Кварцевые преобразователи температуры в системах учета тепла Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Александр ПОЛЯКОВ Михаил ОДИНЦОВ

Кварцевые пьезоэлектрические резонаторы на протяжении многих лет использования в электронной технике зарекомендовали себя как надежная и недорогая конструкция.

На данный момент низкочастотные (от 30 до 64 кГц) термочувствительные резонаторы выпускают две фирмы — Seiko Epson (Япония) и СКТБ ЭлПА (Россия).

Отечественные низкочастотные термочувствительные резонаторы в корпусах 02x6 и 03x8 мм производятся по массовой технологии изготовления опорных кварцевых резонаторов камертонного типа и имеют относительную чувствительность порядка 60 ррт/°С, что в два раза больше чувствительности японских аналогов. На данный момент объем выпуска отечественных кварцевых низкочастотных термочувствительных резонаторов РКТ206 и высокотемпературных модификаций РКТВ206 составляет порядка 40 000 шт. в год, при этом производственные мощности позволяют выпускать порядка 100 000 шт. в месяц.

Термочувствительные резонаторы выпускаются на различные диапазоны рабочих температур:

• РКТ206 — от -55 до +100 °С;

• РКТВ206А — от -55 до +180 °С;

• РКТВ206Б — от -55 до +260 °С.

Эти резонаторы как чувствительные элементы (ЧЭ) применяются в преобразователях температуры в частоту и в кварцевых преобразователях давления для компенсации дополнительной температурной погрешности.

Кварцевые преобразователи температуры

в системах учета тепла

В настоящее время в системах учета тепла в качестве первичного преобразователя температуры в большинстве используются медные и платиновые термопреобразователи сопротивления (ТС). Но для измерения разности и абсолютного значения температуры в ограниченном диапазоне температур до 120 и до 180 °С применяются и частотные преобразователи, в том числе и кварцевые, у которых по сравнению с ТС отсутствует ряд погрешностей, связанных с передачей и оцифровыванием сигнала. Кроме того, кварцевые частотные преобразователи и весь измерительный канал могут составить конкуренцию по цене аналогам с ТС.

В статье рассмотрены конструкции и погрешности всего измерительного канала, который включает в себя первичный преобразователь температуры — кварцевый термочувствительный резонатор и вторичный преобразователь — микроконтроллерный вычислитель.

Разрешающая способность, погрешность, стабильность

У термочувствительного резонатора зависимость изменения частоты от температуры есть параболическая неразрывная функция, обычно аппроксимированная полиномом 2-й или 3-й степени:

F = ^+А1(Г-Г0)+А2(Г-Г0)2, (1)

F = FQ+A1(T-TQ)+A2(T-TQ)Ч

+Аз(Т-Т0)3, (2)

где F — частота, которую для низкочастотных резонаторов рекомендуется измерять через период(ы); F0 — частота при температуре, равной Т0; Т — температура, °С.

Поэтому разрешающая способность ограничена только кратковременной нестабильностью (флуктуацией) автогенератора и используемого для измерения частоты частотомера. По экспериментальным данным достижимая разрешающая способность может быть порядка 0,0005.. .0,0003 °С.

Основная погрешность, без учета долговременной стабильности, может составлять несколько сотых долей °С и определяется диапазоном рабочих температур и образцовыми приборами, которые используются при калибровке.

Дополнительные погрешности

Преимущество частотных датчиков (и кварцевых в том числе) — отсутствие дополнительной погрешности при передаче ча-

стотного сигнала на большие расстояния без применения специализированных и дорогих проводов и кабелей и малая погрешность вторичного преобразователя (микропроцессорного частотомера).

Долговременная стабильность кварцевых термочувствительных резонаторов — не более 3 ррт за 1-й год и не более 15 ррт за последующие 10 лет. На практике стабильность преобразователей температуры на основе кварцевых резонаторов варьируется от ±0,06 Гц (±0,03 °С) до ±0,2 Гц (±0,1 °С), в зависимости от диапазона действующих температур, а именно от времени работы при температуре, равной или близкой к верхнему пределу.

Конструкции преобразователей на основе кварцевых термочувствительных резонаторов

Применяются две конструкции кварцевых преобразователей температуры (ПТК), которые отличаются автогенераторами и, соответственно, количеством установленных в них резонаторов.

На рис. 1а представлена функциональная схема ПТК1 с одним термочувствительным резонатором — РКТ206 или РКТВ206 (1), автогенератором (2) с усилителем (3), на выходе которого — частотный сигнал. При этом на измерительный вход частотомера поступает частота, близкая к частоте последовательного резонанса термочувствительного резонатора, она может иметь значения

Рис. 1. Функциональная схема кварцевого преобразователя температуры:

а) ПТК1 с одним резонатором, РКТ206 или РКТВ206;

б) ПТК2 с подобранной парой резонаторов:

РКТ206 и РК206 или РКТВ206 и РКОВ206

от 32 до 64 кГц, в зависимости от модели резонатора и его настройки.

На рис. 1б представлена функциональная схема ПТК2 с подобранной парой резонаторов — РКТ206 и РК206 или РКТВ206 и РКОВ206 (1, 2), автогенератор биения частот (3), который состоит из двух автогенераторов на собственную частоту (4, 5) и смесителя (6). На выходе усилителя (7) генератора — разностный частотный сигнал. При этом на измерительный вход частотомера поступает частота, равная разнице частот последовательного резонанса термочувствительного резонатора и опорного, она может иметь значения от 0,3 до 3,5 кГц, в зависимости от частот подобранных в пару резонаторов. На рис. 2 представлены типовые термочувствительные характеристики (ТЧХ) опорного и термочувствительного резонатора.

ПТК2 с подобранной парой резонаторов

Пары термочувствительного и опорного резонаторов подбираются обычно при комнатной температуре, таким образом, чтобы частота опорного резонатора была выше частоты термочувствительного резонатора на 300-500 Гц. При этом если предполагается работа преобразователя в области низких температур, то разность частот опорного и термочувствительного резонаторов при комнатной температуре должна быть близкой к 500 Гц.

Оба резонатора (термочувствительный и опорный) располагаются как можно ближе друг к другу, соответственно, при калибровке и последующей эксплуатации преобразователя фиксируется разность их частот. В случае возникновения температурного градиента между резонаторами может иметь место дополнительная погрешность.

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом ПТК2 (с подобранной парой резонаторов) в сравнении с ПТК1 является низкая выходная частота, которая на порядок ниже собственной частоты резонаторов. Это позволяет упростить схему частотомера, а именно применить в качестве частотозадающего элемента опорный высокочастотный (ВЧ) резонатор АТ-среза со стандартной ТЧХ.

Пример. При измерении выходного сигнала ПТК2, равного 1 кГц, частотомером с ВЧ-резонатором, ТЧХ которого в диапазоне температур -40.. .+60 °С равна ±30 ррт, погреш-

ность составит ±0,03 Гц (то есть ±0,015 °С при чувствительности 2 Гц/°С).

Недостатки ПТК2 в сравнении с ПТК1 (с одним резонатором):

• Увеличенная кратковременная нестабильность (флуктуация).

• Меньшая надежность, так как применяется 2 резонатора, и более сложная схема автогенератора биения частот.

• Увеличенные габаритные размеры щупа и корпуса под автогенератор.

• Нормирование характеристики по большему количеству точек (от четырех и более).

• Более высокая стоимость.

ПТК2 с подобранной парой резонаторов применяется для измерения абсолютного значения температур, при работе схемы частотомера в широком диапазоне температур без возможности ввода температурной поправки (компенсации ТЧХ) для ВЧ опорного резонатора.

ПТК1 с одним резонатором

Преимуществом ПТК1 в сравнении с ПТК2 является простота конструкции и надежность. Использование одного термочувствительного резонатора (РКТ206 или РК0В206 в корпусе 2x6 мм) позволяет уменьшить размеры измерительного щупа. Это позволяет с высокой точностью измерять температуру в трубах малого диаметра, что является определяющим параметром для домовых и поквартирных систем учета тепла. Благодаря простой и малогабаритной схеме, автогенератор можно расположить непосредственно в измеритель-

Типовая ТЧХ РКТ206 в ррт

-50 -25

Типовая ТЧХ РК206 в ррт 0 25 50 75 100 125 150

Рис. 2. ТЧХ опорного и термочувствительного резонаторов, производимых СКТБ ЭлПА:

а) ТЧХ термочувствительного резонатора (экстремум на температуре около Т = —280 °С); б) ТЧХ опорного резонатора (экстремум на температуре около Т = 25 °С)

ном щупе или головке малого размера. Наименьшая кратковременная нестабильность (флуктуация) автогенератора позволяет получить лучшую разрешающую способность по сравнению с ПТК2. Есть возможность нормирования характеристики по трем или двум точкам. Все это обеспечивает более низкую стоимость преобразователя и всего измерительного канала.

Недостаток — высокие требования по стабильности опорной частоты измерительного частотомера.

Пример. При измерении выходного сигнала ПТК1, равного 32 кГц, частотомером с ВЧ-резонатором, ТЧХ которого в диапазоне температур -40.. .+60 °С равна ±30 ppm, погрешность составит ±0,96 Гц (то есть ±0,48 °С при чувствительности 2 Гц/°С). Соответственно, для получения погрешности измерения частоты с ПТК1 не более 0,09 Гц (что составит ±0,04 °С при чувствительности 2 Гц/°С) требуется стабильность частоты ВЧ-резонатора во всем диапазоне рабочих температур не более ±3 ppm.

ПТК1 с одним резонатором может применяться для измерения абсолютной температуры, при работе схемы частотомера в узком диапазоне температур или при наличии возможности ввода температурной поправки (компенсации ТЧХ) для опорного ВЧ-резонатора. ПТК1 целесообразно применять для измерения абсолютной температуры при условии мультиплексирования, то есть измерения одним частотомером частоты с ПТК1 в количестве более 3-5 шт.

Пример. При измерении частотного выходного сигнала с пяти ПТК1 одним частотомером, в котором для задания частоты установлен генератор с термокомпенсацией (ГТК), стоимость ГТК1 делится на количество опрашиваемых ПТК1.

Пара ПТК1 (или большее их количество) может успешно применяться для измерения разности температур с высокой точностью и разрешающей способностью частотомером с ВЧ-резонатором, со стандартной ТЧХ2. Но при этом погрешность измерения абсолютной температуры (имеется в виду канал измерения без учета метрологических характеристик самого ПТК) может достигать, в зависимости от температуры среды, в которой работает частотомер и ТЧХ ВЧ-резонатора, от ±0,1 до ±0,5 °С.

Измерение разности и абсолютного значения температур преобразователем ПТК1 и частотомером с ВЧ-резонатором (с типовой ТЧХ), без температурной компенсации частоты

Для систем учета тепла наиболее остро стоит задача измерения с высокой точностью и разрешающей способностью разности температур (Т а - ТВыхода). На основе тер-

мочувствительных резонаторов в 2006 году ООО «СКТБ ЭлПА» и ЗАО ПГ «Метран» были разработаны преобразователи температуры для труб малого диаметра, и ЗАО ПГ «Метран» была разработана система поквартирного учета тепла.

Далее приведен расчет погрешности всего измерительного канала, то есть учитываются погрешности самого ПТК (средства измерения) и погрешности измерительного канала (частотомера).

Погрешность измерения разности температур ад двумя ПТК с автогенераторами собственной частоты, при условии, что схема измерения частоты одна и преобразователи калибровались в одном цикле, определяются:

• аГР — градиентом температуры в термостате при калибровке (±0,01___0,02 °С);

• ам — погрешностью метода измерения частоты не более ±МЗР = (±0,000025% измеряемой частоты) = (±0,0082 Гц, при частоте 32 700 Гц) = (±0,0041 °С);

• аН1 — кратковременной нестабильностью автогенератора ПТК, усредненной в интервале измерения частоты не менее 0,5 с, не более ±0,5 ppm = (±0,015 Гц) = (±0,007°С);

• аН2 — кратковременной нестабильностью автогенератора ВЧ-резонатора МК, усредненной в интервале измерения частоты не менее 0,5 с, не более ±1 ppm = (±0,03 Гц) = (±0,015 °С).

Итого не более:

ад

ДН1

±0,98 °С за 1 год,

0,0272+V2x0,052

ад = 0,098+V2 x 0,052 = = ±0,168 °С за 2 года.

2-го класса в жидкостном термостате типа ТВП-6) ±0,03 °С; ам; аН1; аН2; ат — погрешностью, обусловленной изменением частоты опорного ВЧ-резонатора в рабочем диапазоне температур схемы частотомера4 (при измерении частоты 32,7 кГц) ±0,5 Гц = (±0,25 °С).

Итого не более:

tti — ± '^'(/ур21 a,.2+aHi2+aH22+aK21 а у —

= ±V0,022+0,00412+0,0072+0,032+0,25 —

— ±0,287 °C * 0,3 °C. (5)

Погрешность измерения абсолютной температуры с учетом долговременной нестабильности:

• адН1 и адН2 — долговременной нестабильностью ВЧ-резонатора в схеме частотомера для тактирования МК не более ±3 ppm — (±0,1 Гц при измерении частоты 32,7 кГц) — (±0,05) °С за 1 год.

Итого погрешность измерения абсолютного значения температур с учетом старения (нестабильности) резонаторов РКТ206 и ВЧ-резонатора (стабильности) а, не более:

а = ±(а1+^адн12+адН22) =

: ±(0,3+V0,052+0,052) = ±0,37 °С за 1 год,

а1Д — ^аТР2+ам2+2х а^ 2+а н2 —

= ^0,022+0,00412+2х 0,0072+ 0,0152 —

— ±0,0272 °С, (3)

• адН1 — долговременной нестабильностью3 резонатора РКТ206 (РКТВ206) не более ±3 ррм — (±0,1 Гц) — (±0,05) °С за год. Итого погрешность измерения разности температур с учетом старения резонаторов РКТ206 (долговременная нестабильность) аД, не более:

(4)

Погрешность измерения абсолютной температуры определяется:

• аК — погрешностью калибровки (при использовании эталонного термометра ТПС

а = ±(0,37+V0,052+0,052) =

= ±0,44 °C за 2 года. (6)

При этом разрешающая способность остается на уровне ±0,003.. .0,005 °С, при применении компенсации ТЧХ ВЧ-резонатора (с точностью ±2 ppm), достижимая погрешность измерения абсолютной температуры не более:

• а = ±0,14 °С за 1 год;

• а = ±0,2 °С за 2 года.

Кварцевые термочувствительные резонаторы и преобразователи температуры на их основе по метрологическим характеристикам приближаются к платиновым ТС по разрешающей способности и даже могут превосходить их. Стоимость резонаторов находится на уровне стоимости полупроводниковых датчиков температуры. Частотный выход преобразователей температуры и возможность подключения термочувствительного резонатора непосредственно к внутреннему генератору микроконтроллера существенно упрощает работу с ними. Все это делает привлекательным их использование как первичного преобразователя, но в ограниченном диапазоне температур — до 120 °С и до 180 °С. Ш

1 Стоимость ГТК — от 900 до 2000 руб.

2 Стоимость ВЧ-резонатора на частоты 4-10 МГц: с ТЧХ ±0 ррт в диапазоне температур от -40 до +60 °С около 30 руб./шт.; с ТЧХ ±15 ррт в диапазоне температур от -30 до +60 °С — около 50 руб./шт.

3 Дополнительная погрешность, вызванная долговременной нестабильностью (старением),

присутствует с не меньшим значением в конструкции ПТК2 (с подобранной парой термочувствительного и опорного резонаторов).

4 Отклонение номинальной частоты опорного ВЧ-резонатора, применяемого для тактирования МК, при предварительной сортировке может составлять в диапазоне от -40 до +60(85) °С не более ±15 ppm.