Кварцевые датчики температуры
Кварцевые термометры – это автогенераторные преобразователи с частотным выходом, использующие в качестве чувствительного элемента пьезоэлектрический резонатор с сильной зависимостью частоты от температуры. Преимущество использования термочувствительных кварцевых резонаторов, прежде всего, заключается в их высокой чувсвительности, высокой стабильности и простоте использования. Сигнал от резонаторов можно сразу обрабатывать в цифровой форме, 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 нелинейной функцией температуры и описывается следующим выражением:
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. Современные кварцевые термочувствительные резонаторы имеют чувствительность 60 ppm/°C , что составляет 2 Гц/°С и 4 Гц/°С для резонаторов с опорной частотой, равной 32 и 64 кГц соответственно.
Диапазон измеряемых температур ограничен снизу азотными температурами, а сверху - примерно величиной +(150…200) °С. Ограничение определяется наличием провалов добротности резонаторов при использовании искусственного кварцевого сырья, а также уменьшением крутизны преобразования при понижении температуры. Для достижения высокой точности измерения температуры необходима индивидуальная градуировка с учетом нелинейных членов в аппроксимирующем полиноме, однако, в настоящее время это не является сложной задачей. Микропроцессор пересчитывает значение частоты, поступающее с кварцевого преобразователя, в значение температуры по индивидуальной градуировочной характеристике. Существуют термометры позволяющие измерять температуру в диапазоне –30...+100 °С с точностью 0,06 °С.
Типовой кварцевый термометр состоит из трех основных узлов: чувствительного элемента, частотного преобразователя и специального вычислителя (микроконтроллер). Созданный на базе кварцевых резонаторов цифровой термометр можно использовать как многоканальную систему контроля температуры. Можно осуществить передачу частоты с преобразователя температуры на расстояния до нескольких сотен метров.
Преимущественная область использования кварцевых термометров - научные исследования, связанные с высокоточными и длительными измерениями.
Использованы источники: публикация Дмитрий Тумайкин, Михаил Тумайкин «Прецизионный термометр для промышленного применения на основе термочувствительных кварцевых резонаторов» журнал КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ № 1 (2008).
Приводим характеристики двух типов кварцевых датчиков температуры (информация предоставлена Владимиром Леонидовичем Мухиным, г. Омск, эл. почта: muhin31@yandex.ru)
Кварцевый датчик температуры для лабораторных испытаний
- диапазон измеряемых температур…………………………………………………………………………-150…+120°С
- крутизна температурно-частотной характеристики при линейной аппроксимации (при +20°С)…………900 Гц/°С
- выходная частота при +20°С……………………………………………………………………………... около 10 МГц
- собственные шумы датчика ………………………………………………………………...………….. менее 5х10-6 °С
- тепловая постоянная времени датчика в жидкости ………………………………………………………………10сек
- старение датчика за год работы (для температур менее +60°С) ……………………….…….…. не более ± 0,0005°С
- гистерезис частоты при термоударе от комнатной температуры до крайнего значения и обратно -не более 0,01°С
- размеры датчика (конструкция герметична) ………………………………………………………………. 12х50 мм
Кварцевый датчик температуры для скважин и регистратор данных частотных датчиков
- диапазон измеряемых температур……………………………………………………………………….……-2…+70°С
- разрешающая способность измерителя температуры …………………………………………………………... 10-5 °С
- крутизна температурно-частотной характеристики при линейной аппроксимации (при +20°С) ……….. 900 Гц/°С
- выходная частота датчика при +20°С…………………………………………………………………..…. около 30 кГц
- тепловая постоянная времени датчика в жидкости …………………………………………………... не более 30 сек
- периодичность опроса датчика температуры в автоматическом режиме …………... 1- 60 мин. (программируется)
- объем FLACH памяти регистратора ………………………………………………………………….…...……2 Мбайт
- погрешность привязки каждого измерения к внутренним часам …………………………………………..…… 1 сек
- объем памяти, занимаемый одним измерением ……………………………………………………………..… 21 байт
- напряжение питания …………………………………………………………………………………………….. 5 Вольт
- глубина погружения …………………………………………………………………………………….. до 1500 метров
- размеры датчика (конструкция герметична) ……………………………………………………………... 23х190 мм
- размеры регистратора ………………………………………………………………………………...……. 29х180 мм
В обеих разработках применены кварцевые резонаторы, выполненные по прецизионной технологии, что обеспечивает малую величину старения. Стеклянный баллон резонатора заполнен гелием. Для уменьшения старения и гистерезиса частоты применена предварительная термотренировка кварцевого резонатора (несколько циклов охлаждения от комнатных до азотных температур). В скважинном датчике применен сдвоенный кварцевый резонатор.
Публикации автора разработок:
1. Дистанционный кварцевый термометр. Мухин В.Л., Приборы и техника эксперимента (ПТЭ), 1984г.,№1, с.242
2. Пьезокварцевый измеритель разности температур. Мухин В.Л., Муляр А.Я., Чжу Р.Н., ПТЭ, 1990г, №4, с.246
3. Кварцевый датчик температуры. Мухин В.Л. ПТЭ, 1991, №2, с.241
4. Кварцевый датчик температуры для скважин. Мухин В.Л., ПТЭ, 1991г, №2, с.241