инфраструктуры предприятия, при проектировании и реализации (корпоративных информационных систем) КИС всё чаще применяется сервис-ориентированная архитектура (Service-Oriented Architecture — SOA) [2]. Более того, одной из самых ярких тенденций последнего времени стало использование облачных технологий при реализации корпоративных информационных систем [6]. Такой тенденции способствуют: новые потребности бизнеса, глобализация задач, экспоненциальное возрастание сложности вычислительных систем [1]. Например, В 2013 году, по данным исследования Parallels, «облачный» рынок по сравнению с прошлым годом вырос на 32% до 633 миллионов долларов [5].

Облачные технологии являются средством, которое обеспечивает повсеместный удобный сетевой доступ «по требованию» к общему пулу конфигурируемых вычислительных ресурсов (сетей, серверов, хранилищ, приложений, услуг и т.д.) [4].

Такой пул может быть быстро предоставлен и получен при минимальном взаимодействии с поставщиком услуг. Облачная модель состоит из пяти основных характеристик, трёх моделей обслуживания и четырёх моделей развёртывания [4].

Сложность выбора способа автоматизации бизнес процессов [5] побуждает к разработке интегрального показателя, позволяющего упростить принятие решений в этой области. 14

14