2.1.1. Разновидности кварцевых термочувствительных резонаторов (тчр)

В подавляющем большинстве случаев кварцевые термометры выполняются на основе резонаторов с колебаниями сдвига по толщине диапазона 5-30 МГц. Известные высокоточные измерения температур с резонаторами с более низкими рабочими частотами 0,5-1 МГц. Используются как термочувствительные элементы (ТКЭ), что резонируют на основном колебании, так и ТКЭ, что работают на третьем и пятом обертонах, что пропорционально увеличивает коэффициент преобразования.

Таблица 2.1.1

Обозначения,ТУ	Номинальная частота,кГц	Коэффици ент Преобразова ния, кГц/ºС	Диапазон рабочих темпера-тур, ºС	Тип корпу-са по рис.2.1	Размеры, гг			Срез пьезо- эле-мента	Доб рот- ность
					А	Б	С
РТ-01, ВОТ0..338.022ТУ	14310	500	-60 ÷+120	а	13,5	11	4,7	ПЯ	5·104
РТ-02, ВОТ0..338.022ТУ	26500	1000	-60÷+125	а	13,5	11	4,7	ПЯ	5·104
РЦ2.821.004	5000	170	-60+÷120	в	42	19		ПЯ	106
РТ-04, ВОТ0..338.022ТУ	5000	180	-60+÷125	а	13,5	11	4,7	ПЯ	5·104
РТ-05, аЦ0.338.057ТУ	4980,6	400	+45÷+85	г	7	24		В	106
РК317ТВА, ВОТ0.338.043ТУ	7040	680	-60÷+125	д	10	10		Y	3·104
РК317ТВБ, ВОТ0.338.043ТУ	7040	260	-60÷+125	д	10	10		ПЯ	3·104

Таблица 2.1.2

Фирма – производитель, страна	Номиналь-ная частота, кГц	Коэффициент преобразования,кГц/ºС	Диапазон рабочих темпера-тур, ºС	Тип корпу-са по рис.2.1	Размеры, мм.			Срез пьезо- эле-мента
					А	Б	С
Х'юлетт-Паккард,США	28000	1000	-80÷+125	д	10	10	—	LC
Токио Денпа, Япония	28000	1000	-50÷+100	а	14	12	5,5	LC
Это же	10600	1000	-50÷+100	бы	8	8	3,2	LC
" "	10600	1000	-50÷+100	в	10	3	—	Y

Рис. 2.1.1. Внешний вид и габаритные размеры

термочувствительных резонаторов

Промышленностью выпускаются несколько типов термочувствительных резонаторов. Их основные параметры приведены в табл. 2.1.1. Параметры термочувствительных элиментов, випускаємих за границей приведенны в табл. 2.1.2. Резонаторы изготовляются в стандартных корпусах рис. 2.1.1.

При использовании кварца как датчика температуры, пластинку выбирают с такой кристаллографической ориентацией, при которой частота генератора является квазиленейной функцией температуры кварцевой пластинки. Изготовленный таким образом кварцевый термометр имеет высокую точность и чувствительность. Дополнительными преимуществами кварцевого термометра есть высокая точность измерений, независимость от шума, который вносит передача информации, и простота преобразования частотной информации в цифровую.

Кристалл кварца SiО₂ имеет форму призмы с пирамидальными концами и гексагональным поперечным сечением (рис. 2.1.2, а). Его структура и анизотропия физических свойств характеризуется тремя системами осей: а) оптической осью, или осью Z, что соединяет вершины кристалла, и ортогональными осями, расположенными в плоскости, перпендикулярной оси Z (рис. 2.1.2, б); б) тремя осями (называемыми электронными) X, X', X", которые соединяют каждые две противоположных вершины в поперечном шестиугольном сечении; в) тремя осями (называемыми механическими) Y, Y', Y", каждая из которых перпендикулярна противоположным сторонам поперечного сечения.

Из кристалла вырезают квадратные, прямоугольные или круглые пластинки, свойства которых зависят от их формы, размеров и кристаллографической

ориентации. К варц получается пьезоэлектрическим, когда главные плоскости пластинки перпендикулярны электрической оси. В этом случае наблюдается появление зарядов противоположного знака на противоположных поверхностях пластинки при приложении силы по нормали к ним. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. При приложении к противоположным поверхностям пластинки разности потенциалов происходит изменение толщины пластинки (растяжение или сжатие) в зависимости от знака различия потенциалов. Это явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Пластинка может испытывать различные механические колебания, которые отвечают разным типам деформации: растяжению, изгибу и сдвигу.

Рис. 2.1.2. Кристалл кварца

а - форма кристалла;

б - перперечное сечение, перпендикулярное оптической осы.

Частоты колебаний, которые могут возникнуть, определяются формой, размерами и кристаллографической ориентацией пластинки. Они определяются общей формулой:

, (2.1.1)

где С - модуль упругости, зависящий от кристаллографической ориентации, ρ-плотность кварца, l-размер пластинки в направлении распространения колебаний и п—целое число (обычно от 1 до 5).

Если к противоположным поверхностям пластинки приложить переменную разность потенциалов, частота которой равна частоте пьезоэлектрического эффекта, пластинка будет вибрировать, и возникнет явление электромеханического резонанса, который сопровождается периодическим превращением механической энергии в электрическую и обратно с очень малыми потерями. Добротность Q, характеризующая остроту резонанса, определяется соотношением

(2.1.2)

Для кварцевой пластинки величина Q имеет очень высокие значения обычно ~ 10⁴ ÷ 10⁵.

Ориентация пластинки относительно осей кристалла определяет ее срез. Так,

например, в срезе X, называемом срезом Кюри, поверхности пластинки перпендикулярны однои из осей X (рис.2.1. 3, а). Если приложить переменное напряжение к этим поверхностям, то пластинка будет вибрировать, растягиваясь и сжимаясь. Ее две основных резонансных частоты имеют значение:

f₁ == 2860/е, f₂ = 2860/l, (2.1.3)

Рис. 2.1.3. Примеры срезов кристалла кварца

а — срез X; б — срез AT.

где f выраженная в кГц, а е и l, соответственно, толщина и длина в мм. В срезе AT плоскости поверхностей повернуты вокруг оси Х и составляют угол приблизительно 35° с осью Z (рис.2.1.3,б).

Такая пластинка может делать сдвиговые колебания с частотами:

, (2.1.4)

где f выражается в кгц, е-толщина в мм. и n≤5—целое число. Используются и разные другие срезы; частоты механических колебаний таких пластинок всегда обратно пропорциональные одному з их размеров.

Электроды, с помощью которых подводится разность потенциалов к пластинке, могут быть напылены в вакууме или выполнены с двух прижатых к пластинке кусочков фольги.

Вблизи одной из этих резонансных частот механических колебаний пластинка кварца с электрической точки зрения представляет собой двухполюсник, который состоит из двух параллельных ветвей (рис.2.1.3.).

Рис. 2.1.4. Эквивалентная электрическая схема пластины кварца

Первая ветвь содержит L, С, R; значения ее параметров определяются геометрическими, механическими и кристаллографическими характеристиками пластинки. Величина L имеет порядок от нескольких Гн до 10⁴ Гн, С - от 10^-2 до 10^-1 пФ, — от нескольких кОм до нескольких десятков кОм. Вторую ветвь образует емкость С₀, обусловленная наличием металлических электродов. Величина этой емкости 1÷100 пФ. Отношения С/С₀ находится в пределах

10^-2 ÷10^-3.

Этот двухполюсник имеет две цепи электрического резонанса: последовательную L, С, R с резонансной частотой:

(2.1.5)

и параллельную с емкостной ветвью С₀ и индуктивной L, С, R, резонансная частота которой равна:

. (2.1.6)

Эти частоты очень близки:

, (2.1.7)

Импеданс Zq двухполюсника, эквивалентного пластинке кварца, можно представит в виде:

Z_q =R_q + jX_q , (2.1.8)

Или

, (2.1.9)

где , . Если учесть бол ьшую величину коэффициента Q, то практически получим: при f=f_s, X_q=0R_q имеет минимальное значение, равное R; при f=f_p, X_q=0R_q имеет максимальное значение, равное LC/RC₀².

С изменением температуры изменяются размеры пластинки, ее плотность и модули упругости, что сопровождается изменением частот механического резонанса и значений параметров L, С, R, что есть электрическими характеристиками пластинки.

В общем случае имеем

, (2.1.10)

где Т выражается в °С, или

, (2.1.11)

где . Значения коэффициентов а, b, d зависят вот среза пластинки.

Конструктивные варианты исполнения датчиков температуры показаны на рис. 2.1.5.

Термодатчики компании Хьюлетт-Паккард выполнены по схеме рис. 4, а. Их отличительная особенность - фиксированная длина линии связи (3,7 м) между ТЧР и высокочастотным генератором. Все датчи­ки — погружного типа; корпус зонда, в котором размещается резонатор, выполняется из нержавеющей стали. Рабочая частота резонаторов — около 28 МГц. Масса зонда - 90 г.

По-иному выполнены термодатчики японской компании Токио Денпа (рис. 2.1.5, б). Здесь в длинном цилиндрическом корпусе из не­ржавеющей стали размещаются как термочувствительный резонатор, так и электронный гене ратор к нему. Это снимает проблему согласова­ния по высокой частоте.

Отечественные датчики типа ПТКИ-01,-02,0,3 (рис. 2.1.5, в) предназна­чены соответственно для контроля температуры воздуха, поверхностей и материалов. Датчики выполнены в виде двух узлов - термочувстви­тельного резонатора и электронного преобразователя. Последний со­держит опорный резонатор и гибридную схему с двумя генераторами и формирователем сигнала разностной частоты. Преобразователь ПТКИ-01 - погружного типа.

Преобразователь ПТКИ-02, используемый для контроля температу­ры поверхности, снабжен магнитным прихватом (рис. 2.1.5, г) [5].

Рис. 2.1.5. Конструктивные варианты исполнения термодатчиков:

а - фирмы Хьюлетт-Паккард (США); б - фирмы Токио-Денпа (Япония); в, г - ПТКИ (СССР)