Розробка датчика температур на акустичних хвилях

ВСТУП

Автоматизація різних технологічних процесів, ефективне керування різними агрегатами, машинами, механізмами вимагають численних вимірів різноманітних фізичних величин. У цей час існує приблизно наступний розподіл частки вимірів різних фізичних величин у промисловості: температура - 50%, витрата (масовий і об'ємний) - 15%, тиск - 10%, рівень - 5%, кількість (маса, обсяг) - 5%, час - 4%, електричні й магнітні величини - менш 4%. Із цього розподілу наочно видно, що в сучасному промисловому виробництві найпоширенішими є виміри температури. Широкий діапазон вимірюваних температур, розмаїтість умов використання засобів вимірів і вимог до них визначають, з одного боку, різноманіття застосовуваних засобів виміру температури, а з іншого боку, необхідність розробки нових типів первинних перетворювачів і датчиків, що задовольняють зростаючим вимогам до точності, швидкодії.

Вимірювальні перетворювачі на пасивних елементах (акустичні датчики) з розвитком автомобільної індустрії й індустрії телекомунікацій здобувають все більшу актуальність. Такі прилади будуються на фільтрах акустичних хвиль, комерційне використання яких почалося більше 60 років тому. Тільки в телекомунікаціях - у мобільних телефонах і на базових станціях - щорічна потреба в цих фільтрах близько 3 мільярдів. Ці прилади працюють із поверхневими акустичними хвилями й служать у передавачах полосними фільтрами як проміжних частот, так і частот радіохвиль. Крім того, акустичні датчики застосовуються в автомобільній індустрії (датчики крутного моменту й тиску в шині), медицині (хімічні датчики) і багатьох інших сферах (як датчики вологості, температури й т.д.). Причини такого широкого використання цієї технології в промисловості - невисока вартість, надійність, чутливість і витривалість приладів. Крім того, деяким з них не потрібні джерела живлення.

1. ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРИ ТА ЇХ КЛАСИФІКАЦІЯ

1.1 Датчик температури

В основі роботи будь-яких температурних датчиків, що використовуються в системах автоматичного керування, лежить принцип перетворення вимірюваної температури в електричну величину. Це обумовлено наступними позитивними характеристиками електричних вимірів: електричні величини зручно передавати на відстань, причому передача здійснюється з високою швидкістю; електричні величини універсальні в тому розумінні, що будь-які інші величини можуть бути перетворені в електричні й навпаки; вони точно перетворяться в цифровий код і дозволяють досягти високої точності, чутливості й швидкодії засобів вимірів.

Акустичні датчики засновані на залежності швидкості поширення звуку в газах від їхньої температури й використовуються в основному діапазоні середніх і високих температур. Акустичний термометр містить просторово рознесені випромінювач акустичних хвиль і їхній приймач, що включаються звичайно в ланцюг автогенератора, частота коливань якого міняється зі зміною температури; звичайно такий датчик використовує й різного типу резонатори.

Датчик температури являє собою пластинку кварцу, поміщену в сталевий корпус, заповнений гелієм для збільшення теплової провідності між кварцом і корпусом датчика. П'єзоелектричний кварц характеризується тим, що головна площина пластинки перпендикулярна електричної осі. У цьому випадку спостерігається поява зарядів протилежного знака на протилежних поверхнях пластинки при додатку сили по нормалі до них. Це явище називається прямим п'єзоелектричним ефектом. При додатку до протилежних поверхонь пластинки різниці потенціалів відбувається зміна товщини пластинки (розтягання або стиск) залежно від знака різниці потенціалів. Це явище називається зворотним п'єзоелектричним ефектом. П'єзоелектричний ефект експериментально був відкритий братами Кюрі.

Якщо до протилежних поверхонь пластинки прикласти змінну різницю потенціалів, частота якої буде періодично змінюватись, виникає явище електромеханічного резонансу, що супроводжується періодичним перетворенням механічної енергії в електричну й назад з дуже малими втратами.

Орієнтація пластинки щодо осей кристала визначає її зріз.

Електроди, за допомогою яких підводить різниця потенціалів до пластинки, можуть бути напиляні у вакуумі або виконані із двох притиснутих до пластинки шматочків фольги.

Поблизу однієї із цих резонансних частот механічних коливань пластинка кварцу з електричної точки зору являє собою двухполюсник, що складається із двох паралельних галузей.

Параметри L, С, R визначаються геометричними, механічними й кристалографічними характеристиками пластинки; С – обумовлено наявністю металевих електродів (рис. 1.1).

Рисунок 1.1

Є два ланцюги електричного резонансу:

а) послідовна

б) паралельна

Кварцова пластинка з активним елементом утворять у сукупності генератор, що створює вимірювальний сигнал е_т.

де , якщо Те = 0°С

Кварцовий генератор опорної частоти створює сигнал е_r із частотою , що практично не залежить від температури навколишнього середовища:

Сигнали е_т й е_r надходять на вхід перетворення частоти, наприклад, множителя, на виході якого знімається напруга и'о

За допомогою низькочастотного фільтра відтинаються ' верхні частоти, що враховують членом

 і тоді

Визначивши за допомогою частотоміра величину й знаючи S можна знайти температуру

1.2 Класифікація термодатчиків

Оскільки інформація про нові типи вимірювачів не завжди є повною та містить комерційну таємницю, для визначення сучасного рівня та основних орієнтирів у розробці таких датчиків скористаємось відомостями про класичні серійні термодатчики, якими є термометри опору. Згідно ГОСТ 6651-78 термометр опору використовується для перетворення температури в діапазоні -200...+1100 С в опір.

Найчастіше використовуються термоопори 3-х типів:

- платинові (ТОП)

- мідні (ТОМ)

- напівпровідникові (ТОП)

Платинові ТЕ мають високостабільний температурний коефіцієнт опору ТКО, гарну відтворюваність властивостей.

Функція перетворення ТОП має вигляд.

Платина:

R_T=R₀(1+AT+BT²), при TЄ(0 ÷ 650) ˚С

R₀- опір при Т₀=0˚С;

Т- поточна вимірювана температура, ˚С;

А=3,90784^х10^-3К^-1;

В=5,7841^х10^-7К^-2;

R_T=R₀(1+AT+BT²+C(T-100)T³),

при TЄ(-200…0)˚С, де С=-4,482^х10^-12К^-4.

Мідні ТО широко поширені завдяки своїй дешевині й лінійній залежності ТКО від температури.

Мідь:

R_T=R₀(1+α_R^хТ), при TЄ(-50…200)˚С ;

α_R=4,26^х10^-3ДО^-1 –ТКО першого порядку мідного ТЕ;

R₀- опір при Т₀=0˚С;

Т- поточна вимірювана температура, ˚С;

Напівпровідникові терморезистори відрізняються від металевих меншими габаритами й більшими значеннями ТКО.

ТКО напівпровідникових терморезисторів негативний і зменшується зворотньопропорційно квадрату абсолютної температури: α=В/Т^2. При 20˚С ТКО становить 0,02 ÷ 0,08 К^-1.

Температурна залежність опору ТСП (рис. 1.2 крива 2) досить добре описується формулою R_θ=Ae^В/T, де Т – абсолютна температура, А – коефіцієнт, що має розмірність опору, В - коефіцієнт, що має розмірність температури. На рис.3 для порівняння наведено температурну залежність для мідного терморезистора (пряма 1).

Якщо для використаного перетворювача не відомі коефіцієнти А и В, алі відомі опори R₁ й R₂ при Т₁ і Т₂, то опір і коефіцієнт В для будь-якої іншої температури можна визначити зі співвідношень:

Рисунок 1.2

Недоліками напівпровідникових терморезисторів, що істотно знижують їхні експлуатаційні якості, є нелінійність залежності опору від температури (рис. 1.2) і значний розкид від зразка до зразка як номінального опору, так і постійної В.

1.3 Конструкції й технічні характеристики сучасних датчиків

По конструктивному виконанню металеві, мідні й платинові ТО діляться на дві великі групи:

- средовищні (що занурюють) ТО, призначені для внутрішнього вимірювання температури рідких, газоподібних і сипучих середовищ у різних галузях техніки;

- поверхневі ТО, призначені для виміру температури поверхні твердих тіл на які безпосередньо встановлений ТО.

Конструкція термометра опору типу ТОП-6097, призначеного для вимірювання температури газоподібних або рідких хімічно неагресивних й агресивних середовищ у діапазоні від -50 до +250 , показана на рис.1.3. Чутливий елемент 1 платинового термометра являє собою керамічний каркас, у канали якого поміщено спіраль із платинового дроту. Кінці спирали приварені до виводів, через які чутливий елемент з'єднаний із трьохжильним кабелем. Канали каркаса засипані керамічним порошком й герметичні. Захисна арматура 2 термометра являє собою зварну конструкцію зі сталевої сурми й штуцера. Місце сполучення чутливого елемента з кабелем закривається ковпаком 4 із прес-матеріалу АГ-4В, угвинченим у верхню частину штуцера 3, і заливається компаундом.

Показники теплової інерційності промислових термометрів становлять 10÷60с і визначаються так саме, як і для термопар. Виключення становлять термометри, призначені для вимірювання температури газу; для них показник теплової інерційності визначається як постійна часу при зануренні термометра в потік повітря, що має постійну швидкість 0,5 м/с.

Рисунок 1.3 Конструкції традиційних термодатчиків

Поверхневі термоперетворювачі відрізняє висока надійність, малі розміри, матеріалоємність, поліпшені показники теплової інерції. Термоопори стійкі до вібрації й зберігають працездатність при вологості до 98 %. Не вимагають складних монтажних робіт при установці на об'єкті. При установці на труби або радіатори дозволяють із низькою тепловою інерцією виміряти температуру енергоносія. Практично незамінні для труб малого діаметра, де установка середовищних перетворювачів ускладнена або економічно недоцільна.

ЧЕ термоперетворювачів групи 2 виконані у вигляді плоскої одношарової біфілярної спіралі, закріпленої між двома пластинами зі склотканини. Товщина такого ЧЕ не перевищує 0,15мм. Виводи перетворювача 2-1 – плоскі у вигляді пелюстків. Перетворювачі 2-3, 2-7 конструктивно виконані на базі моделі 2-1, деталі повторюємо із закладенням виводів у корпусі із пресматеріала АГ-4У (2-3) або високотемпературного клейового заливання (2-7). Термоперетворювачі 2-1, 2-3, 2-7 рекомендуються для вимірювання температури поверхонь обмоток, підшипників, електродвигунів і генераторів, а також поверхонь труб будь-якого діаметра. Термоперетворювач 2-9 призначений для виміру температури зовнішнього повітря й температури в приміщеннях.        

Поверхневі ТО найбільш використовуються в сучасних вимірювальних перетворювачах і різних бортових вимірювальних системах як датчики температури для визначення поточної температури бортового засобу вимірювання з метою наступної алгоритмічної компенсації його систематичних додаткових температурних похибок.

В Україні АТ «Чезара» робить мідні й платинові середовищні й поверхневі ТО (таблиця 1, 2).

У таблиці 3 у скороченому об’ємі наведені параметри номінальних СГХ мідних і платинових ТО. Зроблені заводом-виробником ТО після їх статичного градуювання розподіляються на п'ять класів точності. Критеріями розподілу є припустимі відхилення опору R₀ при Т₀=0˚З і чутливості S₁₀₀=R₁₀₀/R₀, обумовленої як відношення опорів при Т=100˚З і Т₀=0˚С. Величини припустимих відхилень наведені в табл. 4.

Таблиця 1 Основні технічні характеристики поверхневих ТО виробництва АТ «Чезара»