3. Первичные преобразователи и физические принципы, положенные в их основу

Технические и метрологические характеристики первичных преобразователей измерительной аппаратуры, используемой при проведении океанографических работ, обеспечивают точность и достоверность определения исследуемых параметров морской водной среды.

3.1. Датчики температуры

Наиболее широкое применение в качестве датчиков для измерения температуры морской воды получили металлические термометры сопротивления, термисторы (полупроводниковые терморезисторы) и кварцевые резонаторы.

Принцип действия первых двух типов основан на зависимости электрического сопротивления (R) чувствительных элементов датчиков от температуры среды.

Металлические датчики имеют только положительный температурный коэффициент сопротивления

. (3.1)

Для большинства металлов в интервале температур 0 ÷ 100 °C α_R изменяется в пределах (3,3 ÷  6,2)∙10^-3 °C^-1. Термисторы могут обладать как положительным, так и отрицательным α_R.

Кварцевые резонаторы используются в качестве термочувствительных элементов, задающих частоту в схемах кварцевых генераторов. Выходная частота такого генератора имеет линейную зависимость от температуры окружающей среды, , где ω₀ – частоты генератора при T = 0 C, а α_ω – температурный коэффициент частоты термочувствительного кварца.

Основными параметрами, характеризующими качество температурных датчиков для океанологической аппаратуры, являются: долговременная стабильность, чувствительность, линейность и быстродействие (инерционность).

Наилучшие метрологические характеристики имеют металлические термометры сопротивления и кварцевые резонаторы. Первые являются основным типом, применяемым в составе практически всех распространенных CTD–зондов. Кварцевые резонаторы, в связи с худшим быстродействием, используются для калибровочной аппаратуры и долгопериодных измерений (буи и буксируемая аппаратура).

Термисторы имеют высокое быстродействие, потребляют малую мощность (ток возбуждения, как правило, не превышает 10^-4 А), обладают невысокой стоимостью, но из-за большой нелинейности статической характеристики преобразования, как правило, применяются в упрощенной портативной аппаратуре.

Сравнительные характеристики типов термодатчиков для диапазона от -5 до 40 ºС приведены в табл. 3.1.

3.1.1. Металлические термометры

Термометры сопротивления изготавливаются в основном из платины или меди. Электрическое сопротивление чувствительных элементов изменяется согласно линейному уравнению:

, (3.2)

где R₀ – сопротивление при 0 С; R_T – сопротивление при температуре T; _R – температурный коэффициент сопротивления.

В технической документации на измерительную аппаратуру нередко указывают только материал, используемый для чувствительного элемента датчика, а также его сопротивление в Ом при 0 С. Сопротивление, равное 100 Ом, используется для датчиков наиболее часто, однако употребляются также стандартно изготавливаемые сопротивления в 500 Ом и 1 кОм. По технологии изготовления металлические термометры сопротивления подразделяются на проволочные и пленочные.

Таблица 3.1. Сравнительные характеристики типов термодатчиков

	Типы датчиков
Параметр	термометр сопротивления	термистор	кварцевый резонатор
Стабильность	0,1 %/5 лет	0,1–2,5 С/год	0,01 С/мес.
Чувствительность	0,2–10 Ом/С	0,1–1 кОм/С	1000 Гц/С
Нелинейность, %	0,55	5–20	 0,05
Инерционность, с	1–0,2	0,025	3–10

Проволочные термометры сопротивления, как правило, изготовлены в виде обмоток, выполненных сдвоенным проводом, на керамических или стеклянных каркасах. Материал каркаса имеет характеристики теплового расширения, по возможности, приближающиеся к характеристикам проволоки. Обмотка защищена от гидростатического давления прочным корпусом. Для повышения быстродействия прочный корпус заполнен специальной пастой, которая обладает высокими электроизоляционными и теплопроводными свойствами. Такие датчики имеют инерционность 0,4 ÷ 0,2 с.

Датчики, изготовленные по тонкопленочной технологии, обладают наименьшей инерционностью. Чувствительные элементы таких датчиков имеют керамическую или кварцевую подложку толщиной 0,6 мм с напылённой платиновой токопроводящей дорожкой в виде меандра, толщиной около 2 мкм. Дорожку защищают от повреждений керамическим изолирующим слоем толщиной 10 мкм.

Наилучшей долговременной стабильностью и воспроизводимостью характеристик обладают термометры сопротивления, изготовленные из платины высшей очистки. Нелинейность статической характеристики платиновых термометров сопротивления не превышает 0,55 % в диапазоне температуры от -2 до 30 С. Чувствительность платинового термометра сопротивления составляет примерно 0,392 %∙С^-1.

Платиновый термометр фирмы "Rosemount Inc." (США) 171-BJ, внешний вид которого представлен на рис. 3.1, широко используется в различных CTD–зондах (в том числе широко известной модельной серии Mark-III). Его сопротивление 200 Ом при температуре 20 С, а при 0 С понижается до 185,3 Ом. Постоянная времени 171-BJ около 0,25 с при оптимальной скорости зондирования 1 м/с.

Рис. 3.1. Внешний вид платинового термометра сопротивления 171-BJ Rosemount

В отечественной аппаратуре наиболее широко используется датчик ТСП-365-01, ранее выпускаемый согласно ТУ-25-02-792248-80 НПО "Термоприбор" (СССР), а теперь НПО "Термопрылад" (Украина), который позволяет измерять температуру морской воды в диапазоне от -5 до 40 С до глубины в 6 000 м. Чувствительный элемент датчика имеет сопротивление около 100 Ом при 0 С и постоянную времени около 0,5 с. Общая длина датчика 143 мм, а внешний вид мало отличается от платинового термометра сопротивления Rosemount 171-BJ.

Термометры фирмы "IDRONAUT S.r.l." (Италия) при схожей конструкции имеют сопротивление 100 Ом (0 С) и малую величину дрейфа – менее 0,0010 С/год. Фирма предлагает две модели платиновых термометров для установки на зондирующие комплексы. Модель с минимальной постоянной времени, до 0.06 с, имеет вес 20 гр, а с большей инерционностью, до 0,5 с, менее 10 гр. Чувствительные элементы термометров изготовлен из стали и титана соответственно.

Лучшие медные термометры сопротивления уступают платиновым по показателю долговременной стабильности примерно в два раза, а также имеют большую длину чувствительного элемента при равном диаметре провода и одинаковом начальном сопротивлении. Длинная проволока затрудняет технологию сборки, повышает параметры реактивных составляющих сопротивления (для ликвидации этого эффекта используют бифилярную намотку), увеличивает показатель тепловой инерции чувствительного элемента.

К недостаткам металлических термометров сопротивления можно отнести малую крутизну преобразования, обусловленную сравнительно малой величиной α_R для металлов (порядка 10^-3С^-1) и малым собственным сопротивлением, что усложняет передачу информации от датчика на измерительные схемы.