CC BY
34
УДК 53.0S7.92
КВЛРЦЬВЫЙ ДЛ1ЧИК JJJIH ИзГ/ЬРкНИН КРИ01 h ИНЫХ I ЬМПЬИДI У Р
Р. Ю. Гоштя. И В. KsparycoB
Outjcuñ лх.угщи:ггжянньш тк'.лмчтжип yhuvv.pt uiram, у. Over, Pf и. сия
Аннотация - В настоящей работе рассматривается возможность применения кварцевых чувствительных элементов для создания. сенсоров измерения криогенных температур т.к. основными критериями развития криогенной термометрии являются: повышение чувствительности и стабильности метрологических характеристик датчиков, уменьшение?! конструктивных параметров □ расширением экепду-
лтаппонных характеристик сенсоров, т.к. они являются основными элемента мп электронных 5локов стабилизации температур.
Ключ ее ые слова: кварц, криогенные температуры, частотный выходной сигнал, датчик температуры, криогенный кшриеамй термометр.
1 ОБЕЛЕНИЕ
В Hacioxii.ce ьрсмя ш\>. решении {ала1! крнш е.-шии гермомехрнн исиильзукпся 1срмо.мпры. дсйстзис киш-рых сснозанс на различных физических принципах. К ним откосят газовые термометры: термометры, основанные на изменении давления пара: термометры сопротивления и термопары; шумовые термометры: емкостные термометры: термометры на ядерном парамагнетизме: и др
б табл. 1 по данным литературных нсгсчниксе [i]. [2]. [3] приведены основные типы к параметры датчиков, используемых для измерения криогенных температур.
ТАБЛИЦА 1
ДАТЧИКИ ДЛЯ"РПМЕРЕНИЯ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР
Тип датчика Температурный лпаиазов Погрешность Примечание
Газовый термометр от 0.0001 К до 800 К 0.Э5 мК Точность измерении зависит от чистоты применяемого газа
Кремниевый днод от 1.4К до 50 ЭК
Платиновый термометр от 14К до 873К (С.01-1Ж
Жглглс»- рпдигкч й ггрмимпр ^огото, гяяладий ялльпрам индий и шлак жглгни г. м^нинцгм ш 0,6>К до 500Х от ?К до 10К 1 разрешение (0/ГС- 0,1 )К
шти никелем
Термсрезпстор из карбида платины От 0,С8 К до 14К погрешность измерения погле чдлнбронки по ■ ячокому ггрмомггру 0,0<>% разрешение <0,01 - 0,?)к
Магнитные термометры от 0.5К до погрешность С,003% (15мК)
Емксстной термометр от 1К до 30ЭК погрешность 0.5К
И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Обзор сенсоров, применяемых в криогенной термометрии, показал, что ловышенняе точности к стабильности измерений возможно при помощи термометров, чувствительным элементом которых является кварцевый пьезоэлемент Учитывая высокую разрешающую способность современной частотко-нзмернтельнсн аппаратуры. можно применить кварцевые термометры для повышения чувствительности до уровня КГ? К при сохранении высокой надежности и погрешности измерений до ( Ю-1 -1Э"Й)К [4].
Термометры использующиеся в области низкотемпературной термометрии должны обладать следующими качествами:
-хорошая воспроизводимость параметров после воздействия низких температур:
- хорошая чувствительность:
- широкий диапазон измеряемых криогенных температур;
- низкая чунгтвителкность ионизирующем измерением и магнитным полем
- малым временем установления теплового равновесия:
- минимальным теглоиыделениям при низких температурах чтобкт че перегреть чувствительный злемент
.ЦЯ1ЧИК и
В литературных источниках [5]. [б] привесятся сведения о применении кварцевых резонаторов при температур? ?. К дли повышения .~тайильнг>сти генерируемой частоты
ТгрМЛМП]» НИ ОСНИКГ 11КГШ-»ЛГКфИЧГ:КС>1С> (.КД1И1Я И'- КШКХуГГ ЧМКИСИМ1К1Ь ИЧМГНГНИМ ГнбтГКГННОЙ
нан^чой частоты пьезпзгемеята от тетлпературы Основное преимущество кварцевых термометров состоит в
1Ш, 4111 К ШЯ1НГ НуЧПКИГГЛКНШС) ЧГЧ1ГН1Д ЦЖМГЬНГГН 11Ы-11 Ц)Г К»НН К Ц1 Пкг-ахчлм]МЧГГкИИ рг:<ОН»П1{1
прсдставллсг собой зле ктромс ханнчсскую систему, б которой используется явление прямого и обратного льс-зооффекта. которая соытио выполнена и виде двухполюсника, объедшшещего системы электрического зоз оуждення механических колеоанкн и съема электрического сигнала, пропорционально их амплитуде Ввиду целого ряда свойств одним из самых распространенных пьезозлектрнков. применяемых в пьезоэлектрических резонаторах, является пьезокварц. Кварцевые резонаторы имеют высокую добротность 1Э5 и более, кратковременную и дллггпременнутп стайилкногтт, 1С"4 до 10"' практически отсутствует гисгермис три механических температурных и электрических воздействиях
На основе квараевыл резонаюрив различных срезов возможно шшше преидзнинныл резинашров-датчнкоз температуры. Чувствительным элементов датчика температуры является кварцевый пьезозлемент термочувствительного среза, который помещен е корпус и соединен с генератором Такой преобразователь нмсст частотный выход, а значение температуры вычисляется по формуле:
/ - (е + с^/ и + С/А/ $ + /о/,
где: г - измеряемая температуре: А?- текущее значение частоты с преобразователя:
/о - частота, соответствующая опорной температуре :<- С;, Су, О-калибровочные коэффициенты
В КЯЧГГ1КГ Г]Ж« чучп КИ1ГЛЬНОЛ) .'ИКМГНГД был КЫО*МН ергч ЧЧИ[И.Я Г 111НН1К1КН1 уг.шкий иригн-
тапнн-1.30". Данный срез обладает практически линейной зависимостью изменения частоты в диапазоне температур от минус 80"С до плюс 140 "С. в диапазоне криогенных температур не исследовался.
Конструктивно оснсор прсцставляст собой стеклянный баллон типа «Дробь», в котором при помощи контактных пружин припаян припоем марки ПСР10 90 кварцевый чуэсгвительпый элемент.
Для улучшения теплообмена между стекляшшы баллоном и кварцевым чувствительным элеметггом корпус герметизировался с последующим газонаполненнем - гелием.
Чувствительные элементы датчиков были настроены при помощи понко-илазменсго травления на частоту 5,0 МГа+0,5кГц, при комнатной температуре (23*С) Параметры датчиков были стабилизированы согласно методике, описанной в рабпте[7]
Д.1я исследования зависимее ш квараевые да1чикн были ус ишшшены в измершоиьнум ячейку I елиевш о кркос .а.а замкну 1С1 с иик.и с харамернс.нками. приведенными в табл. 2 .
ТАБЛИЦА 2
ХАРАКТЕРИСТИКИ КРИОСТАТА ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА
Тип охладителя ГКА1 Гнффорд Мак Магона
Холодопроизводительпоегь первой ступени охлащгтеля пон 53 К. Вг ib
Холодэпроизводнтельноегь второй ступени охладителя 4.2 К, Вт 1,5
Минимальная температура в крностате. К 2:5
Тип вакуумного нзсосз Остаточное давление в камере криостата, мм рт.ст. Двухступенчатый вакуумный пост, перзая ступень: мембранные насос; вторая ступень: турбомолекулярный насос. I-JO"*
Температура в крностате изменялась в диапазоне от плюс 10Э°С до минус 19б*С . Значение контролировались при помшци шшнномш) 1Г]1М)МП]М гшцкпнклгним игрмии [:я<[1>дд мирки ТСПН-1
На рнс. 1 приведена экспериментальная и расчетная зависимости изменения резонансной частоты опытного образца резонатора от температуры в области криогенных температур.
Проанализировав зависимость изменения резонансной частоты, можно сделать еызод о том. что возможно нспользозагь кварцевые термочувствительные срезы для посгроеиш систем намерения криогенных темпера тур. 1 акне системы измерения могут применяться в различных криогенных установках, построенных на газовых криогенных машинах, таких как 1 КМ 1 ифоорд Мак Магона, 1 КМ С'гнрлннга. пульсаиионная труба, тер-моакустический охладитель.
Рис. 1. Зависимость изменения резонансной чжтош опытного образца кварцевого теыпературно-чувствительного элемента (--экспериментальная зависимость;--расчетная)
Ш. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сенсоры температуры ил основе пьезоэлектрического кварца по своим характеристикам и параметрам сопоставимы с сенсорами, приведёнными в табл. 1. и обладают следующими достоинствами:
1. Простота обработки выходного сигнала.
2. Высокая временная стабильность параметров во времени, вызванная свойствами применяемого материала чувствительного элемента.
3. Независимость показаний от внешних электромагнитных и механических воздействий.
4. Высокая разрешающая способность.
5. Возможность передачи информационного сигнала на большие расстояния.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беляков В. П. Криогенная техника и технология. М.: Энергоиздат. 1982.
2. О ленник Б. Н. Лаздина С. И. Приборы и методы температурных измерений. М.: Изд-во Стандартов. 1987.
3. Ардашев В. И. Измерения низких температур. М., 1975.
4. Малов В. В. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергоатомиздат. 1989. 272 с.
5. Смагни А. Г., Ярославский М_ И. Пьезоэлектричество квариа и кварцевые резонаторы. М.: Энергия. 1970 488 с
6. Смагни А. Г. Фундаментальное поглощение упругих волн в кристаллах. М_: Воентехиздат, 2002. 150 с.
7. Гош ля Р. Ю.. Алексеева Н. И. Технология повышения временной стабильности кварцевых резонаторов высокочастотного диапазона // Компоненты и технологии. 2010. .V® 6. С. 166-167.
