SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Высокостабильные прецизионные кварцевые первичные преобразователи температуры

В статье описано устройство первичных преобразователей температуры ППТК‑01 с пьезорезонансными кварцевыми чувствительными элементами, приведены их точностные характеристики. Показано, что кварцевые чувствительные элементы обладают высокой долговременной стабильностью, высокой разрешающей способностью и малыми габаритными размерами, что позволяет использовать их для самого широкого круга задач.

ООО «СКТБ ЭлПА», г. Углич

SKTB-Elpa.png

скачать pdf >>

Описание решения

В 2012 году ООО «СКТБ ЭлПА» (г. Углич) совместно с холдингом «Теплоком» (г. Санкт-Петербург) разработали кварцевые первичные преобразователи температуры ППТК‑01 для измерения температуры теплоносителя с высокой разрешающей способностью и точностью для системы поквартирного учета тепла.

В качестве чувствительного элемента (ЧЭ) был выбран кварцевый пьезоэлектрический термочувствительный резонатор РКТ206, использование которого позволило реализовать многоканальное высокоточное измерение частоты по беспроводной связи. В цилиндрическом корпусе резонатора РКТ206 Ø 2 × 6 мм  установлен низкочастотный пьезоэлемент изгибных колебаний камертонного типа (рис. 1) с чувствительностью к изменению температуры 59 ppm/°C. На ветки пьезоэлемента методом терморезистивного вакуумного напыления нанесена электродная система, которая используется как для возбуждения механических резонансных колебаний веток камертона, так и для съема знакопеременного частотного электрического сигнала.

Ris_1.png

Рис. 1. Пьезоэлемент камертонного типа

Кварцевый пьезоэлектрический термочувствительный резонатор обладает высокой разрешающей способностью на уровне 0,0005 °C, которая ограничивается шумами схемы автогенератора и разрешающей способностью частотомера, высокой долговременной стабильностью кварца и низким энергопотреблением (единицы мкА), что является определяющим для системы коммерческого учета.

Преобразователь ППТК‑01, представленный на рис. 2, состоит из прочного латунного корпуса, внутри которого размещены РКТ206 и электронная плата автогенератора (рис. 3). Коэффициенты функции преобразования хранятся в энергонезависимой памяти самого преобразователя.

Ris_2.png

Рис. 2. Преобразователь ППТК‑01


Ris_3.png

Рис. 3. Резонатор РКТ206 с электронной платой автогенератора

Для определения долговременной стабильности преобразователя ППТК‑01 были проведены многодневные испытания, цель которых состояла в оценке изменения точностных характеристик преобразователя, находящегося при температуре, близкой к верхней границе диапазона измерения (около плюс 85 °C), без подключения к источнику питания.

Для проведения испытаний использовано следующее оборудование: термостат жидкостный ТВП‑6 (теплоноситель – вода), платиновый термометр ПТСВ‑4-2 с эталонным первичным прецизионным измерителем температуры МИТ8.03, сушильный шкаф с установленной температурой плюс 85 °C, система градуировки и калибровки преобразователей ППТК‑01, разработанная холдингом «Теплоком».

На первом этапе испытаний была проведена градуировка преобразователей ППТК‑01 по четырем температурным точкам. Значения показаний эталонного платинового термометра ПТСВ‑4-2: +22,421 °C; +45,283 °C; +70,287 °C; +90,244 °C. Полученные по результатам градуировки значения коэффициентов функции преобразования были записаны в энергонезависимую память преобразователей. Результаты последующей первичной калибровки преобразователей на температуре +54,922 °C (здесь и в дальнейшем по показаниям эталонного платинового термометра ПТСВ‑4-2) приведены в табл. 1. Как видно из результатов, для всех преобразователей погрешность не превышает ±0,05 °C.

Таблица 1. Результаты первичной калибровки преобразователей

Tab_1.png

На следующем этапе испытаний отградуированные преобразователи помещались в сушильный шкаф с установленной температурой плюс 85 °C и периодически извлекались для проведения калибровки в четырех-пяти температурных точках. Всего было проведено 6 калибровок с выдержкой в сушильном шкафу в течение 2300, 4000, 7000, 10000, 19 000 и 38 800 часов.

В целях сокращения объема статьи в табл. 2 приводятся результаты последней калибровки первичных преобразователей температуры кварцевых ППТК‑01, после 38 800 часов пребывания при температуре плюс 85 °C (дата: 26.12.2018).

Таблица 2. Результат калибровки после 38 800 часов (в °C)

Tab_2.png

Результаты калибровок в виде оценок абсолютной погрешности измерения отражены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты калибровок преобразователей ППТК‑01 (увеличить изображение)

Tab_3_small.jpg

Приведенные в этой таблице гистограммы позволяют судить о характере изменения погрешности на каждой из температурных точек, выбранных для калибровки, с течением времени пребывания каждого из преобразователей под воздействием температуры плюс 85 °C.

Для отдельно взятого преобразователя, например № 20, характер изменения погрешности для каждой из точек калибровки иллюстрируют графики на рис. 4.

Ris_4_small.jpg

Рис. 4. Иллюстрация характера изменения погрешности преобразователя ППТК‑01 № 20 (увеличить изображение)


Выводы

Выдержка кварцевых преобразователей температуры ППТК‑01 при повышенной температуре плюс 85 °C в течение 38 800 часов (53 месяца), при средней продолжительности отопительного сезона 7,5 месяцев позволила смоделировать работу преобразователей в течение 7 лет при максимальной температуре теплоносителя отопительной системы. При этом из выборки N = 12 шт. максимальная погрешность измерения температуры составила 0,196 °C, среднее значение – 0,031 °C, СКО = 0,0385 °C, уход ноля резонаторов происходит в одну сторону, соответственно разность показаний между соседними преобразователями в среднем не превышает ±0,042 °C, что подтверждает долговременную стабильность кварцевых пьезоэлектрических термочувствительных резонаторов РКТ206 на уровне пленочных платиновых терморезисторов и более высокую разрешающую способность.

В 2019 году ООО «СКТБ ЭлПА» освоен выпуск нового высокотемпературного рамочного термочувствительного резонатора в корпусе размером 2,5 × 6,2 × 0,6 мм, для SMD-монтажа, внешний вид которого представлен на рис. 5.

Ris_5.png

Рис. 5. Внешний вид рамочного термочувствительного резонатора РКТР

Корпус этого термочувствительного резонатора выполнен из монокристаллического кварца того же среза, что и сам камертонный пьезоэлемент. Детали корпуса и пьезоэлемент соединены между собой легкоплавким стеклом, которое обеспечивает вакуумплотное соединение в широком диапазоне температур: от криогенных до +300 °C.

Кварцевые чувствительные элементы обладают высокой радиационной стойкостью, долговременной стабильностью, за счет частоторезонансной системы возбуждения – высокой разрешающей способностью. Кроме того, тенденция к уменьшению размеров кварцевых резонаторов, производство их групповыми методами по технологии МЭМС делают кварцевые чувствительные элементы и микроэлектронные приборы на их основе перспективными для более широкого применения не только в научно-технологических целях, но и в общепромышленной сфере.

Опубликовано в журнале ИСУП № 5(83)_2019

В.Б. Поляков, главный конструктор,
А.В. Поляков, директор,
Ю.В. Галактионов, к. т. н., 
зам. директора по науке,
ООО «СКТБ ЭлПА», г. Углич,
тел.: +7 (48532) 546-74,
e‑mail: info@sktbelpa.ru,
сайт: sktbelpa.ru


ПЛК С МУЛЬТИСЕНСОРНЫМ ЭКРАНОМ
10,4", ПЛК + HMI c встроенным мультисенсорным экраном производства Unitronics
www.klinkmann.ru