Розробка датчика температур на акустичних хвилях
ВСТУП
Автоматизацiя рiзних технологiчних процесiв, ефективне керування рiзними агрегатами, машинами, механiзмами вимагають численних вимiрiв рiзноманiтних фiзичних величин. У цей час iснуi приблизно наступний розподiл частки вимiрiв рiзних фiзичних величин у промисловостi: температура - 50%, витрата (масовий i об'iмний) - 15%, тиск - 10%, рiвень - 5%, кiлькiсть (маса, обсяг) - 5%, час - 4%, електричнi й магнiтнi величини - менш 4%. РЖз цього розподiлу наочно видно, що в сучасному промисловому виробництвi найпоширенiшими i вимiри температури. Широкий дiапазон вимiрюваних температур, розмаiтiсть умов використання засобiв вимiрiв i вимог до них визначають, з одного боку, рiзноманiття застосовуваних засобiв вимiру температури, а з iншого боку, необхiднiсть розробки нових типiв первинних перетворювачiв i датчикiв, що задовольняють зростаючим вимогам до точностi, швидкодii.
Вимiрювальнi перетворювачi на пасивних елементах (акустичнi датчики) з розвитком автомобiльноi iндустрii й iндустрii телекомунiкацiй здобувають все бiльшу актуальнiсть. Такi прилади будуються на фiльтрах акустичних хвиль, комерцiйне використання яких почалося бiльше 60 рокiв тому. Тiльки в телекомунiкацiях - у мобiльних телефонах i на базових станцiях - щорiчна потреба в цих фiльтрах близько 3 мiльярдiв. Цi прилади працюють iз поверхневими акустичними хвилями й служать у передавачах полосними фiльтрами як промiжних частот, так i частот радiохвиль. Крiм того, акустичнi датчики застосовуються в автомобiльнiй iндустрii (датчики крутного моменту й тиску в шинi), медицинi (хiмiчнi датчики) i багатьох iнших сферах (як датчики вологостi, температури й т.д.). Причини такого широкого використання цiii технологii в промисловостi - невисока вартiсть, надiйнiсть, чутливiсть i витривалiсть приладiв. Крiм того, деяким з них не потрiбнi джерела живлення.
1. ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРИ ТА РЗХ КЛАСИФРЖКАЦРЖЯ
1.1 Датчик температури
В основi роботи будь-яких температурних датчикiв, що використовуються в системах автоматичного керування, лежить принцип перетворення вимiрюваноi температури в електричну величину. Це обумовлено наступними позитивними характеристиками електричних вимiрiв: електричнi величини зручно передавати на вiдстань, причому передача здiйснюiться з високою швидкiстю; електричнi величини унiверсальнi в тому розумiннi, що будь-якi iншi величини можуть бути перетворенi в електричнi й навпаки; вони точно перетворяться в цифровий код i дозволяють досягти високоi точностi, чутливостi й швидкодii засобiв вимiрiв.
Акустичнi датчики заснованi на залежностi швидкостi поширення звуку в газах вiд iхньоi температури й використовуються в основному дiапазонi середнiх i високих температур. Акустичний термометр мiстить просторово рознесенi випромiнювач акустичних хвиль i iхнiй приймач, що включаються звичайно в ланцюг автогенератора, частота коливань якого мiняiться зi змiною температури; звичайно такий датчик використовуi й рiзного типу резонатори.
Датчик температури являi собою пластинку кварцу, помiщену в сталевий корпус, заповнений гелiiм для збiльшення тепловоi провiдностi мiж кварцом i корпусом датчика. П'iзоелектричний кварц характеризуiться тим, що головна площина пластинки перпендикулярна електричноi осi. У цьому випадку спостерiгаiться поява зарядiв протилежного знака на протилежних поверхнях пластинки при додатку сили по нормалi до них. Це явище називаiться прямим п'iзоелектричним ефектом. При додатку до протилежних поверхонь пластинки рiзницi потенцiалiв вiдбуваiться змiна товщини пластинки (розтягання або стиск) залежно вiд знака рiзницi потенцiалiв. Це явище називаiться зворотним п'iзоелектричним ефектом. П'iзоелектричний ефект експериментально був вiдкритий братами Кюрi.
Якщо до протилежних поверхонь пластинки прикласти змiнну рiзницю потенцiалiв, частота якоi буде перiодично змiнюватись, виникаi явище електромеханiчного резонансу, що супроводжуiться перiодичним перетворенням механiчноi енергii в електричну й назад з дуже малими втратами.
Орiiнтацiя пластинки щодо осей кристала визначаi ii зрiз.
Електроди, за допомогою яких пiдводить рiзниця потенцiалiв до пластинки, можуть бути напилянi у вакуумi або виконанi iз двох притиснутих до пластинки шматочкiв фольги.
Поблизу однiii iз цих резонансних частот механiчних коливань пластинка кварцу з електричноi точки зору являi собою двухполюсник, що складаiться iз двох паралельних галузей.
Параметри L, С, R визначаються геометричними, механiчними й кристалографiчними характеристиками пластинки; С тАУ обумовлено наявнiстю металевих електродiв (рис. 1.1).
Рисунок 1.1
РД два ланцюги електричного резонансу:
а) послiдовна 
б) паралельна 
Кварцова пластинка з активним елементом утворять у сукупностi генератор, що створюi вимiрювальний сигнал ет.
де 
, якщо Те = 0В°С
Кварцовий генератор опорноi частоти створюi сигнал еr iз частотою 
, що практично не залежить вiд температури навколишнього середовища:
Сигнали ет й еr надходять на вхiд перетворення частоти, наприклад, множителя, на виходi якого знiмаiться напруга и'о
За допомогою низькочастотного фiльтра вiдтинаються ' верхнi частоти, що враховують членом
Ваi тодi
Визначивши за допомогою частотомiра величину 
й знаючи S можна знайти температуру
1.2 Класифiкацiя термодатчикiв
Оскiльки iнформацiя про новi типи вимiрювачiв не завжди i повною та мiстить комерцiйну таiмницю, для визначення сучасного рiвня та основних орiiнтирiв у розробцi таких датчикiв скористаiмось вiдомостями про класичнi серiйнi термодатчики, якими i термометри опору. Згiдно ГОСТ 6651-78 термометр опору використовуiться для перетворення температури в дiапазонi -200..+1100 С в опiр.
Найчастiше використовуються термоопори 3-х типiв:
- платиновi (ТОП)
- мiднi (ТОМ)
- напiвпровiдниковi (ТОП)
Платиновi ТЕ мають високостабiльний температурний коефiцiiнт опору ТКО, гарну вiдтворюванiсть властивостей.
Функцiя перетворення ТОП маi вигляд.
Платина:
RT=R0(1+AT+BT2), при TРД(0 ÷ 650) ˚С
R0- опiр при Т0=0˚С;
Т- поточна вимiрювана температура, ˚С;
А=3,90784х10-3К-1;
В=5,7841х10-7К-2;
RT=R0[1+AT+BT2+C(T-100)T3],
при TРД(-200тАж0)˚С, де С=-4,482х10-12К-4.
Мiднi ТО широко поширенi завдяки своiй дешевинi й лiнiйнiй залежностi ТКО вiд температури.
Мiдь:
RT=R0(1+αRхТ), при TРД(-50тАж200)˚С ;
αR=4,26х10-3ДО-1 тАУТКО першого порядку мiдного ТЕ;
R0- опiр при Т0=0˚С;
Т- поточна вимiрювана температура, ˚С;
Напiвпровiдниковi терморезистори вiдрiзняються вiд металевих меншими габаритами й бiльшими значеннями ТКО.
ТКО напiвпровiдникових терморезисторiв негативний i зменшуiться зворотньопропорцiйно квадрату абсолютноi температури: α=В/Т2. При 20˚С ТКО становить 0,02 ÷ 0,08 К-1.
Температурна залежнiсть опору ТСП (рис. 1.2 крива 2) досить добре описуiться формулою Rθ=AeВ/T, де Т тАУ абсолютна температура, А тАУ коефiцiiнт, що маi розмiрнiсть опору, В - коефiцiiнт, що маi розмiрнiсть температури. На рис.3 для порiвняння наведено температурну залежнiсть для мiдного терморезистора (пряма 1).
Якщо для використаного перетворювача не вiдомi коефiцiiнти А и В, алi вiдомi опори R1 й R2 при Т1 i Т2, то опiр i коефiцiiнт В для будь-якоi iншоi температури можна визначити зi спiввiдношень:
Рисунок 1.2
Недолiками напiвпровiдникових терморезисторiв, що iстотно знижують iхнi експлуатацiйнi якостi, i нелiнiйнiсть залежностi опору вiд температури (рис. 1.2) i значний розкид вiд зразка до зразка як номiнального опору, так i постiйноi В.
1.3 Конструкцii й технiчнi характеристики сучасних датчикiв
По конструктивному виконанню металевi, мiднi й платиновi ТО дiляться на двi великi групи:
- средовищнi (що занурюють) ТО, призначенi для внутрiшнього вимiрювання температури рiдких, газоподiбних i сипучих середовищ у рiзних галузях технiки;
- поверхневi ТО, призначенi для вимiру температури поверхнi твердих тiл на якi безпосередньо встановлений ТО.
Конструкцiя термометра опору типу ТОП-6097, призначеного для вимiрювання температури газоподiбних або рiдких хiмiчно неагресивних й агресивних середовищ у дiапазонi вiд -50 до +250 , показана на рис.1.3. Чутливий елемент 1 платинового термометра являi собою керамiчний каркас, у канали якого помiщено спiраль iз платинового дроту. Кiнцi спирали приваренi до виводiв, через якi чутливий елемент з'iднаний iз трьохжильним кабелем. Канали каркаса засипанi керамiчним порошком й герметичнi. Захисна арматура 2 термометра являi собою зварну конструкцiю зi сталевоi сурми й штуцера. Мiсце сполучення чутливого елемента з кабелем закриваiться ковпаком 4 iз прес-матерiалу АГ-4В, угвинченим у верхню частину штуцера 3, i заливаiться компаундом.
Показники тепловоi iнерцiйностi промислових термометрiв становлять 10÷60с i визначаються так саме, як i для термопар. Виключення становлять термометри, призначенi для вимiрювання температури газу; для них показник тепловоi iнерцiйностi визначаiться як постiйна часу при зануреннi термометра в потiк повiтря, що маi постiйну швидкiсть 0,5 м/с.
Рисунок 1.3 Конструкцii традицiйних термодатчикiв
Поверхневi термоперетворювачi вiдрiзняi висока надiйнiсть, малi розмiри, матерiалоiмнiсть, полiпшенi показники тепловоi iнерцii. Термоопори стiйкi до вiбрацii й зберiгають працездатнiсть при вологостi до 98 %. Не вимагають складних монтажних робiт при установцi на об'iктi. При установцi на труби або радiатори дозволяють iз низькою тепловою iнерцiiю вимiряти температуру енергоносiя. Практично незамiннi для труб малого дiаметра, де установка середовищних перетворювачiв ускладнена або економiчно недоцiльна.
ЧЕ термоперетворювачiв групи 2 виконанi у виглядi плоскоi одношаровоi бiфiлярноi спiралi, закрiпленоi мiж двома пластинами зi склотканини. Товщина такого ЧЕ не перевищуi 0,15мм. Виводи перетворювача 2-1 тАУ плоскi у виглядi пелюсткiв. Перетворювачi 2-3, 2-7 конструктивно виконанi на базi моделi 2-1, деталi повторюiмо iз закладенням виводiв у корпусi iз пресматерiала АГ-4У (2-3) або високотемпературного клейового заливання (2-7). Термоперетворювачi 2-1, 2-3, 2-7 рекомендуються для вимiрювання температури поверхонь обмоток, пiдшипникiв, електродвигунiв i генераторiв, а також поверхонь труб будь-якого дiаметра. Термоперетворювач 2-9 призначений для вимiру температури зовнiшнього повiтря й температури в примiщеннях.ВаВаВаВаВаВаВаВа
Поверхневi ТО найбiльш використовуються в сучасних вимiрювальних перетворювачах i рiзних бортових вимiрювальних системах як датчики температури для визначення поточноi температури бортового засобу вимiрювання з метою наступноi алгоритмiчноi компенсацii його систематичних додаткових температурних похибок.
В Украiнi АТ ВлЧезараВ» робить мiднi й платиновi середовищнi й поверхневi ТО (таблиця 1, 2).
У таблицi 3 у скороченому обтАЩiмi наведенi параметри номiнальних СГХ мiдних i платинових ТО. Зробленi заводом-виробником ТО пiсля iх статичного градуювання розподiляються на п'ять класiв точностi. Критерiями розподiлу i припустимi вiдхилення опору R0 при Т0=0˚З i чутливостi S100=R100/R0, обумовленоi як вiдношення опорiв при Т=100˚З i Т0=0˚С. Величини припустимих вiдхилень наведенi в табл. 4.
Таблиця 1 Основнi технiчнi характеристики поверхневих ТО виробництва АТ ВлЧезараВ»
| Технiчна характеристика | Тип, марка ТЕ |
| Мiдний ТОМ | Платиновий ТОП |
| ТМ-221 | ТМ-006 (ТМ-104) | ТМ-232 | ТЭМ | ТП-018 (025) | ТП-033 |
| 1. Дiапазон вимiрюваних температур, В°З | -50.. тАж+200 | -196.. тАж+200 | -130.. тАж+200 | -196.. тАж+200 | -260.. тАж+300 | -50.. тАж+1000 |
2 Номiнальний опiр R0 при Т0=0В°С, Ом | 53; 100; 200 | 53; 60; 100 | 53; 100 | 53; 60; 100 | 60; 100; 500 | 15; 25; 34 |
3. Тип номiнальноi СГХ за ГОСТ 6651-94 | гр. 23; 100 М; 200 М | гр. 23; 100 М | гр. 23; 100 М | гр. 23; 100 М | 50 П; 100 П; 500 П | 15 П; 25 П; 35 П |
| 4. Похибка iндивiдуальноi СГХ, не бiльше, В°З | 0,5 | 0,5 | 1,5 | 0,5 | 0,5 | |
| 5. Показник тепловоi iнерцii, не бiльше, с | 0,5 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 |
| 6. Гарантiйний термiн, рокiв | 12 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 |
| 7. Габаритнi розмiри, мм (маса, гр.) | 10 х 6 (1) | 20 х 32 (2,5) | 10 х 20 (1,5) | (0,5) | (8) - ТП-018 (0,5) - ТП-025 | 49 х 23 (10) |
| 8. Конструктивнi виконання, згiдно малий.2. | Тип 1 Пiдкладка- ситал | Тип 1 Пiдкладка- склотканина | Тип 1 Пiдкладка- склотканина | Тип 1 Пiдкладка- склотканина | Тип 1 ТП-018 пластм. корпус | Тип 1 |
| 9. Особливостi застосування | Для плоских поверхонь | ТМ-006 для плоских поверхонь; ТМ-104 для поверхонь iз R=7..100мм | Для поверхонь iз R≥10мм | Для плоских поверхонь | Для плоских поверхонь ТП-018 у пластмасовому корпусi | Для плоских поверхонь |
| | | | | | | |
Вместе с этим смотрят:
GPS-навигация
GPS-прийомник авиационный
IP-телефония и видеосвязь
IP-телефония. Особенности цифровой офисной связи
Unix-подобные системы