Розробка датчика температур на акустичних хвилях (стр. 2 из 13)
Показники теплової інерційності промислових термометрів становлять 10÷60с і визначаються так саме, як і для термопар. Виключення становлять термометри, призначені для вимірювання температури газу; для них показник теплової інерційності визначається як постійна часу при зануренні термометра в потік повітря, що має постійну швидкість 0,5 м/с.
 |
Рисунок 1.3 Конструкції традиційних термодатчиків
Поверхневі термоперетворювачі відрізняє висока надійність, малі розміри, матеріалоємність, поліпшені показники теплової інерції. Термоопори стійкі до вібрації й зберігають працездатність при вологості до 98 %. Не вимагають складних монтажних робіт при установці на об'єкті. При установці на труби або радіатори дозволяють із низькою тепловою інерцією виміряти температуру енергоносія. Практично незамінні для труб малого діаметра, де установка середовищних перетворювачів ускладнена або економічно недоцільна.
ЧЕ термоперетворювачів групи 2 виконані у вигляді плоскої одношарової біфілярної спіралі, закріпленої між двома пластинами зі склотканини. Товщина такого ЧЕ не перевищує 0,15мм. Виводи перетворювача 2-1 – плоскі у вигляді пелюстків. Перетворювачі 2-3, 2-7 конструктивно виконані на базі моделі 2-1, деталі повторюємо із закладенням виводів у корпусі із пресматеріала АГ-4У (2-3) або високотемпературного клейового заливання (2-7). Термоперетворювачі 2-1, 2-3, 2-7 рекомендуються для вимірювання температури поверхонь обмоток, підшипників, електродвигунів і генераторів, а також поверхонь труб будь-якого діаметра. Термоперетворювач 2-9 призначений для виміру температури зовнішнього повітря й температури в приміщеннях.
Поверхневі ТО найбільш використовуються в сучасних вимірювальних перетворювачах і різних бортових вимірювальних системах як датчики температури для визначення поточної температури бортового засобу вимірювання з метою наступної алгоритмічної компенсації його систематичних додаткових температурних похибок.
В Україні АТ «Чезара» робить мідні й платинові середовищні й поверхневі ТО (таблиця 1, 2).
У таблиці 3 у скороченому об’ємі наведені параметри номінальних СГХ мідних і платинових ТО.Зроблені заводом-виробником ТО після їх статичного градуювання розподіляються на п'ять класів точності. Критеріями розподілу є припустимі відхилення опору R0 при Т0=0˚З і чутливості S100=R100/R0, обумовленої як відношення опорів при Т=100˚З і Т0=0˚С. Величини припустимих відхилень наведені в табл. 4.
Таблиця 1Основні технічні характеристики поверхневих ТО виробництва АТ «Чезара»
| Технічна характеристика | Тип, марка ТЕ | ||||||
| Мідний ТОМ | Платиновий ТОП | ||||||
| ТМ-221 | ТМ-006(ТМ-104) | ТМ-232 | ТЭМ | ТП-018 (025) | ТП-033 | ||
| 1. Діапазон вимірюваних температур, °З | -50... …+200 | -196... …+200 | -130... …+200 | -196... …+200 | -260... …+300 | -50... …+1000 | |
| 2 Номінальний опір R0 при Т0=0°С, Ом | 53; 100; 200 | 53; 60; 100 | 53; 100 | 53; 60; 100 | 60; 100; 500 | 15; 25; 34 | |
| 3. Тип номінальної СГХза 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 індивідуальної СГХ, не більше, °З | 0,5 | 0,5 | 1,5 | 0,5 | 0,5 | ||
| 5. Показник теплової інерції, не більше, с | 0,5 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | |
| 6. Гарантійний термін, років | 12 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | |
| 7. Габаритні розміри, 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. Конструктивні виконання, згідно малий..2. | Тип 1Підкладка- ситал | Тип 1Підкладка- склотканина | Тип 1Підкладка- склотканина | Тип 1Підкладка- склотканина | Тип 1ТП-018 пластм. корпус | Тип 1 | |
| 9. Особливості застосування | Для плоских поверхонь | ТМ-006 для плоских поверхонь;ТМ-104 для поверхонь із R=7...100мм | Для поверхонь із R≥10мм | Для плоских поверхонь | Для плоских поверхоньТП-018 у пластмасовому корпусі | Для плоских поверхонь | |
Примітка: 1. СГХ - статична градуювальна характеристика;
Допуск на величину номінального опору R0 (по п. 2) не більше ±0,5 Ом.
Таблиця 2Основні технічні характеристики середових ТО виробництва АТ «Чезара»
| Технічна характеристика | Тип, марка ТО | |||
| Мідний ТОМ | Платиновий | ТОП | ||
| ТМ-168 | ТМ-166 | ТП-198(ТП-227) | ТП-165(ТП-175) | |
| 1. Діапазон вимірюваних температур, °З | -196... …+200 | -196... …+200 | -260... …+200 | -260... …+300 |
| 2 Номінальний опір R0 при Т0=0°С, Ом | 100 | 100 | 100, 500 | 100 |
| 3. Тип номінальноїСГХ за ДЕРЖСТАНДАРТ 6651-94 | 100 М | 100 М | 100 П, 500П | 100 П |
| 4. Похибка індивідуальної СГХ, не більше, °С | 0,5 | 0,5 | 0,50,1 у діапазоні -260...0С | 0,5 |
| 5. Показник теплової інерції, не більше, с | 5 | 5 | 3 (ТП-198)0,5(ТП-227) | 5 |
| 6. Гарантійний рядків, років | 15 | 15 | 12 | 10 |
| 7. Габаритні розміри, мм (маса , гр.) | (20) | (80) | (74 - ТП-198)(12 - ТП-227) | (80 - ТП-165)(20 - ТП-175) |
| 8. Особливості застосування й конструкції | Для неагресивних рідин і газів. Кріплення- двома гвинтами. Негерметичний. | Для неагресивних рідин і газів під тиском до 200 кг/див2. Кріплення- різьба М16-1. Герметичний. | Для криогенних рідин. Герметичний. | Для неагресивних рідин і газів,ТП-175 негерметичний.ТП-165 герметичний при тиску до 200 кг/див2. |
Таблиця 3
Параметри номінальних СГХ мідних і платинових ТО
| Тип термометра | Номінальний опір при 0°С, Ом | Позначення градуювальної характеристики | Діапазон температур, °С |
| ТОП | 1510(46)50100500 | 1П5П10П(гр. 21)50П100П500П | -50...+1100-100...+1100-200... +1000-260... +1000-260...+ 1000-260...+1000-260...+300 |
| ТОМ | 1050(53)100 | 10М50М(гр. 23)100М | -50...+200-50...+200-50...+180-200...+200 |
Таблиця 4
Припустимі відхилення номінальних СГХ мідних і платинових ТО
| Тип термометра | Клас точності | Параметр термометра | ||||
| ΔR0/ R0, % | S100=1,3910 | S100=1,4280 | ||||
| +a | -b | +a | -b | |||
| ТОП | I | II | III | |
| IV | V | ±0.05 | ±0.1 | |
| ±0.2 | ±0.4 | ±0.8 | 0,0015 | 0,0005 |
| 0,0010 | 0,0020 | 0,0030 | ||
| 0,0050 | – | ТОМ | I | II |
| III | IV | V | – | |
| ±0.1 | ±0.2 | ±0.5 | ||
| ±1.0 | – | – | 0,001 | 0,002 |
| 0,003 | 0,005 |
Будь які інші вимірювачі температури для того, щоб бути готовими до широкого використання, повинні відповідати представленим характеристикам. Зорієнтуємось на досягнення розробленим термодатчиком показників серійних термометрів: діапазон вимірювання термодатчиків на пасивних ПАХ-елементах –50 …+200°С, похибка вимірювання 0,5%, показник теплової інерційності 5 с, габаритні розміри 14´17 мм.
Вимірювальний ланцюг також матиме класичну схему (рис.5) ТО в складі чутливого до температури первинного перетворювача (ПП) та вторинного перетворювача (ВП) вихідної характеристики термодатчика до потрібного вигляду:
Т [˚C] R(T) [Ом] U(T) [В]Рисунок 1.4 Структурна схема термодатчика
ВП, як правило, є потенціометричним або мостовим вимірювальним ланцюгом (ВЛ) постійного струму, що здійснює перетворення опору ТО R(T) у вихідну електричну напругу постійного струму пропорційну вимірюваній температурі. Для термодатчика на пасивних ПАХ елементах ВП є передавачем та приймачем радіосигналу.
2. ПРИНЦИПИ ПОБУДОВИ ТЕРМОДАТЧИКІВ НА АКУСТИЧНИХ ХВИЛЯХ
2.1 Принципи побудови акустичних датчиків
Як джерело інформації у вимірювальних перетворювачах на пасивних елементах використовується механічна, або акустична, хвиля. Коли хвиля поширюється усередині матеріалу або по його поверхні, будь-які зміни характеристик траєкторії поширення хвилі впливають на швидкість й/або амплітуду хвилі. Частота й фазові характеристики показують зміну швидкості хвилі.
Практично всі акустичні прилади й датчики для генерування хвилі використають п'єзоелектричні матеріали. П'єзоелектрика була відкрита братами (Пьером і Полем-Жаком Кюрі Pierre й Paul-Jacques Curie) в 1880 р., а назви одержало в 1881 р. від Вільгельма Хенкела (Wilhelm Hankel). П'єзоелектрикою називають електричний заряд, що з'явився в результаті механічної напруги. Твердження вірно й у зворотну сторону. Застосування підходящого електричного поля до п'єзоелектричного матеріалу створює механічна напруга. П'єзоелектричні акустичні сенсори створюють механічні хвилі за допомогою електричного поля. Ці хвилі поширюються в підкладці, а потім, для проведення необхідних вимірів, трансформуються назад в електричне поле.
Поверхневі пружні хвилі зустрічаються в природі часто. З ними зв'язано, наприклад, поширення коливань земної кори (землетрусів) або збурюванні на поверхні води. У цих випадках довжина хвилі являє собою величину від сотень метрів до декількох сантиметрів. Поверхневі пружні хвилі вивчав ще у вісімдесятих роках минулого століття Релей у зв'язку із проблемою визначення епіцентру землетрусів. Він створив теоретичну основу для рішення завдань, пов'язаних з поверхневими пружними хвилями.