Розробка пасивного термодатчика (стр. 1 из 11)

Зміст

Вступ

1 КОНСТРУКЦІЯ ТА ПРИНЦИП ДІЇ пасивного термодатчика

1.1 Принцип дії та функціональна схема пасивного термодатчика

1.2 Конструкція термодатчика

2 ОБГУНТУВАННЯ РОБОТОЗДАТНОСТІ ВИБРАНОЇ КОНСТРУКЦІЇ ПАСИВНОГО ТЕРМОДАТЧИКА

2.1 Вимоги до термодатчиків

2.2 Вибір принципу радіолокації для приладів на пасивних ПАХ-елементах

2.3 Принципи побудови акустичних датчиків

2.4 Принцип побудови резонаторів на ОАХ

2.5 Аналіз можливих варіантів побудови датчиків акустичних хвиль

2.6 Застосування датчиків на акустичних хвилях

2.7 Визначення необхідних параметрів, які впливають на поверхневі акустичні хвилі в пасивних Пах-елементах

2.8 Розрахунок порогової чутливості термодатчика

2.9 Розрахунок термодатчика на теплову інерційність

Висновки

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

Вступ

Вимірювальні перетворювачі на пасивних елементах (акустичні датчики) з розвитком автомобільної індустрії й індустрії телекомунікацій здобувають все більшу актуальність. Такі прилади будуються на фільтрах акустичних хвиль, комерційне використання яких почалося більше 60 років тому. Тільки в телекомунікаціях - у мобільних телефонах і на базових станціях - щорічна потреба в цих фільтрах близько 3 мільярдів. Ці прилади працюють із поверхневими акустичними хвилями й служать у передавачах полосними фільтрами як проміжних частот, так і частот радіохвиль. Крім того, акустичні датчики застосовуються в автомобільній індустрії (датчики крутного моменту й тиску в шині), медицині (хімічні датчики) і багатьох інших сферах (як датчики вологості, температури й т.д.). Причини такого широкого використання цієї технології в промисловості - невисока вартість, надійність, чутливість і витривалість приладів. Крім того, деяким з них не потрібні джерела живлення.

1 КОНСТРУКЦІЯ ТА ПРИНЦИП ДІЇ пасивного термодатчика

1.1. Принцип дії та функціональна схема пасивного термодатчика

Швидкість V акустичних поверхневих хвиль чутлива до температури пропорційно kV коефіцієнту першого порядку та залежить від коефіцієнтів більш високого порядку (квадратичного, кубічного), які для різних видів матеріалу детально визначено в науково-технічній літературі. Для кварцу У- зрізу ця залежність є зручною – лінійною

D V =kV Т V.

Крім того, кварц є найстабільнішім з доступних в Україні матеріалів. Зорієнтуємось на кварц у побудові пасивного термодатчика.

Час затримки хвилі в лінії затримки на термодатчику змінюється DTі відповідно зі зміною цією швидкості

DTі=Lі/ D V.

Термодатчик є пасивним, оскільки він не містить елементів живлення. Опитуваня термодатчику здійснюється за допомогою радіолокаційної системи (РЛС) 1 середньої точності та середньої потужності. На самому термодатчику знаходиться антена 2 (рис.1), яку з‘єднано зі зустрічно-штирьовим перетворювачем (ЗШП) 3. Посланий РЛС 1 сигнал проходить відстань L0 близько 4 м до термодатчика, приймається антеною 2 та за допомогою ЗШП 3 перетворюється у ПАХ, яка біжить по підложці 4 спочатку до відбивачів 5 (їх повинно бути не менше двох), відбивається від них і прямує назад до ЗШП 3. Втрати потужності при цьому складають не менше 3дБ. Відбитий ослаблений сигнал антеною термодатчика 2 повертається назад до РЛС 1 (рис.2), проходячи знову відстань L0. Час Tі, який проходить від випромінення сигналу РЛС до його приймання тою ж РЛС від термодатчика

T1= L1/V+T0,

T2= L2/V+T0.

В цій системі рівнянь є дві невідомі: T0 – початковий час затримки радіосигналу, та V, які визначаються після її розв‘язання. Оскільки швидкість ПАХ залежить від температури, то і зміна часу затримки DTі буде залежати від температури

DTі»Lі/ (kV Т V) +T0

Рис. 1. Функціональна схема термодатчика

Рис. 2. Відгук термодатчика.

kT – коефіцієнт термочутливості часу затримки

kV – коефіцієнт термочутливості фазової швидкості

L0 – відстань від антени передавача до антени приймача (до 4 м)

Lі – відстань від ЗШП до одного з відбивачів (біля 9 мм)

cсв – швидкість світла (300 тис.км/с)

V – фазова швидкість ПАХ (біля 3 км/с)

DTі – зміна часу затримки відбитого сигналу

Т – вимірювана температура

Хоча ця залежність нелінійна, однак kV настільки малий, що нелінійністю можна знехтувати

1.2 Конструкція термодатчика

Основним елементом конструкції є (рис.1, рис.2) чутливий елемент у вигляді лінії затримки на кварцовій підложці 4 У-зрізу. Лінію затримки виконано у вигляді рознесених ЗШП 3 із п‘яти пар штирів та відбивачів 5 по 1 штирю в кожному, сформованих методом фотолітографії на поверхні кварцу шарами хром-мідь-нікель.

Чутливий елемент за допомогою спеціального адгезійного клеючого складу встановлено в діелектричній прокладці 6, яка не дозволяє електричним наводкам у корпусі 7 впливати на чутливий елемент. Прокладку в свою чергу приклеєно до корпусу. Оскільки температурні покази не залежать від якості кріплення чутливого елементу, єдиними вимогами до клеєвого з‘єднаня є його термостійкість та надійність.

Термодатчик має дуже малі габаритні розміри - його висота лише декілька міліметрів. Приєднаня гвинтами для таких малих приладів стає складним, майже неможливим. Тому для того, щоб приєднати до корпусу 7 кришку (не показано), сформовано в обох елементах декілька виступів 8, які з попреднім натягом входять один в інший і клеються.

В нижній частині корпусу сформовано виступи з отворами, які по-перше, дозволять міцно приєднати термодатчик до об‘єкту контролю, по-друге дозволяють на днищі корпусу наклеяти антену 2 термодатчику. Кінці цієї спіральної антени підключаються через отвір у підкладці 6 та корпусі до ЗШП лінії затримки. Отвір у корпусі герметизується, найкраще склоспаєм.

2 Обгунтування роботоздатності вибраної конструкції пасивного термодатчика

2.1 Вимоги до термодатчиків

Оскільки інформація про нові типи вимірювачів не завжди є повною та містить комерційну таємницю, для визначення сучасного рівня та основних орієнтирів у розробці таких датчиків скористаємось відомостями про класичні серійні термодатчики, якими є термометри опору. Згідно ГОСТ 6651-78 термометр опору використовується для перетворення температури в діапазоні -200...+1100 С в опір.

Найчастіше використовуються термоопори 3-х типів:

- платинові (ТОП)

- мідні (ТОМ)

- напівпровідникові (ТОП)

Платинові ТЕ мають високостабільний температурний коефіцієнт опору ТКО, гарну відтворюваність властивостей.

Функція перетворення ТОП має вигляд.

Платина:

RT=R0(1+AT+BT2), при TЄ(0 ÷ 650) ˚С

R0- опір при Т0=0˚С;

Т- поточна вимірювана температура, ˚С;

А=3,90784х10-3К-1;

В=5,7841х10-7К-2;

RT=R0[1+AT+BT2+C(T-100)T3],

при TЄ(-200…0)˚С, де С=-4,482х10-12К-4.

Мідні ТО широко поширені завдяки своїй дешевині й лінійній залежності ТКО від температури.

Мідь:

RT=R0(1+αRхТ), при TЄ(-50…200)˚С ; (3)

αR=4,26х10-3ДО-1 –ТКО першого порядку мідного ТЕ;

R0- опір при Т0=0˚С;

Т- поточна вимірювана температура, ˚С;

Напівпровідникові терморезистори відрізняються від металевих меншими габаритами й більшими значеннями ТКО.

ТКО напівпровідникових терморезисторів негативний і зменшується зворотньопропорційно квадрату абсолютної температури: α=В/Т2. При 20˚С ТКО становить 0,02 ÷ 0,08 К-1.

Температурна залежність опору ТСП (рис. 1 крива 2) досить добре описується формулою Rθ=AeВ/T, де Т – абсолютна температура, А – коефіцієнт, що має розмірність опору, В - коефіцієнт, що має розмірність температури. На рис.3 для порівняння наведено температурну залежність для мідного терморезистора (пряма 1).

Якщо для використаного перетворювача не відомі коефіцієнти А и В, алі відомі опори R1 й R2 при Т1 і Т2, то опір і коефіцієнт В для будь-якої іншої температури можна визначити зі співвідношень:

Недоліками напівпровідникових терморезисторів, що істотно знижують їхні експлуатаційні якості, є нелінійність залежності опору від температури (рис. 1) і значний розкид від зразка до зразка як номінального опору, так і постійної В.

По конструктивному виконанню металеві, мідні й платинові ТО діляться на дві великі групи:

- средовищні (що занурюють) ТО, призначені для внутрішнього вимірювання температури рідких, газоподібних і сипучих середовищ у різних галузях техніки;

- поверхневі ТО, призначені для виміру температури поверхні твердих тіл на які безпосередньо встановлений ТО.

Конструкція термометра опору типу ТОП-6097, призначеного для вимірювання температури газоподібних або рідких хімічно неагресивних й агресивних середовищ у діапазоні від -50 до +250 , показана на рис.4. Чутливий елемент 1 платинового термометра являє собою керамічний каркас, у канали якого поміщено спіраль із платинового дроту. Кінці спирали приварені до виводів, через які чутливий елемент з'єднаний із трьохжильним кабелем. Канали каркаса засипані керамічним порошком й герметизовані. Захисна арматура 2 термометра являє собою зварну конструкцію зі сталевої сурми й штуцера. Місце сполучення чутливого елемента з кабелем закривається ковпаком 4 із прес-матеріалу АГ-4В, угвинченим у верхню частину штуцера 3, і заливається компаундом.