г) Я1Б

Рис. 4.1. Внешний вид и габаритные размеры термочувствительных

резонаторов

При реализации ТЧЭ в виде вакуумированных резонаторов [9] элемент помещается в стеклянный баллон (рис. 4.1, а), из которого откачивается воздух. Герметизированные резонаторы обычно реализуются в паяных или холодносварных металлических корпусах. Для снижения тепловой инерционности корпус заполняется инертным газом с хорошей теплопроводностью, чаще всего гелием.

В последние годы кварцевые пьезорезонаторы реализуются в плоских керамических корпусах. Их основными достоинствами являются [62]:

высокая ваккумная плотность керамики, превосходящая в сотни тысяч раз вакуумную плотность стекол и металлов;

простота конструкции, содержащей две плоские детали - основание и крышку; 104

прочность;

технологичность сборки благодаря простоте монтажа пьезоэлемента, разводки токоподводов и соединения элементов конструкции.

Примером применения керамического корпуса может служить камертонный термочувствительный элемент производства компании ЕТА (Швейцария) [62].

В вакуумированном исполнении резонаторы диаметром 12-30 мм выполняются по технологии, используемой при изготовлении прецизионных резонаторов и обеспечивающей высокую добротность (G > 10*) и малое старение (рис. 4.1, в).

В конструкции с герметизацией корпуса диаметр резонатора меньше (6-8 мм), обработка поверхности пьезоэлемента менее качественна. Это в сочетании с использованием металлического корпуса, заполненного газом, и менее совершенного держателя определяет сравнительно более высокое старение и меньшие значения (100-200 тыс.) добротности (рис. 4.1, а, б, д).

Герметизированные термодатчики в результате заполнения баллона газом с хорошей теплопроводностью (гелием), применения металлического корпуса и небольших размеров имеют меньшую тепловую инерционность, чем вакуумированные термодатчики, В то же время вакуумированные термодатчики характеризуются более высокой временной стабильностью и разрешающей способностью. При измерениях температуры порог чувствительности прямо определяется случайными флуктуациями частоты, т.е. кратковременной нестабильностью Sf автогенератора. Как было показано в §3.2, кратковременная стабильность снижается с увеличением добротности. Если ТКЧ термочувствительного резонатора равен Ti, то минимально регистрируемые приращения температуры имеют порядок

(4.1)

Для высокодобротных резонаторов с Тр = 10" 1/°С кратковременная нестабильность 5- < 10"°, что позволяет регистрировать приращения температуры на уровне

Atmin = 10"i</10"» = 10"* °С. (4.2)

Для герметизированных резонаторов Sf < 10" и Д?тш Ю"* °С. Экспериментальные исследования различных вариантов конструкций термо датчиков показывают, что порог чувствительности в основном определяется кратковременной нестабильностью используемых резонаторов. Так, У. Смит, использовавший высокодобротные резонаторы среза ух1/+5° частотой 5 МГц, достиг порога чувствительности Дг,„ « я* 10~* °С, что позволило обнаружить разницу температур замерзания воды и таяния льда [51].

б) Схемно-конструктивные особенности кварцевых термодатчиков

Специфические особенности эксплуатации термодатчиков в сочетании с особенностями построения аппаратуры обработки информационных сигналов с них определяют многообразие схемных и конструктивных решений этих приборов.

Особенноста схемотехники термодатчиков [28, 43, 49-54, 56, 58, 60, 62].

Наиболее распространены автогенераторная схема с одним резонатором и двухрезонаторная дифференциальная схема с формированием сигнала разностной частоты. В последнем случае один резонатор - термочувствительный, второй - опорный.

Диапазон температур, в которых работают ТЧЭ и сопрягаемая с ним электронная аппаратура, определяет возможные варианты компоновки датчика (рис. 4.2).

В схеме на рис. 4.2, а вывод частотного сигнала осуществляется непосредственно на рабочей частоте резонатора. Если в случае низкочастотных камертонных ТЧЭ передача этого сигнала на большие расстояния особых проблем не вызывает, то при. использовании высокочастотных ТЧЭ, работающих в диапазоне 5-30 МГц, необходимо применение коаксиальных линий связи и буферных усилителей ВЧ.

В дифференциальной схеме на рис. 4.2, б, формируется разностный сигнал, частота которого обычно лежит в пределах 50-100 кГц, что упрощает его передачу в устройство обработки. В этом варианте, однако, разностная НЧ варьируется не только в результате изменения температуры термочувствительного резонатора, но и при изменениях температуры опорного резонатора. Если термочувствительный и опорный резонаторы пространственно разнесены, градиент температуры является источником погрешности термодатчика в целом. В схеме на рис. 4.2, б опорный резонатор конструктивно совмещен с электронной схемой датчика. В этом случае уровень погрешностей, вносимых электронным узлом, зависит от температурных условий, в которых он находится. Погрешности минимальны, если используется термостатирование всего электронного узла или по крайней мере опорного резонатора. На практике такое решение из-за сложности и больших габаритных размеров Используется редко. В помещениях с кондиционированием (+18-г +22 С) погрешность от температурной нестабильности опорного генератора, как правило, невелика (0,003°), и дополнительных мер борьбы может не требоваться. Однако работа в более жестких температурных режимах (+5-+50 °С), (-бО-г+85 °С) ставит серьезные проблемы на пути обеспечения точности в схеме рис. 4.2, б, поскольку в этих диапазонах уходы опорной частоты эквивалентны уже более значительным ошибкам измерений температуры (0,1 1 °С).

Решение проблемы может быть достигнуто применением термоком-пенсированного опорного генератора.

Г"

ФСРЧ

ФСРЧ

Рис. 4.2. Варианты схем пьезорезонансных термодатчиков:

Alii измерительный автогенератор; АГ - опорный генератор; ОР - опорный резонатор

Конечно, если предельные температуры и требование к габаритам допускают это, следует стремиться к реализации датчика, сосредоточенного в одном корпусе, объединяющем резонаторы и электронную схему. Однако здесь следует учитывать такие факторы, как перегрев датчика мощностью, рассеиваемой в электронной схеме, и увеличение тепловой инерционности.

Вынос в рабочую зону одновременно и термочуствительного и опорного резонаторов (рис. 4.2, в) также приемлем. Однако это ведет к увеличению длины линий связи чувствительного элемента и электронной схемы датчика. Кроме того, характеристика датчика в общем случае становится нелинейной, поскольку нелинейна ТЧХ опорного резонатора. По указанным причинам схема рис. 4.2, в применяется довольно редко.

Как следует из беглого сравнения альтернативных схемных решений, каждое из них имеет свои плюсы и минусы.

Недостатки представленных схем порождены в первую очередь высокой рабочей частотой сдвиговых ТЧР. Если перейти на использование низкочастотных ТЧР камертонного типа, выбор оптимальной структуры датчика упрощается. Из-за низкой несущей ТЧР (30-300 кГц) оказывается пригодной недифференциальная, однорезонаторная схема рис. 4.2, а. Если рабочие температуры исключают размещение электронных компонентов вблизи ТЧР, они выносятся с помощью некоаксиальных линий связи (в виде витых пар) на расстояния до нескольких метров. При измерениях в температурном диапазоне до 120 °С электронная схема и ТЩ* могут быть вьшолнены в общем корпусе. Проблема погрешностей, вызванных энерговьщелением электронной схемы, здесь исключается; применяемые генераторы на КМОП-структурах характеризуются сверхмалым потреблением («* 50 мкВт). Термодатчики с камертонными резонаторами, однако, имеют ограниченные точностные возможности. В задачах, требующих повьциенных точностей и стабильности, преимущества сдвиговых ТЧР очевидны.

Схемы с вынесенным высокочастотным ТЧР требуют тщательной проработки вопросов согласования линии связи резонатора и электронной схемы. Как уже упоминалось в гл. 3, длина этой линии может достигать сотен метров. Надежные результаты обеспечиваются при более коротких коаксиальных линиях - от 2 до 10 м. В этих слущях блок с электронной схемой соединяется с кабелем через высокочастотный разъем, что обеспечивает возможность его замены при отказе. В отдельных случаях идут и на применение соединения витой парой, защищенной экраном.

Конструктивное исполнение узла (зонда) с термочувствительным резонатором определяется спецификой решаемой задачи. При измерениях температуры воздуха резонатор находится в прямом контакте со средвй. Необходимо предусмотреть герметичное соединение кабеля с ТЧР, исключающее случайное попадание влаги на выводы резонатора.

При измерениях в жидкостях ТЧР обычно защищается кожухом из материала, исключающего прямое попадание жидкости на резонатор и линию связи.

При работе в условиях повышенных гидростатических давлений кожух выполняется достаточной прочности для защиты от механических перегрузок резонатора. Обычно кожух изготавливается из стали. Для лучшего теплового контакта с измеряемой средой зазор между резонатором и внутренней стенкой корпуса заполняется материалом с высокой теплопроводностью. Тем не менее инерционность остается значительной - от десятков секунд до нескольких минут.

С точки зрения применения кварцевых резонаторов в высокотемпературных датчиках критической является температура 573 °С, при которой происходит фазовый переход и потеря кристаллом пьезосвойств. Однако предельные температуры термодатчиков сегодня остаются на более низком уровне. Кристаллическому пьезокварцу присуще наличие так называемых пиков поглощения, характеризующихся резким ростом акустических потерь в определенных интервалах температурного диапазона. В этих областях резко снижается добротность резонаторов. Борьба с этим явлением ведется путем модификации химического состава синтетического кварцевого сырья.

На пути широкого использования ТЧР для высокотемпературных измерений имеется и ряд других препятствий. Прежде всего это проблема высокотемпературного корпуса, обеспечивающего надежную герметизацию пьезоэлемента. Кроме того, с увеличением температуры старение резонаторов резко ускоряется и основное преимущество кварцевых термодатчиков - высокая точность - в значительной степени сводится на нет.

В связи с проблемой применения кварцевых ТЧР в широком температурном диапазоне следует сказать о гистерезисе температурно-частот-ных характеристик этих резонаторов.

Как показьшают исследования [55], погрешность гистерезиса 5Г зависит в основном от перепада температур и описывается соотношением

где L - коэффициент нецикличности термодатчика. В общем случае этот коэффициент зависит от ориентации пьезоэлемента и конструкции ТЧР. Для резонаторов iC-среза он лежит в пределах (0,5-1,5) х хЮ"*. В частности, для ТЧР на 28 МГц (третий обертон) после термоцикла (-80 +240 -80) °С смещение начальной частоты составляет 20 Гц, что при чувствительности 10 Гц/C соответствует bt = 0,02 °С. Причиной гистерезиса является совокупность факторов, включающая дефекты кварца, механические напряжения на поверхности кристалла и электродов, неупругие процессы в держателях и т.д. Гистерезис уменьшается в 2-3 раза термотренировкой либо пропусканием через резонатор большого тока резонансной частоты. Практически близок к нулю коэффициент нецикличности у резонаторов описанного в § 2.1 NLSC-cpe-за [49].

Среди специфических моментов, которые необходимо принимать во внимание при проектировании датчиков, следует отметить погрешности, вносимые перегревом резонатора.

Погрешности от перегрева резонатора. Электрическая мощность, выделяемая в активном сопротивлении пьезорезонатора, превращается в тепло, создающее перегрев пьезоэлемента относительно окружающей среды. С увеличением уровня возбуждения перегрев растет. Для оценки погрешностей этого рода можно воспользоваться приближенным соотношением

ДГп = к„Р, (4-4)

где fcn - коэффициент перегрева; Р - мощность рассеяния.

Коэффициент перегрева тем выше, чем хуже условия отвода тепла от пьезоэлемента и в зависимости от конструкции пьезорезонатора и окружающих условий меняется в пределах от 0,05 до 1 °С/мВт. Для большинства термодатчиков коэффициент перегрева равен примерно 0,1-0,15 °С/мВт.

Источником перегрева термодатчика может быть не только сам термочувствительный резонатор, но и элементы электронной схемы, расположенные в датчике и искажающие температурное поле вблизи него.

Влияние схемы автогенератора. При работе в автогенераторных схемах последовательного и параллельного резонанса один и тот же термодатчик обладает различной термочувствительностью. Это явление связано с различием в температурных коэффициентах частоты последовательного и параллельного резонанса.

Для чистого У-среза ТК пьезоконстанты е равен Те =-1,5-10"* 1/°С. Отсюда, имея в виду, что (fp -fs)lfs 0,6-0,8 %, находим

Tfs-fp (3-4)-10-* 1/°С. (4.5)