Малогабаритный кварцевый датчик температуры
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.
Преобразователь имеет частотный выход, соответственно значение температуры можно вычислить по формуле:
+ С3( Δ F – F0)3,
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.
| 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 | |
Долговременная стабильность преобразователей имеет высокие показатели и зависит от типа применяемого термочувствительного резонатора.
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
- Малов В. В. Пьезорезонансные датчики. Энергоатомиздат, 1989.
- Поляков А., Заднепрянный И., Поляков В., Симонов В. Прецизионные кварцевые датчики // Компоненты и технологии. 2005. № 6.
Другие статьи по данной теме:
- Теоретические аспекты конечно-элементного моделирования состояний и функциональности магнитоуправляемых датчиков. Часть 2
- Датчики. Актуальные технологии и применения датчиков автомобильных систем активной безопасности. Часть 6. Радары
- Пироэлектрический инфракрасный датчик для поверхностного монтажа IRS-A200ST01 от компании Murata
- Герметичный многофункциональный инспекционный видеодатчик для условий промышленного производства и водоструйной промывки
- Датчики. Актуальные технологии и применения датчиков автомобильных систем активной безопасности. Часть 3. Элементная база датчиков света и цвета
- Поворотные шифраторы: основные типы и некоторые особенности применении
- Формирователи сигналов датчиков Maxim
- Возможности оценочного комплекта Taste It!-2 фирмы NEC для микроконтроллеров семейства 78К0/Кх2