Высокостабильные прецизионные кварцевые первичные преобразователи температуры

 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 2х6 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.

Кварцевый пьезоэлектрический термочувствительный резонатор обладает высокой разрешающей способностью на уровне 0,0005 °C, которая ограничивается шумами схемы авто¬генератора и разрешающей способностью частотомера, высокой долговременной стабильностью кварца и низким энергопотреблением (единицы мкА), что является определяющим для системы коммерческого учета.
Преобразователь ППТК-01, пред-ставленный 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.

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

Рис. 1. Пьезоэлемент камертонного типа	Рис. 2. Преобразователь ППТК-01	Рис. 3. Резонатор РКТ206 с электронной платой автогенератора

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.

Таблица 1. Результаты первичной калибровки преобразователей

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

Как видно из результатов, для всех преобразователей погрешность не превышает ±0,05 °C.

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 38800 часов пребывания при температуре плюс 85 °C (дата: 26.12.2018).

Рис. 4. Иллюстрация характера изменения погрешности преобразователя ППТК-01 № 20

Таблица 3. Результаты калибровок преобразователей ППТК-01

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

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.

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.

Рис. 5. Внешний вид рамочного термочувствительного резонатора РКТР

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

Корпус этого термочувствительного резонатора выполнен из монокристаллического кварца того же среза, что и сам камертонный пьезоэлемент. Детали корпуса и пьезоэлемент соединены между собой легко-плавким 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.

Статья опубликована в журнале "ИСУП" №5 (83) за 2019 год.
В.Б. Поляков, главный конструктор,
А.В. Поляков, директор,
Ю.В. Галактионов, к. т. н., зам. директора по науке.