CC BY
94Прецизионный термометр для промышленного применения
на основе термочувствительных кварцевых резонаторов
Дмитрий ТУМАИКИН Михаил ТУМАЙКИН
В статье описывается прецизионный термометр для промышленного применения, выполненный на основе термочувствительных кварцевых резонаторов.
кдт
кдт
ИОЧ 10 МГц
Выбор канала
Счетчик
импуль-
о 5 п Множитель опорной частоты Регистр Регистр
9 периода I—I памяти сдвига
пк
Инди-
катор
Рис. 1. Структурная схема измерительной системы: КДТ — кварцевый датчик температуры;
ИОЧ — эталонный источник опорной частоты 10 МГц; ПЛИС — программируемая логическая интегральная схема; МК — микроконтроллер; ПК — 1ВМ-совместимый персональный компьютер
В промышленности и научных исследованиях часто требуется вести контроль температуры производственной зоны, технологической среды и другие аналогичные температурные измерения. В настоящее время для этого используют всевозможные преобразователи и датчики температуры. В целях автоматизации процесса в устройствах измерения температуры совместно с датчиками применяются контроллеры. Контроллерные устройства включают в себя схемы считывания состояния датчика или преобразователя и аналого-цифрового преобразования сигнала. Преобразованный сигнал поступает в процессорную систему для автоматического учета температуры среды и обработки полученных данных.
Преимущество использования термочувствительных кварцевых резонаторов, прежде всего, заключается в их высокой чувствительности, 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 рядом следующего вида:
^=Хб;(г-г0г,
/о я=1
где 8 ” = 1/(п//0)[5 ” /37”] — температурный
коэффициент частоты (ТКЧ), 7 и 70 — калибровочное и опорное значения температуры; ^ — резонансная частота при температуре 70.
В широком диапазоне температур ТЧХ кварцевого резонатора с достаточной точно-
стью аппроксимируется полиномом третьей степени (т = 3).
Для измерения температуры нужны кварцевые резонаторы с максимальным ТКЧ и монотонным изменением ТЧХ на рабочем участке. В кварцевых датчиках температуры используются кварцевые термочувствительные резонаторы (РКТ206 или РКТ310 производства ООО «СКТБ ЭлПА») с типовой чувствительностью 60 ррт/°С , что составляет 2 Гц/°С и 4 Гц/°С для резонаторов с /0, равной 32 и 64 кГц соответственно.
Кварцевые преобразователи температуры являются автогенераторными с частотным выходом и строятся на основе пьезорезона-
Таблица. Метрологические характеристики информационно-измерительной системы
Диапазон измерения температуры, °С от -30 до + 100 (расширенный диапазон от -60 до +260)
Максимальное время измерения одного канала, с 3
Разрешающая способность измерения частоты, Гц 0,004
Разрешающая способность индикатора (автономный режим), °С 0,1
Точность измерения температуры с помощью ПК, °С (с датчиком ПТК-01) не более, °С 0,03 (0,06)
торов. Измерение температуры с малой погрешностью может быть выполнено, если градуировочная характеристика преобразователя определена с высокой точностью. Микропроцессор пересчитывает значение частоты, поступающее с кварцевого преобразователя, в значение температуры по индивидуальной градуировочной характеристике.
В качестве датчика температуры можно применить различные кварцевые преобразователи температуры (например ПТК-01), обеспечивающие прецизионное измерение температуры. Вышеуказанный датчик позволяет измерять температуру в диапазоне -30...+100 °С с точностью 0,05 °С.
Пьезокварцевый термометр состоит из трех основных узлов: чувствительного элемента (кварцевый преобразователь температуры с частотным выходом производства ООО «СКТБ ЭлПА»), частотного преобразователя (сформирован на ПЛИС MAX7000S фирмы Altera) и специального вычислителя (микроконтроллер ATmega8515 фирмы Atmel). Структурная схема измерительного устройства представлена на рис. 1.
Подсчет частоты, поступающей с кварцевых преобразователей, производится с помо-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2008
Рис. 2. Внешний вид термометра с кварцевым датчиком температуры
щью 27-разрядного счетчика, реализованного в ПЛИС. Там же размещены мультиплексоры и сдвиговый регистр. Микроконтроллер управляет процессом измерения, осуществляет связь с ПК, производит математические вычисления и управляет индикацией. ПК с помощью специального интерфейса осуществляет сбор, накопление и статистическую обработку результатов измерения. Счетчики считают импульсы опорной и измеряемой частоты для получения требуемого интервала измерения. Мультиплексор используется для выбора входного канала. Измерение частоты производится с разрешающей способностью ±1 младший значащий бит (0,004 Гц). Далее по индивидуальной градуировочной характеристике производится пересчет значения частоты, поступающего с кварцевого преобразователя, в значение температуры. В качестве аппроксимирующей кривой использован полином третьей степени. Коэффициенты полинома для пересчета хранятся в энергонезависимой памяти и могут быть перепрограммированы через интерфейс пользователя.
Рис. 3. Внешний вид интерфейса пользователя
Вычисленное значение температуры выводится на пятизначный цифровой 7-сег-ментный индикатор с дискретностью 0,1 °С (рис. 2). Показанный термометр измеряет температуру в пределах от -30 до +100 °С, но этот диапазон может быть легко расширен применением кварцевого преобразователя с более широким температурным диапазоном (кварцевые резонаторы имеют верхний и нижний пределы рабочей температуры соответственно +260 и-60 °С). Прецизионный цифровой термометр работает как в автономном режиме, так и под управлением ПК. Структура цифрового термометра позволяет обеспечить последовательную обработку нескольких каналов. Можно осуществить передачу частоты с преобразователей температуры на расстояния до нескольких сотен метров и использовать цифровой термометр как многоканальную систему контроля температуры.
Программная оболочка осуществляет управление сбором данных, вычислением значения температуры и визуализацией. Погрешность измерения температуры с помощью ПК определяется примененным преобразователем температуры (порядка 0,06 °С). Внешний
Рис. 4. Меню загрузки индивидуальных градуировочных характеристик
вид интерфейса пользователя представлен на рис. 3.
В интерфейсе учтены особенности использования данного цифрового термометра в качестве элемента измерительной системы. Так, в нем реализована возможность однократного измерения выбранных каналов, непрерывное сканирование, сканирование каналов заданное число раз, опрос каналов через заданный интервал времени, а также возможность отложенного запуска измерения. Все данные возможности востребованы при контроле температуры в различных технологических процессах. Результаты измерений сохраняются в ПК, и можно произвести их статистическую обработку в любое время.
Через интерфейс пользователя производится вычисление и загрузка индивидуальных градуировочных характеристик кварцевого датчика температуры (рис. 4).
Точность измерения во многом определяется точностью кварцевого преобразователя температуры (вносит наибольшую погрешность), источника опорной частоты и дискретностью отсчета. В качестве источника опорной частоты используется высокостабильный термокомпенсированный генератор на 10 МГц.
Следует отметить, что данный прибор может быть использован также и для точного измерения давления (избыточного и абсолютного от 1 до 600 атм), веса (усилия), ускорения и влажности (в зависимости от физической величины, на которую реагирует кварцевый резонатор-сенсор). ■
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2008
www.power-e.ru
