1.4 Термочастотные методы измерения температуры

Измерение температуры термочастотными методами основано на использовании зависимости от температуры частоты собственных колебаний различного рода резонаторов, скорости распространения звуковых и ультразвуковых колебаний и пара­метров частотно-зависимых RC или RL цепей с терморезистором.

Наиболее развиты резонансные термочастотные методы, осно­ванные на применении резонаторных датчиков, которые пред­ставляют собой автогенераторы или генераторы с вынужденными колебаниями, частота которых настраивается в резонанс с часто­той собственных колебаний резонатора, изменяющейся с темпе­ратурой.

Для измерения температуры применяются механические (твердотельные), газовые и ядерные резонаторы. Характеристика преобразования температуры в частоту у таких резонаторов не­линейна. Уравнение преобразования термометров с резонатор­ными преобразователями на рабочем участке характеристики мо­жно представить в виде полинома

, (1.9)

где α, β, и γ – коэффициенты, выбираются в зависимости от вида и характеристик резонаторов.

При использовании кварцевых резо­наторов погрешность линейности весьма незначительна. В ос­тальных случаях для линеаризации характеристики прибора не­обходимы дополнительные устройства с функциональными преобразователями. Развитие микропроцессорной техники позволяет создавать точные частотные термометры с погрешностью линей­ности не более 10^-5.

1.4.1 Термометры с механическими резонаторами

В них применя­ются струнные, камертонные, язычковые, консольные, дисковые и другие виды твердотельных резонаторов. В качестве темпера­турно-зависимого управляемого параметра в таких резонаторах используются жесткость, момент инерции резонатора или тем­пературные напряжения в резонаторе. Из твердотельных резона­торов для измерения температуры до 500-700 К наибольшее распространение получили пьезокварцевые резонаторы, отличаю­щиеся высокой линейностью характеристики f=F(T).

Рисунок 1.6 - Структурная схема устройства датчика цифрового термометра с механиче­ским резонатором

Для измерения более высоких температур применяются резонаторы из тугоплавких материалов, выполненные в виде цилиндра, консоли или камертона. На рисунке 1.6 показана структурная схема устройства датчика цифрового термометра с механиче­ским резонатором, работающим в режиме вынужденных колеба­ний. Термометр предназначен для измерения температуры в ядер­ных реакторах. Резонатор 1, имеющий форму камертона, выпол­нен как одно целое со стержнем 2, являющимся акустической линией для передачи сигналов запроса и ответа. Функции воз­будителя и приемника колебаний совмещает обратимая магнито­электрическая система 3, состоящая из постоянного магнита N-S и обмотки ω, подключенной к измерительному устройству 4. По­следнее содержит перестраиваемый генератор импульсов в виде свободного мультивибратора, период колебаний которого сравни­вается с периодом свободных колебаний резонатора, выделяемых из эхо-декремента ответного сигнала. Разность периодов приво­дится к нулю системой автоматической подстройки частоты ге­нератора, которая измеряется цифровым частотомером 5 и несет информацию о температуре в месте расположения резонатора. Камертонный резонатор изготовляется с акустической линией из жаропрочных материалов - молибдена, вольфрама, иридия или сапфира. Для хорошего теплового контакта с газом-теплоноси­телем датчик выполняется без защитного кожуха.

Частота колебаний свободносвязанного стержня зависит от скорости звуковых колебаний в материале с, длины l и ширины зубцов камертона b:

f=cb/l². (1.10)

Для зонда из сапфира диаметром 3 мм и длиной 254 мм резо­нансная частота равна 150 кГц. Градуировка термометра произ­водится в пламени, температура которого измеряется термопа­рой. До температур 1900 ^oC нестабильность градуировочной ха­рактеристики не более ±2 ^oC.

В пьезокварцевых термометрах в качестве термочувствитель­ных датчиков используются кварцевые резонаторы Y-среза, АС-среза или LС-среза, имеющие относительно большой коэффи­циент термочувствительности - порядка 10^-4 K^-l. Датчик пред­ставляет собой кварцевый диск или линзу, помещенные в герме­тичный корпус. Обычно кварцевый термометр состоит из двух автогенераторов, в одном из которых используется термочувст­вительный кварц, являющийся датчиком температуры, а в дру­гом - пьезокварц АТ-среза с малым коэффициентом термочув­ствительности (10^-6-10^-7 K^-l). Разность частот этих генерато­ров, измеряемая цифровым частотомером, пропорциональна измеряемой температуре. Генераторы обычно работают на ча­стоте в десятки мегагерц. Рабочий диапазон температур кварце­вых термометров составляет от -196 до +500 ^oC. При более высоких температурах возникают микротрещины, понижающие стабильность характеристик термометра. Чувствительность зави­сит от конструкции резонатора, типа среза и в известных кварце­вых термометрах находится в пределах 20-2850 Гц/К. Погреш­ность линейности равна 0,02 ^oC в диапазоне температур от 0 до + 100 ^oC и 0,15 ^oC - в диапазоне от -40 до + 250 ^oC. Теоретиче­ский порог чувствительности составляет 1·10^-7 К, практически достигнут порог 10^-6-10^-4 К при добротности кварца Q=5·10⁶. Недостатком кварцевых термометров является большое время установления показаний (десятки секунд) за счет плохой тепло­проводности между защитным корпусом датчика и чувствитель­ным элементом. Для измерения температуры в спокойной воз­душной среде с погрешностью 0,01 ^oC необходимо время до 30 мин. Увеличение быстродействия кварцевых термометров до­стигается уменьшением габаритов датчика, заполнением корпуса датчика гелием, а также созданием непосредственного теплового контакта выводов кварцевого элемента с исследуемой средой.