Кварцевые датчики температуры

Кварцевые термометры – это автогенераторные преобразователи с частотным выходом, использующие в качестве чувствительного элемента пьезоэлектрический резонатор с сильной зависимостью частоты от температуры. 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. Схема кварцевого датчика температуры приведена на рис. 12.3.

		Рис. 12.2. Схема применения кварцевого датчика температуры: 1. Резервуар. 2. Среда, температуру которой нужно контролировать. 3. Кварцевая пластинка (резонатор). 4. Соединительный кабель. 5. Генератор частоты, в который включен кварцевый резонатор. 6. Источник питания. 7. Измеритель частоты (частотомер) со шкалой в градусах

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 следующим выражением:

где - температурный коэффициент частоты (ТКЧ), Т и Т₀ – калибровочное и опорное значения температуры, f₀ – резонансная частота при температуре Т₀.

В широком диапазоне температур ТЧХ кварцевого резонатора с достаточной точностью аппроксимируется полиномом третьей степени (m=3).

Для измерения температуры нужны кварцевые резонаторы с максимальным ТКЧ и монотонным изменением ТЧХ на рабочем участке. Современные кварцевые термочувствительные резонаторы имеют чувствительность 2 Гц/°С и 4 Гц/°С для резонаторов с опорной частотой, равной 32 и 64 кГц соответственно.

Диапазон измеряемых температур ограничен снизу азотными температурами (около 80 К), а сверху - примерно величиной +(150…200) °С. Ограничение определяется наличием провалов добротности резонаторов при использовании искусственного кварцевого сырья, а также уменьшением крутизны преобразования при понижении температуры. Для достижения высокой точности измерения температуры необходима индивидуальная градуировка с учетом нелинейных членов в аппроксимирующем полиноме, однако, в настоящее время это не является сложной задачей. Микропроцессор пересчитывает значение частоты, поступающее с кварцевого преобразователя, в значение температуры по индивидуальной градуировочной характеристике. Существуют термометры позволяющие измерять температуру в диапазоне –30...+100 °С с точностью 0,06 °С.

Типовой кварцевый термометр состоит из трех основных узлов: чувствительного элемента, частотного преобразователя и специального вычислителя (микроконтроллера). Созданный на базе кварцевых резонаторов цифровой термометр можно использовать как многоканальную систему контроля температуры. Можно осуществить передачу частоты с преобразователя температуры на расстояния до нескольких сотен метров.

Преимущественная область использования кварцевых термометров - научные исследования, связанные с высокоточными и длительными измерениями.