Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2008 №1

Прецизионный термометр для промышленного применения на основе термочувствительных кварцевых резонаторов

Тумайкин Дмитрий  
Тумайкин Михаил  

В статье описывается прецизионный термометр для промышленного применения, выполненный на основе термочувствительных кварцевых резонаторов.

В промышленности и научных исследованиях часто требуется вести контроль температуры производственной зоны, технологической среды и другие аналогичные температурные измерения. В настоящее время для этого используют всевозможные преобразователи и датчики температуры. В целях автоматизации процесса в устройствах измерения температуры совместно с датчиками применяются контроллеры. Контроллерные устройства включают в себя схемы считывания состояния датчика или преобразователя и аналого-цифрового преобразования сигнала. Преобразованный сигнал поступает в процессорную систему для автоматического учета температуры среды и обработки полученных данных. Преимущество использования термочувствительных кварцевых резонаторов, прежде всего, заключается в их высокой чувствительности, высокой стабильности и просто те использования. Сигнал от резонаторов можно сразу обрабатывать в цифровой фор- ме, что удешевляет процесс контроля температуры. Измерение температуры с помощью термочувствительных кварцевых резонаторов основано на использовании анизотропии кристалла кварца. Выбирая соответствующую ориентацию среза пьезоэлемента относительно кристаллографических осей, можно изменять его термочастотную характеристику (ТЧХ), которая в общем случае является не- линейной функцией температуры и описывается рядом следующего вида:

Формула

где ?nf = 1/(n/f0)[?nf /?Tn]T-T0 температурный коэффициент частоты (ТКЧ), T и T0 калибровочное и опорное значения температуры; f0 резонансная частота при температуре T0. В широком диапазоне температур ТЧХ кварцевого резонатора с достаточной точностью аппроксимируется полиномом третьей степени (m = 3). Для измерения температуры нужны кварцевые резонаторы с максимальным ТКЧ и монотонным изменением ТЧХ на рабочем участке. В кварцевых датчиках температуры используются кварцевые термочувствительные резонаторы (РКТ206 или РКТ310 производства ООО "СКТБ ЭлПА") с типовой чувствительностью 60 ppm/°C , что составляет 2 Гц/°С и 4 Гц/°С для резонаторов с f0, равной 32 и 64 кГц соответственно. Кварцевые преобразователи температуры являются автогенераторными с частотным выходом и строятся на основе пьезорезонаторов.

Метрологические характеристики информационно-измерительной системы
Таблица 1.Метрологические характеристики информационно-измерительной системы

Измерение температуры с малой погрешностью может быть выполнено, если градуировочная характеристика преобразователя определена с высокой точностью. Микропроцессор пересчитывает значение частоты, поступающее с кварцевого преобразователя, в значение температуры по индивидуальной градуировочной характеристике. В качестве датчика температуры можно применить различные кварцевые преобразователи температуры (например ПТК-01), обеспечивающие прецизионное измерение температуры. Вышеуказанный датчик позволяет измерять температуру в диапазоне -30...+100 °С с точностью 0,05 °С. Пьезокварцевый термометр состоит из трех основных узлов: чувствительного элемента (кварцевый преобразователь температуры с частотным выходом производства ООО "СКТБ ЭлПА"), частотного преобразователя (сформирован на ПЛИС MAX7000S фирмы Altera) и специального вычислителя (микроконтроллер ATmega8515 фирмы Atmel). Структурная схема измерительного устрой- ства представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема измерительной системы: КДТ — кварцевый датчик температуры;
ИОЧ — эталонный источник опорной частоты 10 МГц; ПЛИС — программируемая логическая интегральная схема;
МК — микроконтроллер; ПК — IBM+совместимый персональный компьютер
Рис. 1. Структурная схема измерительной системы: КДТ — кварцевый датчик температуры; ИОЧ — эталонный источник опорной частоты 10 МГц; ПЛИС — программируемая логическая интегральная схема; МК — микроконтроллер; ПК — IBM+совместимый персональный компьютер

Подсчет частоты, поступающей с кварцевых преобразователей, производится с помощью 27-разрядного счетчика, реализованного в ПЛИС. Там же размещены мультиплексоры и сдвиговый регистр. Микроконтроллер управляет процессом измерения, осуществляет связь с ПК, производит математические вычисления и управляет индикацией. ПК с по мощью специального интерфейса осуществляет сбор, накопление и статистическую обработку результатов измерения. Счетчики считают импульсы опорной и измеряемой частоты для получения требуемого интервала измерения.

Внешний вид термометра с внешним датчиком температуры
Рис.2. Внешний вид термометра с внешним датчиком температуры

Мультиплексор используется для выбора входного канала. Измерение частоты производится с разрешающей способностью +1 младший значащий бит (0,004 Гц). Далее по индивидуальной градуировочной характеристике производится пересчет значения частоты, поступающего с кварцевого преобразователя, в значение температуры. В качестве аппроксимирующей кривой использован полином третьей степени. Коэффициенты полинома для пересчета хранятся в энергонезависимой памяти и могут быть перепрограммированы через интерфейс пользователя. Вычисленное значение температуры вы водится на пятизначный цифровой 7-сегментный индикатор с дискретностью 0,1 °С (рис. 2). Показанный термометр измеряет температуру в пределах от -30 до +100 °С, но этот диапазон может быть легко расширен применением кварцевого преобразователя с более широким температурным диапазоном (кварцевые резонаторы имеют верхний и нижний пределы рабочей температуры соответственно +260 и -60 °С).

Внешний вид интерфейса пользователя
Рис.3. Внешний вид интерфейса пользователя

Прецизионный цифровой термометр работает как в автономном режиме, так и под управлением ПК. Структура цифрового термометра позволяет обеспечить последовательную обработку не- скольких каналов. Можно осуществить пере дачу частоты с преобразователей температуры на расстояния до нескольких сотен метров и использовать цифровой термометр как многоканальную систему контроля температуры. Программная оболочка осуществляет управление сбором данных, вычислением значения температуры и визуализацией. Погрешность измерения температуры с помощью ПК определяется примененным преобразователем температуры (порядка 0,06 °С). Внешний вид интерфейса пользователя представлен на рис. 3.

Рис.4. Меню загрузки индивидуальных градуировочных характеристик
Рис.4. Меню загрузки индивидуальных градуировочных характеристик

В интерфейсе учтены особенности использования данного цифрового термометра в качестве элемента измерительной системы. Так, в нем реализована возможность однократно го измерения выбранных каналов, непрерывное сканирование, сканирование каналов заданное число раз, опрос каналов через заданный интервал времени, а также возможность отложенного запуска измерения. Все данные возможности востребованы при контроле температуры в различных технологических процессах. Результаты измерений сохраняются в ПК, и можно произвести их статистическую обработку в любое время. Через интерфейс пользователя производится вычисление и загрузка индивидуальных градуировочных характеристик кварцевого датчика температуры (рис. 4).

Точность измерения во многом определяется точностью кварцевого преобразователя температуры (вносит наибольшую погрешность), источника опорной частоты и дискретностью отсчета. В качестве источника опорной частоты используется высокостабильный термокомпенсированный генера тор на 10 МГц. Следует отметить, что данный прибор может быть использован также и для точного измерения давления (избыточного и абсолютного от 1 до 600 атм.), веса (усилия), ускорения и влажности (в зависимости от физической величины, на которую реагирует кварцевый резонатор-сенсор).

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке