Преобразователь температуры характеристика

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

Приглашаем производителей кварцевых датчиков температуры дополнять данный раздел сайта

Резистивные датчики температуры.

Принципы работы и характеристики

Задача получения правильных результатов измерения температуры в большинстве случаев может быть решена при применении резистивных датчиков температуры (РТД), которые представлены на рынке в большом количестве конструктивных исполнений и точностных характеристик. Они являются одними из наиболее стабильных и точных температурных датчиков, работающих в температурном диапазоне приблизительно от -200 до 800 °C, и используются там, где требуется хорошая повторяемость результатов измерений при их высокой точности.

Принцип действия

Работа РТД основана на свойстве металлов к изменению своего электрического сопротивления при изменении температуры. Известно, что все металлы изменяют свое сопротивление при изменении температуры. Этот факт и определил появление РТД.

Сопротивление отрезка провода прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения:

где p — удельное сопротивление материала.

Каждый металл имеет определенное и уникальное удельное сопротивление, которое может быть определено экспериментально. РТД изготавливают из металлов, сопротивление которых растет с температурой. В пределах ограниченного температурного диапазона удельное сопротивление линейно растет с ростом температуры:

где p_t — удельное сопротивление при температуре t, p ₀ — удельное сопротивление при стандартной температуре t 0. a — температурный коэффициент сопротивления (°C –1).

Считая t 0 =0 °C, решим совместно уравнения 1 и 2. После приведения решения к стандартной линейной форме (y =mx +b) становится ясно, что изменение сопротивления в зависимости от температуры является линейной функцией с наклоном, равным a.

Теоретически, любой металл может быть использован в качестве датчика температуры, однако идеальный металл должен иметь специфические характеристики:

• высокую точку плавления;
• устойчивость к коррозии;
• иметь линейную характеристику R=F(t);
• быть долговечным.

Платиновый провод хрупок, но материал высокоустойчив к загрязнению и обладает только слегка нелинейной характеристикой dR/dt, поэтому платина и была выбрана для применения в РТД. К ее положительным характеристикам следует отнести химическую стабильность, возможность достаточно легкого получения материала в химически чистой форме, а также электрические свойства, которые имеют высокую повторяемость.

РТД изготавливают или из сплава IEC/DIN (американский стандарт) или из химически чистой платины (европейский стандарт). Отличие — в степени чистоты. Если стандарт IEC/DIN определяет, что датчик изготавливается из платины, которая преднамеренно загрязнена другими металлами платиновой группы, то платина, применяемая в датчиках, изготавливаемых по европейскому стандарту, имеет степень чистоты не менее 99,99%. Если датчики, сделанные из разных материалов, будут иметь сопротивление 100 Ом при 0 °C, то при 100 °C датчик, изготовленный из сплава IEC/DIN, будет иметь сопротивление 138,5 Ом, а датчик, изготовленный по европейскому стандарту, — 139,02 Ом.

Международными комитетами были установлены стандартные кривые для РТД. Они определили средний температурный коэффициент a. который определяет наклон функции R =F (t) в диапазоне температур между 0 и 100 °C. Из уравнения 3 получаем выражение для a :

Для платины стандарта IEC/DIN a =0,00385 Ом/(Ом ·°C). Для платины европейского стандарта — 0,003926 Ом/(Ом ·°C)(максимально).

Зависимость между сопротивлением и температурой может быть приближенно описана уравнением Каллендар —Ван Дусена:

где T — температура (°C), R — сопротивление при температуре T, R 0 — сопротивление при температуре таяния льда, a =постоянный коэффициент (определяет наклон функции R =F(T)при T =0 °C), d — постоянный коэффициент, b — постоянный коэффициент ( b =0 при T >0 °C).

Фактические значения коэффициентов a. d и b определяются экспериментально путем измерения значения РТД при разных температурах и решения уравнения 5.

Уравнение Каллендар — Вана Дусена может быть упрощено:

При по ожительных температурах поведение платинового РТД упрощается, так как коэффициент C становится равным нулю, и может быть определено как

Как было сказано выше,уравнения были получены Каллендар — Ван Дусеном из экспериментальных данных. Он использовал для калибровки три точки:0 °C и еще две произвольно выбранных по ожительных температуры:

• точку кипения воды — 100 °C;
• тройную точку цинка — 419,58 °C.

Коэффициенты A, B, и C зависят от материала провода и его чистоты. Ничто не вечно, даже очень хорошие датчики иногда выходят из строя, и их необходимо менять. Для того чтобы эта операция была безболезненной для пользователя, датчики должны иметь идентичные характеристики, поэтому международный стандарт IEC 751 в целях взаимозаменяемости датчиков определил коэффициенты уравнения Каллендар — Ван Дусена, которые должен иметь любой выпускаемый РТД. Значения коэффициентов приведены ниже.

Коэффициенты для платиновых датчиков по стандарту IEC 751-2 (ITS90):

ПCТ-b-Pro нормирующий преобразователь сигналов термосопротивлений программируемый

Нормирующие измерительные преобразователи сопротивление-ток ПСТ-b-Pro предназначены для преобразования сигналов термопреобразователей сопротивления 50М, 100М, 50П, 100П, Pt 100, Pt 500, Pt 1000, 100Н, 500Н, 1000Н по ГОСТ Р 8.625-2006 в унифицированный сигнал постоянного тока 4…20 мА.

Поскольку преобразователи имеют линейную зависимость выходного тока от температуры, они фактически являются нормирующими преобразователями температуры. Измерительные нормирующие преобразователи температуры устанавливается в головке датчиков ТСМУ и ТСПУ.

Измерительные нормирующие преобразователи температуры ПСТ-b-Pro являются развитием серии ПСТ. Они также реализованы на базе микропроцессорных технологий, что позволяет программно выбирать тип и диапазон преобразования.

Особенность измерительных нормирующих преобразователей температуры ПСТ-b-Pro заключается в том, что

• они конструктивно размещаются в соединительную головку термопреобразователей типа В по стандарту DIN43729,
• позволяют подключать датчики по 2-х, 3-х, 4-х проводным схемам подключения,
• обеспечивается класс точности 0,1% для 3-х и 4-х проводной схемы подключения,
• осуществляют контроль замыкания чувствительного элемента датчика на защитную арматуру.

Тип входного сигнала и диапазон преобразования выбираются программно с помощью кнопки с контролем по светодиодному индикатору. Сам процесс программирования элементарно прост (см. порядок программирования ). Возможна поставка по специальному заказу с другими типами и диапазонами преобразования.

По устойчивости к климатическим воздействиям при эксплуатации нормирующие преобразователи температуры соответствуют группе исполнения С4 ГОСТ12997-84.

Нормирующие преобразователи температуры в ток ПСТ-b-Pro

• реализуют метод измерения электрического параметра и усиление слабого сигнала;
• обеспечивают класс точности 0,1 на максимальном диапазоне преобразования;
• позволяют выбирать пользователям тип и диапазон преобразования из 10 типов термосопротивлений плюс сопротивление (по 7 – 13 диапазонов измерения для каждого типа) с помощью встроенной кнопки, контроль – по светодиодному индикатору;
• обладают высокой термостабильностью - 0,005 % / °С;
• работают в расширенном диапазоне температур (от -40 до +80°С);
• осуществляют линеаризацию нелинейных характеристик термодатчика;
• нормируют сигнал и приводят его к унифицированному виду;
• позволяют подключать термопреобразователи сопротивления по 2-х, 3-х, 4-х проводной схемам подключения;
• проводят автоматическое определение схемы подключения;
• осуществляют контроль обрыва термометра сопротивления, контроль выхода за пределы диапазона;
• осуществляют контроль замыкания чувствительного элемента (ЧЭ) на защитную арматуру;
• формируют уровни тока при аварийных ситуациях по рекомендации NAMUR NE 43;
• осуществляют индикацию аварийных ситуаций светодиодом.