Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [18] 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

Поскольку для У-среза Т= 1,78-10""* 1/°С,то

« 1,82,25

(4.6)

Иными словами, при переходе от возбуждения термодатчика на частоте последовательного резонанса к возбуждению на частоте параллельного резонанса изменение крутизны преобразования температуры в частоту может составить несколько процентов.

в) Вопросы практического применения пьезорезонансных датчиков температуры

Многолетний опыт разработки и применений KBapieBbix термодатчиков дает возможность просуммировать наиболее существенные особенности этих приборов и выявить рациональные области их применения.

1. Кварцевые термодатчики-преобразователи обладают повьпиенной точностью измерений температуры в диапазоне от-250 до +250 °С. По точности, воспроизводимости, стабильности и разрешающей способности они превосходят платиновые, термисторные и термопарные преобразователи температуры.

2. Частотный выходной сигнал практически сводит к нулю погрешности от влияния линий связи датчика с устройством обработки информации и обеспечивает высокую точность измерений в условиях действия промьшшенных электромагнитных помех.

3. Измерительная аппаратура на основе кварадевых термодатчиков удобна в эксплуатации, полностью автоматизирована. Аппаратурными средствами успешно решены проблемы взаимозаменяемости датчиков.

4. Преимущества кварцевой термометрии проявляются при измерениях постоянных и медленно меняющихся температур. В области контроля процессов с временем установления не более нескольких секунд применение кварцевой термометрии следует считать мало оправданным из-за значительной тепловой инерционности.

В настоящее время наиболее значительные результаты в кварцевой термометрии достигнуты с использованием высокочастотных сдвиговых резонаторов, растет применение камертонных ТЧР. Находят применение как ТЧР с линейной ТЧХ (срезы 1С, ПЯ, NLSC), так и ТЧР с нелинейной ТЧХ (У-срез).

Конструктивные варианты исполнения датчиков показаны на рис. 4.3.

Термо датчики компании Хьюлетт-Паккард выполнены по схеме рис. 4.3, а. Их отличительная особенность - фиксированная длина линии связи (3,7 м) между ТЧР и высокочастотным генератором. Все датчики - погружного типа; корпус зонда, в котором размещается резонатор, вьшолняется из нержавеющей стали. Рабочая частота резонаторов -около 28 МГц. Масса зонда - 90 г.

По-иному выполнены термодатчики японской компании Токио ПО


1--Idl

2000


Рис 4 3. Конструктивные варианты исполнения термодатчиков:

а - фирмы Хьюлетт-Паккард (США); б - фирмы Токио-Денпа (Япония); в, г- ПТКИ (СССР)

Денпа (рис. 4.3, б). Здесь в длинном цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали размещаются как термочувствительный резонатор, так и электронный генератор к нему. Это снимает проблему согласования по высокой частоте.

Отечественные датчики типа ПТКИ-01,-02,0,3 (рис. 4.3,в) предназна-чены соответственно для контроля температуры воздуха, поверхностей и материалов. Датчики выполнены в виде двух узлов - термочувствительного резонатора и электронного преобразователя. Последний содержит опорный резонатор и гибридную схему с двумя генераторами и формирователем сигнала разностной частоты. Преобразователь ПТКИ-01 - погружного типа.

Преобразователь ПТКИ-02, используемый для контроля температуры поверхности, снабжен магнитным прихватом (рис. 4.3, г), обеспе-



7,00

0,3J

5,60

-am

-----L

1>Ч>-

в)

-Af/fdO-}

-200

V. J-

-100

1 1 ~

- -1----1

-5-/7 25 50 75 t,4

Рис. 4.4. Камертонные термодатчики компании ЕТА (Швейцария):

а - камертонный ТЧР в керамическом корпусе; б - термодатчик со встроенной электроникой; в - принципиальная схема камертонного датчика; г - отклонение ТЧХ камертонного пьезорезонатора от линейной характеристики

чивающим надежный тепловой контакт поверхностей ТЧР и измеряемого узла. Преобразователь ПТКИ-03 предназначен для контроля температуры материалов, устанавливается внутри контролируемого конструктивного элемента [43].

Длина коаксиального 75-омного кабеля, соединяющего ТЧР и электронный блок, в датчиках ПТКИ составляет 4-15 м. Разностная частота с выхода электронного блока может быть передана на расстояние до 100 м.

Наиболее малогабаритные термодатчики выпускаются швейцарской компанией ЕТА. Основа датчиков - камертонные кварцевые ТЧР в плос-112

ких керамических, металлических либо стеклянных корпусах [172].

Разработаны два варианта исполнения. В первом поставляются дискретные термочувствительные резонаторы на частоту 262 144 Гц (28 Гц) (рис. 4.4, а).

Используются пьезоэлементы среза zj6/+5°, характеризующиеся большой термочувствительностью (J = 34,5-10"*); характеристика имеет нелинейность (рис. 4.4, г). Малые размеры обеспечивают низкую постоянную времени (менее 0,5 с).

Второй вариант малогабаритного термодатчика, GT3500 (рис. 4.4, б) представляет объединенные в одном стеклянном корпусе камертон ный ТЧР на частоту 256 кГц, генератор и цифровую схему деления час тоты на 256. На выходе датчика формируются импульсы 1-3 мкс 5 В, следующие с частотой около 1 кГц, зависящей от температуры Применение КМОП-схем позволяет снизить потребление до 5 мкА Для подключения датчика используется двухпроводная линия связи Габаритные размеры датчика 2,3 х 14 мм [62].

4.2. ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВЫХ ТЕРМОДАТЧИКОВ

В простейшем варианте цифровые измерения температуры могут выполняться на базе стандартных частотомеров. Целый ряд тонких экспериментальных исследований, продемонстрировавших высокие точности и большую разрешающую способность кварцевых термометров, были вьшолнены именно этим методом задолго до создания специализированных промышленных цифровых преобразователей.

В самом общем виде простейший прямопоказывающий цифровой кварцевый термометр представляет собой цифровой частотомер, в котором для обеспечения прямого отсчета температуры время счета импульсов частоты датчика ("ворота") подобрано в соответствии с крутизной его рабочей характеристики. Если при этом нулевой температуре соответствует нулевая частота датчика, а ТЧХ датчика линейна, то никаких дополнительных вычислительных операций для получения отсчета температуры не требуется. Точность отсчета (1 °С; 0,1 °С; 0,01 °С и т.п.) изменяется соответствующим дискретным изменением

в 10, 100, 1000 и т.д. раз времени счета.

Формирование временных интервалов счета осуществляется путем деления частоты опорного кварцевого генератора, встроенного в прибор.

На практике, однако, подобная схема не применяется. Обычно рабочую характеристику датчика делают смещенной относительно нуля, чтобы избежать перехода через нулевую частоту во всем температурном диапазоне. Величина смещения в этом случае должна в цифровом виде храниться в дополнительном регистре ЦКТ и вычитаться из текущего значения кода температуры.

Вторая проблема - нелинейность ТЧХ термодатчика, В описанной схеме нелинейность будет прямо проявляться как ошибка. Решение



ТЧР,

А г,

ГЧР2

А г.

>Ч0

АГо ОСили 52°F

2,8 МГи,

PetHUM измерений

6-деиадный счетчик

к цифровым индинаторам

0,01

0,001

0,0001

Разреи1аюш,ая способность (Ч или °F)

Рис. 4.5. Структурная схема автоматического цифрового прямопоказывающего измерителя фирмы Хьюлетт-Паккард:

ТЧР1, ТЧР2 - термочувствительные резонаторы; ЛГ,, АГ2 - измерительные генераторы; АГо - автогенератор опорной частоты 2,8 МГц; ПРИ - переключатель выбора режима измерений; ДЧ - делитель частоты; ФВИ - формирователь временных интервалов; См - смеситель; ИЗР - измеритель знака разности температур f,, -t22 (при f2-o)

лежит В использовании резонаторов с линейной ТЧХ. Такие элементы, как уже отмечалось в §2.1, были созданы впервые в США, а затем и усовершенствованы в других странах [54, 59, 60]. На основе линейных термодатчиков фирмой Хьюлетт-Паккард в 1965 г. бьш начат промьпиленный выпуск высокоточного цифрового термометра, схема которого приведена на рис. 4.5.

Прибор обеспечивает измерение температур Г, и Гг, определение их разности At =ti -t2 к отсют результатов измерений непосредственно в градусах Цельсия или Фаренгейта. Измерение может производиться с разрешением по температуре 10- 10" и Ю"* °С, что обеспечивается соответствующим увеличением времени измерения от 0,1 с при разрешении 10" °С до 10 с при разрешении Ю"* °С. Если применяется один датчик, то на вход смесителя Си вместо сигнала от второго термодатчика подается частота 28 МГц, сформированная из опорной частоты 2,8 МГц путем ее умножения на 10. Термодатчик и автогенератор размещаются в герметизированном выносном пробнике, выдерживающем давление до 20 МПа, и соединяются с цифровым прибором коаксиальным кабелем длиной до 3 км. Между генератором и термочувствительным резонатором используется полуволновой отрезок 114

радиочастотного кабеля, обеспечивающий согласование сопротивлений на частоте 28 МГц. Генератор вносит погрешность в измерения температуры не более 2-10" С при изменениях окружающей температуры на 1 °С [54].

Вследствие того что основной вид дрейфа датчика - смещение характеристики без изменения ее крутизны, юстировка упрощена - в "тройной" точке воды подстраивается до исходного значения начальная частота на выходе датчика.

Термометр фирмы Хьюлетт-Паккард выполнен на цифровых микросхемах невысокого уровня интеграции и имеет жесткую логику работы, рассчитанную на высокую линейность и идентичность характеристик ТЧР.

Обеспечение требований по линейности и взаимозаменяемости ТЧР увеличивает себестоимость приборов. При этом надо иметь в виду резкое возрастание проблем по мере повышения точностей измерений. Очевидно, что весьма различной ценой обеспечивается идентичность на уровне точностей в 1 и 0,01 °С. Что же касается нелинейности ТЧР, то возможность снизить ее до уровня 0,01 °С вообще проблематична.

Дпя линеаризации характеристики было предложено много решений. Один из методов - кусочно-линейная аппроксимация характеристики датчика. Существуют и другие варианты. В целом алгоритмы настройки ЦКТ с нелинейными термо датчиками оказываются сложны и требуют значительных затрат времени и аппаратуры.

Исходя из этого представляется технически целесообразным подход к реализации приборов, который, сохраняя требования к высокой чувствительности и временной стабильности датчиков, снижает жесткие требования к нелинейности и идентичности их характеристик. Решение задач линеаризации и обеспечения взаимозаменяемости при этом возлагается на электронный блок вторичного прибора. Естественно, что при этом в схемах должны закладываться дополнительные резервы, обеспечивающие возможность настройки прибора при сопряжении с датчиками как в процессе производства, так и при замене датчиков в ходе эксплуатации.

Один из подходов к решению проблемы предложен авторами [41]. В разработанном цифровом термометре предусмотрена настройка цифрового преобразователя в соответствии с индивидуальными паспортными характеристиками термодатчика. Для этого в комплекте с каждым термочувствительным резонатором поставляется сменный нормализующий модуль, который устанавливается во вторичном приборе. Разработанный прибор ориентирован на применение резонаторов ПЯ-среза с линейной ТЧХ и обеспечивает возможность компенсации разбросов по нулю в пределах ± 500 Гц (/ = 5 МГц) и крутизны на ±20 Гц/°С (температурный коэффициент равен 180±20 Гц/°С). Диапазон измеряемых температур от -60 до +120 °С. Погрешность измерений в диапазоне 0-100 °С не превышает 0,05 °С.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [18] 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45



0.001