Кварцевые преобразователи температуры в системах учета тепла

Кварцевые пьезоэлектрические резонаторы на протяжении многих лет использования в электронной технике зарекомендовали себя как надежная и недорогая конструкция.

На данный момент низкочастотные (от 30 до 64 кГц) термочувствительные резонаторы выпускают две фирмы — Seiko Epson (Япония) и СКТБ ЭлПА (Россия).

Отечественные низкочастотные термочувствительные резонаторы в корпусах 02×6 и 03×8 мм производятся по массовой технологии изготовления опорных кварцевых резонаторов камертонного типа и имеют относительную чувствительность порядка 60 ppm/°C, что в два раза больше чувствительности японских аналогов. На данный момент объем выпуска отечественных кварцевых низкочастотных термочувствительных резонаторов РКТ206 и высокотемпературных модификаций РКТВ206 составляет порядка 40 000 шт. в год, при этом производственные мощности позволяют выпускать порядка 100 000 шт. в месяц.

Термочувствительные резонаторы выпускаются на различные диапазоны рабочих температур:

• РКТ206 — от -55 до +100 °С;
• РКТВ206А — от -55 до +180 °С;
• РКТВ206Б — от -55 до +260 °С.

Эти резонаторы как чувствительные элементы (ЧЭ) применяются в преобразователях температуры в частоту и в кварцевых преобразователях давления для компенсации дополнительной температурной погрешности.

Разрешающая способность, погрешность, стабильность

У термочувствительного резонатора зависимость изменения частоты от температуры есть параболическая неразрывная функция, обычно аппроксимированная полиномом 2-й или 3-й степени:

F = F₀+A_l(T-T₀)+A₂(T-T₀)², (1)

F = F₀+A_l(T-T₀)+A₂(T-T₀)²+А₃(Т-Т₀)³, (2)

где F — частота, которую для низкочастотных резонаторов рекомендуется измерять через период(ы); F₀ — частота при температуре, равной Т₀; Т — температура, °С.

Поэтому разрешающая способность ограничена только кратковременной нестабильностью (флуктуацией) автогенератора и используемого для измерения частоты частотомера. По экспериментальным данным достижимая разрешающая способность может быть порядка 0,0005.0,0003 °С.

Основная погрешность, без учета долговременной стабильности, может составлять несколько сотых долей °С и определяется диапазоном рабочих температур и образцовыми приборами, которые используются при калибровке.

Дополнительные погрешности

Преимущество частотных датчиков (и кварцевых в том числе) — отсутствие дополнительной погрешности при передаче частотного сигнала на большие расстояния без применения специализированных и дорогих проводов и кабелей и малая погрешность вторичного преобразователя (микропроцессорного частотомера).

Долговременная стабильность кварцевых термочувствительных резонаторов — не более 3 ррт за 1-й год и не более 15 ррт за последующие 10 лет. На практике стабильность преобразователей температуры на основе кварцевых резонаторов варьируется от ±0,06 Гц (±0,03 °С) до ±0,2 Гц (±0,1 °С), в зависимости от диапазона действующих температур, а именно от времени работы при температуре, равной или близкой к верхнему пределу.

Конструкции преобразователей на основе кварцевых термочувствительных резонаторов

Применяются две конструкции кварцевых преобразователей температуры (ПТК), которые отличаются автогенераторами и, соответственно, количеством установленных в них резонаторов.

На рис. 1а представлена функциональная схема ПТК1 с одним термочувствительным резонатором — РКТ206 или РКТВ206 (1), автогенератором (2) с усилителем (3), на выходе которого — частотный сигнал. При этом на измерительный вход частотомера поступает частота, близкая к частоте последовательного резонанса термочувствительного резонатора, она может иметь значения от 32 до 64 кГц, в зависимости от модели резонатора и его настройки.

Рис. 1. Функциональная схема кварцевого преобразователя температуры: а) ПТК1 с одним резонатором, РКТ206 или РКТВ206; б) ПТК2 с подобранной парой резонаторов: РКТ206 и РК206 или РКТВ206 и РКОВ206

На рис. 1б представлена функциональная схема ПТК2 с подобранной парой резонаторов — РКТ206 и РК206 или РКТВ206 и РК0В206 (1, 2), автогенератор биения частот (3), который состоит из двух автогенераторов на собственную частоту (4, 5) и смесителя (6). На выходе усилителя (7) генератора — разностный частотный сигнал. При этом на измерительный вход частотомера поступает частота, равная разнице частот последовательного резонанса термочувствительного резонатора и опорного, она может иметь значения от 0,3 до 3,5 кГц, в зависимости от частот подобранных в пару резонаторов. На рис. 2 представлены типовые термочувствительные характеристики (ТЧХ) опорного и термочувствительного резонатора.

Рис. 2. ТЧХ опорного и термочувствительного резонаторов, производимых СКТБ ЭлПА: а) ТЧХ термочувствительного резонатора (экстремум на температуре около Т = —280 °С); б) ТЧХ опорного резонатора (экстремум на температуре около Т = 25 °С)

ПТК2 с подобранной парой резонаторов

Пары термочувствительного и опорного резонаторов подбираются обычно при комнатной температуре, таким образом, чтобы частота опорного резонатора была выше частоты термочувствительного резонатора на 300-500 Гц. При этом если предполагается работа преобразователя в области низких температур, то разность частот опорного и термочувствительного резонаторов при комнатной температуре должна быть близкой к 500 Гц.

Оба резонатора (термочувствительный и опорный) располагаются как можно ближе друг к другу, соответственно, при калибровке и последующей эксплуатации преобразователя фиксируется разность их частот. В случае возникновения температурного градиента между резонаторами может иметь место дополнительная погрешность.

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом ПТК2 (с подобранной парой резонаторов) в сравнении с ПТК1 является низкая выходная частота, которая на порядок ниже собственной частоты резонаторов. Это позволяет упростить схему частотомера, а именно применить в качестве частотозадающего элемента опорный высокочастотный (ВЧ) резонатор АТ-среза со стандартной ТЧХ.

Пример. При измерении выходного сигнала ПТК2, равного 1 кГц, частотомером с ВЧ-резонатором, ТЧХ которого в диапазоне температур -40.. .+60 °С равна ±30 ppm, погрешность составит ±0,03 Гц (то есть ±0,015 °С при чувствительности 2 Гц/°С).

Недостатки ПТК2 в сравнении с ПТК1 (с одним резонатором):

• Увеличенная кратковременная нестабильность (флуктуация).
• Меньшая надежность, так как применяется 2 резонатора, и более сложная схема автогенератора биения частот.
• Увеличенные габаритные размеры щупа и корпуса под автогенератор.
• Нормирование характеристики по большему количеству точек (от четырех и более).
• Более высокая стоимость.

ПТК2 с подобранной парой резонаторов применяется для измерения абсолютного значения температур, при работе схемы частотомера в широком диапазоне температур без возможности ввода температурной поправки (компенсации ТЧХ) для ВЧ опорного резонатора.

ПТК1 с одним резонатором

Преимуществом ПТК1 в сравнении с ПТК2 является простота конструкции и надежность. Использование одного термочувствительного резонатора (РКТ206 или РК0В206 в корпусе 2×6 мм) позволяет уменьшить размеры измерительного щупа. Это позволяет с высокой точностью измерять температуру в трубах малого диаметра, что является определяющим параметром для домовых и поквартирных систем учета тепла. Благодаря простой и малогабаритной схеме, автогенератор можно расположить непосредственно в измерительном щупе или головке малого размера. Наименьшая кратковременная нестабильность (флуктуация) автогенератора позволяет получить лучшую разрешающую способность по сравнению с ПТК2. Есть возможность нормирования характеристики по трем или двум точкам. Все это обеспечивает более низкую стоимость преобразователя и всего измерительного канала.

Недостаток — высокие требования по стабильности опорной частоты измерительного частотомера.

Пример. При измерении выходного сигнала ПТК1, равного 32 кГц, частотомером с ВЧ-резонатором, ТЧХ которого в диапазоне температур -40.. .+60 °С равна ±30 ppm, погрешность составит ±0,96 Гц (то есть ±0,48 °С при чувствительности 2 Гц/°С). Соответственно, для получения погрешности измерения частоты с ПТК1 не более 0,09 Гц (что составит ±0,04 °С при чувствительности 2 Гц/°С) требуется стабильность частоты ВЧ-резонатора во всем диапазоне рабочих температур не более ±3 ppm.

ПТК1 с одним резонатором может применяться для измерения абсолютной температуры, при работе схемы частотомера в узком диапазоне температур или при наличии возможности ввода температурной поправки (компенсации ТЧХ) для опорного ВЧ-резонатора. ПТК1 целесообразно применять для измерения абсолютной температуры при условии мультиплексирования, то есть измерения одним частотомером частоты с ПТК1 в количестве более 3-5 шт.

Пример. При измерении частотного выходного сигнала с пяти ПТК1 одним частотомером, в котором для задания частоты установлен генератор с термокомпенсацией (ГТК), стоимость ГТК (cтоимость ГТК — от 900 до 2000 руб.) делится на количество опрашиваемых ПТК1.

Пара ПТК1 (или большее их количество) может успешно применяться для измерения разности температур с высокой точностью и разрешающей способностью частотомером с ВЧ-резонатором, со стандартной ТЧХ (cтоимость ВЧ-резонатора на частоты 4-10 МГц: с ТЧХ ±0 ррт в диапазоне температур от -40 до +60 °С около 30 руб./шт.; с ТЧХ ±15 ррт в диапазоне температур от -30 до +60 °С — около 50 руб./шт. ). Но при этом погрешность измерения абсолютной температуры (имеется в виду канал измерения без учета метрологических характеристик самого ПТК) может достигать, в зависимости от температуры среды, в которой работает частотомер и ТЧХ ВЧ-резонатора, от ±0,1 до ±0,5 °С.

Измерение разности и абсолютного значения температур преобразователем ПТК1 и частотомером с ВЧ-резонатором (с типовой ТЧХ), без температурной компенсации частоты

Для систем учета тепла наиболее остро стоит задача измерения с высокой точностью и разрешающей способностью разности температур (Т_входа-Т_выхода). На основе термочувствительных резонаторов в 2006 году ООО «СКТБ ЭлПА» и ЗАО ПГ «Метран» были разработаны преобразователи температуры для труб малого диаметра, и ЗАО ПГ «Метран» была разработана система поквар-тирного учета тепла.

Далее приведен расчет погрешности всего измерительного канала, то есть учитываются погрешности самого ПТК (средства измерения) и погрешности измерительного канала (частотомера).

Погрешность измерения разности температур α_Δ двумя ПТК с автогенераторами собственной частоты, при условии, что схема измерения частоты одна и преобразователи калибровались в одном цикле, определяются:

• α_ΤΡ — градиентом температуры в термостате при калибровке (±0,01.0,02 °С);
• α_Μ — погрешностью метода измерения частоты не более ±МЗР = (±0,000025% измеряемой частоты) = (±0,0082 Гц, при частоте 32 700 Гц) = (±0,0041 °С);
• α_Η1 — кратковременной нестабильностью автогенератора ПТК, усредненной в интервале измерения частоты не менее 0,5 с, не более ±0,5 ppm = (±0,015 Гц) = (±0,007°С);
• а_Н2 — кратковременной нестабильностью автогенератора ВЧ-резонатора МК, усредненной в интервале измерения частоты не менее 0,5 с, не более ±1 ppm = (±0,03 Гц) = (±0,015 °С).

  Итого не более:

  

• ад_Н1 — долговременной нестабильностью (дополнительная погрешность, вызванная долговременной нестабильностью (старением), присутствует с не меньшим значением в конструкции ПТК2 (с подобранной парой термочувствительного и опорного резонаторов)
  ) резонатора РКТ206 (РКТВ206) не более ±3 ррм = (±0,1 Гц) = (±0,05) °С за год. Итого погрешность измерения разности температур с учетом старения резонаторов РКТ206 (долговременная нестабильность) α_Δ, не более:
  

  Погрешность измерения абсолютной температуры определяется:

• а_К — погрешностью калибровки (при использовании эталонного термометра ТПС 2-го класса в жидкостном термостате типа ТВП-6) ±0,03 °С; α_Μ; α_Η1; α_Η2;
• α_Τ — погрешностью, обусловленной изменением частоты опорного ВЧ-резонатора в рабочем диапазоне температур схемы частотомера (отклонение номинальной частоты опорного ВЧ-резонатора, применяемого для тактирования МК, при предварительной сортировке может составлять в диапазоне от -40 до +60(85) °С не более ±15 ppm.) (при измерении частоты 32,7 кГц) ±0,5 Гц = (±0,25 °С). Итого не более:
  

Погрешность измерения абсолютной температуры с учетом долговременной нестабильности:

• ад_Н1 и ад_Н2 — долговременной нестабильностью ВЧ-резонатора в схеме частотомера для тактирования МК не более ±3 ppm = (±0,1 Гц при измерении частоты 32,7 кГц) = (±0,05) °С за 1 год.

Итого погрешность измерения абсолютного значения температур с учетом старения (нестабильности) резонаторов РКТ206 и ВЧ-резонатора (стабильности) α, не более:

При этом разрешающая способность остается на уровне ±0,003.0,005 °С, при применении компенсации ТЧХ ВЧ-резонатора (с точностью ±2 ppm), достижимая погрешность измерения абсолютной температуры не более:

• α = ±0,14 °С за 1 год;
• α = ±0,2 °С за 2 года.

Кварцевые термочувствительные резонаторы и преобразователи температуры на их основе по метрологическим характеристикам приближаются к платиновым ТС по разрешающей способности и даже могут превосходить их. Стоимость резонаторов находится на уровне стоимости полупроводниковых датчиков температуры. Частотный выход преобразователей температуры и возможность подключения термочувствительного резонатора непосредственно к внутреннему генератору микроконтроллера существенно упрощает работу с ними. Все это делает привлекательным их использование как первичного преобразователя, но в ограниченном диапазоне температур — до 120 °С и до 180 °С.