Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2009 №1

Малогабаритный кварцевый датчик температуры

Поляков Александр  
Одинцов Михаил  

Кварцевые резонаторы широко применяются в современной электронной аппаратуре в генераторах стабильной частоты и фильтрах. Их используют и для измерения различных физических величин: температуры, давления, влажности, ускорения [1, 2]. В качестве примера можно привести датчики давления. В прецизионных барометрах, высокоточных датчиках абсолютного давления, скважинных датчиках давления таких фирм, как Druck (Великобритания), Quartzdyne (США), Spartek Systems (Канада), Schlumberger (Франция), «КварцСенс» (Россия), применяются пьезорезонансные чувствительные элементы (ПЧЭ).

Термочувствительные ПЧЭ используются для измерения температур в диапазоне –60…+300 °С. Российская фирма «КварцСенс» разработала и выпускает ряд кварцевых преобразователей и датчиков температуры с частотным и цифровым выходами. Одна из новых разработок — малогабаритный преобразователь температуры ПТК-0,05-3М (рис. 1). Он имеет минимальный габаритный размер ∅5×30 мм и состоит из: кварцевого термочувствительного резонатора РКТВ206 (1); автогенератора (2); защитной гильзы 12Х18Н10Т (3); трехпроводного кабеля для связи с частотомером и подачи питания (4). Диапазон рабочих температур преобразователя –60…+120 °С. Верхний предел температуры ограничен применяемыми электронными компонентами автогенератора.

Рис. 1. Малогабаритный преобразователь температуры ПТК-0,05-3М
Рис. 1. Малогабаритный преобразователь температуры ПТК-0,05-3М

Преобразователь имеет частотный выход, соответственно значение температуры можно вычислить по формуле:

t = t0+ С1( Δ FF0)+ С2( Δ FF0)2+
+ С3( Δ FF0)3,
где t — измеряемая температура; Δ F — текущее значение частоты преобразователя; F0— частота, соответствующая опорной температуре t0; С1, С2, С3— коэффициенты, определенные при калибровке в интервале рабочих температур индивидуально для каждого преобразователя и указаны в паспорте.

Среди достоинств малогабаритного кварцевого преобразователя можно выделить: высокую точность; долговременную стабильность; возможность передачи низкочастотного сигнала на расстояния до сотен метров; возможность построения простого измерительного канала или нескольких каналов.

Сравнительные характеристики кварцевых преобразователей температуры приведены в таблице.

Таблица. Характеристики кварцевых преобразователей температуры серии ПТК
Параметры ПТК-0,3-2Р ПТК-0,05-2Р ПТК-0,05-МР ПТК-0,05-3М Размерность
Габаритные
размеры
корпуса 66×68×18 66×68×18 ∅20×50 ∅5–12×30–450 мм
измерительного щупа ∅6×40–100 ∅6×100–1000 ∅5–12×100–1000 мм
Диапазон рабочих температур –60…+60 –60…+60 –60…+300 –60…+120 °С
Основная абсолютная погрешность 0,3; 0,5 0,05; 0,1; 0,3; 0,5 0,05; 0,1; 0,3; 0,5
при t>100+Δt×0,003
0,05; 0,1; 0,3; 0,5 °С
Разрешающая способность 0,01 0,005 0,005 0,005 %
Частотный выход (диапазон) 300–600 300–600 300–1100 32 000–36 000 Гц
Чувствительность 2 2 2 2 Гц/°С при t = 40 °C
Напряжение питания от 5 до 14 от 5 до 14 от 3 до 14 от 3 до 14 В
Амплитуда вых. сигнала при:
Rmin= 600 Ом; Смах= 15 нФ
Uпит= 0,5 Uпит= 0,5 Uпит= 0,5 Uпит= 0,5 В
Потребляемый ток, не более 6 6 6 4 мА
Примечание. Применение более длинного измерительного щупа позволяет уменьшить погрешность, вызванную изменениями температуры внешней среды, и дает возможность измерения более высоких температур за счет выноса генератора из горячей зоны.

Долговременная стабильность преобразователей имеет высокие показатели и зависит от типа применяемого термочувствительного резонатора.

Рис. 2. График изменения показаний кварцевых термочувствительных резонаторов РКТВ206 в процессе работы при температуре 160 °С
Рис. 2. График изменения показаний кварцевых термочувствительных резонаторов РКТВ206
в процессе работы при температуре 160 °С

На рис. 2 представлены графики изменения показаний кварцевых термочувствительных резонаторов РКТВ206 в течение 5 недель. Резонаторы находились в камере при температуре 160 °С, в активном состоянии (с постоянно включенным генератором).

Из графика видно, что отклонение показаний за 5 недель не превысили 0,06 °С, причем у резонаторов РКТВ206(В) с камертонным термочувствительным пьезоэлементом, смонтированным легкоплавким стеклом, это отклонение значительно меньше и не превышает 0,02 °С.

Испытания на долговременное хранение термочувствительных резонаторов при температуре +85 °С в течение года показали, что в среднем уход показателей резонаторов РКТВ206 составил 0,12 °С, а у резонаторов РКТВ206(В) — всего 0,05 °С.

Малогабаритные преобразователи температуры с ПЧЭ могут найти применение в системах учета тепла, в ЖКХ и в различных производственно-технологических процессах.

В настоящее время ООО «СКТБ ЭлПА» совместно с ООО «КварцСенс»проводит перспективную научно-исследовательскую и опытно-конструкторскую работу по разработке и организации опытно-промышленного производства первичных преобразователей для датчика температуры на основе пьезорезонансного чувствительного элемента из лантангаллиевого танталата (ЛГТ).

Монокристалл ЛГТ сохраняет пьезоэлектрический эффект вплоть до температуры плавления 1470 °С. При этом пьезоэлектрический модуль при температуре до +500 °С уменьшается всего на 5%.

Разрабатываемый преобразователь будет иметь частотный выход 40–50 кГц, диапазон измеряемых температур от –60 до +650…900 °С, абсолютную погрешность измерения температуры 0,6 °С (при 600 °С) и разрешающую способность 0,02 °С. Указанные параметры делают преобразователь хорошей недорогой альтернативой высокотемпературным платиновым термосопротивлениям и термоэлектрическим преобразователям.

Литература

  1. Малов В. В. Пьезорезонансные датчики. Энергоатомиздат, 1989.
  2. Поляков А., Заднепрянный И., Поляков В., Симонов В. Прецизионные кварцевые датчики // Компоненты и технологии. 2005. № 6.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке