УДК 681.586'36:539.122.2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ НА ПОГРЕШНОСТЬ ИНТЕГРАЛЬНОГО ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ
ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ
MODELING OF IONIZING RADIATION EFFECT ON THE INTEGRATED TEMPERATURE SENSOR ERROR IN DIFFERENT MODES
Никифорова Марина Юрьевна
канд. техн. наук, доцент Е-mail: mynikiforova@mephi.ru
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва
кафедра микро- и наноэлектроники
Аннотация: Представлены результаты исследования влияния электрического режима датчиков температуры DS18B20 на их погрешность в условиях воздействия ионизирующего излучения с различными мощностями дозы. Проведена оценка влияния мощности дозы, параметров аппроксимации дозовых зависимостей точности измерения температуры, количества переключений и частоты чередования электрических режимов на погрешность измерения температуры.
Ключевые слова: датчик температуры DS18B20, погрешность измерения, режим функционирования, ионизирующее излучение, радиационная стойкость.
Nikiforova Marina Yu.
Ph. D. (Technical), Associate Professor Е-mail: mynikiforova@mephi.ru
National Research Nuclear University "MEPHI", Moscow
Department of micro- and nanoelectronics
Abstract: The analysis results of the temperature sensor DS18B20 electric mode influence on the accuracy measurement under the low-level ionizing radiation exposure at different dose rates. The analytical dependence and the estimation of measurement error on the absorbed ionizing radiation dose, the approximation parameters dose dependences of the temperature measurement accuracy, the switches number and the repetition of electric modes frequency.
Keywords: temperature sensor DS18B20, measurement error, operating mode, ionizing radiation, resistance to radiation damage.
Повышенную популярность среди полупроводниковых термодатчиков приобрели малогабаритные, надежные и доступные интегральные цифровые термодатчики Б818В20.
Интегральные датчики Б818В20 характеризуются широким рабочим диапазоном измерений —55...+125 °С и погрешностью измерений не более 0,5 °С в диапазоне температур —10...+85 °С; рабочее напряжение электрического питания датчиков может изменяться в диапазоне от 3,0 до 5,5 В. Выходной сигнал датчика в цифровой форме, получаемый в результате непосредственного измерения температуры, не требует дополнительных преобразований, поскольку такой датчик является калиброванным цифровым термометром с перестраиваемой разрядностью преобразования. Точность измерений такого термометра может повышаться в диапазоне от 0,5 до 0,0625 °С с увеличением времени преобразования значения температуры в цифровой код.
Микросхема цифрового однопроводного датчика температуры Б818В20 помимо чувствительного элемента и конденсатора, заряжающегося при высоком потенциале на шине данных и обеспечивающего электропитание термодатчика в случае отсутствия внешнего напряжения питания, содержит постоянное запоми-
нающее устройство, в котором хранится уникальный 64-битный серийный номер термодатчика. Также микросхема имеет сверхоперативную память, включающую двухбайтный регистр для хранения значения измеренной температуры и обеспечивающую доступ к однобитным регистрам верхней и нижней граничных температур срабатывания в случае использования датчика в качестве сигнализатора и к регистру конфигурации, входящих в состав энергонезависимой памяти и сохраняющих информацию при отключении термодатчика от источника питания. В регистре конфигурации содержится значение задаваемой пользователем точности измерений температуры.
Каждая микросхема Б818В20 имеет уникальный неизменяемый 64-битный серийный номер, в соответствии с которым осуществляется управление (идентификация, адресация) и обмен информацией между микропроцессором и датчиками, последовательно подключенными к однопроводной шине. Для микросхемы Б818В20 предусмотрено использование электропитания от внешнего источника или "паразитное" питание от шины данных термодатчика.
Ранее [1—4] было экспериментально исследовано изменение погрешности измерения термодатчиков с
ростом величины поглощенной дозы Б. Получены зависимости погрешности измерения температуры АТ от величины Б для датчиков температуры Б818В20, функционирующих в различных электрических режимах при воздействии на них ионизирующего излучения с разными мощностями дозы. Установлено [5], что наибольшей точностью характеризуются аппроксимации дозо-вых зависимостей погрешности измерения температуры вида
■Ф
АТ = аБь
(1)
для которых значение параметра а зависит от величины мощности поглощенной дозы, а параметра Ь — от вида режима функционирования.
Дозовые зависимости погрешностей измерения термодатчиков Б818В20 в ходе их функционирования в активном и пассивном электрических режимах соответственно аппроксимировались согласно (1) степенными функциями вида
ь, ь2
АТ(Б) = а!Б 1 и АТ(Б) = а2Б 2,
где а1, Ь^ и а2, Ь2 — параметры аппроксимации зависимостей погрешности измерения температуры датчиками Б818В20 от величины поглощенной дозы при их функционировании в активном и пассивном электрических режимах соответственно.
Определено [5], что чередование электрических режимов функционирования датчиков температуры Б818В20 при эксплуатации в условиях воздействия низкоинтенсивных радиационных полей приводит к увеличению их ресурса в результате замедления скорости дозовой деградации точности измерения во время их функционирования в пассивном электрическом режиме.
В случае функционирования термодатчиков 18В20 в радиационных полях с постоянной мощностью дозы при чередовании электрических режимов, начиная с активного режима, значение суммарной погрешности измерения АТсум при величине суммарной поглощенной дозы Бсум определяется выражением:
I т
АТсум(Бсум) = I А7}(АБг) + I АТУДД),
г = 1
] = 1
Полагая изменения погрешностей измерения термодатчиков, обусловленные воздействием низкоинтенсивного ионизирующего излучения, при их функционировании в активном и пассивном электрических режимах соответственно в виде
ь1 ь2
АТ}(АБг) = а! (АБ,) 1 и АТ/АБ,) = а2(АБ.) 2 ,
получаем величину
' ь. т ь2 АТсум = а1 I (АБ,) 1 + а2 I (АБ.) 2
г = 1 ] = 1
ь
I ь т ь
АТсум = а! I (НА*,) 1 + а2 I (2, (2)
г = 1 ] = 1
где Н\ и Щ — средние значения мощностей поглощенных доз при облучениях на г-х и у-х этапах облучения соответственно; А*г- и А, — времена воздействия радиационных полей на термодатчики на г-х и у-х этапах облучения соответственно.
В случае равных значений А*г- = А*г- + 1 = А*а, где г =1, ..., I — 1, и А, = А, + 1 = А*п, где у = 1, ..., т — 1, при постоянном значении мощности поглощенной дозы в течение всего времени облучения термодатчика, равном Щ- = Н, = Н для любых г и у, выражение (2) преобразуется к виду
ь1 ь1 ь2 ь2 АТсум = а!Н I(А) + а2Н т(А*п) .
(3)
где А7}(АБг), А7,{АБ/) — изменения погрешности измерения термодатчиков при облучении в активном и пассивном электрических режимах функционирования на г-ом
I т
и у-ом этапах соответственно, Бсум = I АБг + I АБ,
г = 1 . = 1
(/, т — число этапов облучения датчиков Б818В20 при их функционировании в активном и пассивном электрических режимах соответственно, п — полное число этапов облучения датчиков Б818В20, п = I + т).
Определим период чередования электрических режимов равным сумме времен функционирования датчика в активном и последующем пассивном электрических режимах: Т = А*д + А*п.
Тогда частота чередования электрических режимов выразится в виде
/ = 1/Т = 1/(А*а + А*п). (4)
Для п-этапов облучений число переключений N с одного на другой электрический режим функционирования равно N = п — 1 = I + т — 1.
Поскольку функционирование термодатчиков в условиях воздействия радиационных полей при чередовании электрических режимов начинается с активного, то I равно целой части (п + 1)/2, а т — целой части п/2, т. е.
I = [(п + 1)/2] = [(N + 2)/2], т = [п/2] = [^ + 1)/2]. (5)
С учетом выражений (3) и (5) суммарная погрешность измерения термодатчиков АТсум равна
ь1 ь1
АТсум = [(п + 1)/2]а1 Н 1 (А«А) 1 +
ь2 ь2 + [п/2]а2Н 2 (А*п) 2
или
С
Рис. 1. Зависимость АГСум(0 для термодатчиков при п = 100:
1 - Н = 10-4 Гр/с, / = 1 ч-1; 2 - Н = 10-3 Гр/с, / = 1 ч-1; 3 - Н = 10-4 Гр/с, / = 4 ч-1; 4 - Н = 10-3 Гр/с, / = 4 ч-1
или
АТСУМ = (« - [и/2])й1 Н 1 (А А 1 +
+ [и/2]а2Н 2 (АП) 2.
Обозначив ^ = А?д/ Т ту часть периода чередования электрических режимов Т, в течение которой термодат-
чик функционирует в активном электрическом режиме, получаем А?п = Т — А?д = Т(1 — С). Величина С изменяется в диапазоне от 0 при А?д = 0 до 1 при А?д = Т. Зависимость погрешности измерения датчиков Б818В20 от периода чередования электрических режимов Т принимает вид
ь,
АТсум = (и — [и/2])й1 (НС Т) 1 +
ь2
+ [и/2]а2(Н( 1 - С) Т) 2
или
ь1
АТсум = (и — [и/2])а1 (Н^//) 1 +
ь2
+ [и/2]а2(Н( 1 - О//) 2.
С учетом формулы (4) зависимость погрешности измерения термодатчиков Б818В20 от и, / Н и С определится выражением
АТсум(И, /, Н, <;) =
Анализ зависимостей (6) показал, что с ростом значений и, Н и С величина АТсум увеличивается, а при возрастании / значение АТсум уменьшается. На рис. 1
1,0 0,0
Рис. 2. Зависимость АТСум(/ О для термодатчиков при п = 200 Рис. 3. Зависимость АТСум(/ О для термодатчиков при п = 200
и Н = 10 4 Гр/с
и Н = 10 3 Гр/с
Значения параметров аппроксимации погрешности измерения температуры датчиками DS18B20 для различных электрических режимов функционирования и мощностей поглощенных доз
Электрический режим функционирования термодатчика Мощность поглощенной дозы Н, Гр/с а, °С/(Гр)Ь Ь, ед.
10-4 2,4-10-3
Активный 10-3 1,9-10-3 1,2
10-2 1,5-10—3
Пассивный 10-4 10-3 1,0-10-3 3,0-10-4 1,35
приведены зависимости погрешности измерения датчиков температуры Л7сум(0 для п = 100, значениях мощностей поглощенных доз, равных 10 4 и 10 3 Гр/с, и величинах /, равных 1 и 4 ч 1. В результате сравнения зависимостей 1 и 4 установлено, что повышение частоты переключения электрических режимов при увеличении мощности дозы вызывает замедление дозовой деградации термодатчика, т. е. уменьшение погрешности его измерения.
На рис. 2 и 3 представлены за
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.