Малогабаритный кварцевый датчик температуры

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.

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

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.

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

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.