Прецизионный термометр для промышленного применения на основе термочувствительных кварцевых резонаторов

№ 1’2008
PDF версия
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).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *