ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ С ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РЕЗОНАТОРОМ

Полезная модель относится к термометрии, а именно к контактным датчикам температуры, и может использоваться в различных отраслях, например в нефтяной, газовой, химической и пищевой промышленности для измерения в интервале температур от -60°С до +900°С.
Известно, что длительное время для измерения температуры в диапазоне от -60°С до+900°С используются платиновые термосопротивления или различные термоэлектрические преобразователи. Известные устройства имеют такие существенные недостатки, как невысокая точность измерения температуры в диапазоне температур - 60°С до +900°С, аналоговый выход и сравнительно высокую стоимость.
Известны преобразователи на термочувствительных кварцевых резонаторах. Так, в патенте РФ №2307330 раскрыта конструкция преобразователя температура-частота на термочувствительных кварцевых резонаторах. Известные преобразователи в отличие от описанных выше аналоговых имеют частотный выход и существенно дешевле при равной точности. Однако они имеют теоретический верхний предел применения 573°С, поскольку в кварце при этой температуре происходит фазовый переход и он перестает быть пьезоэлектриком, в действительности практический верхний предел применения известных устройств ограничен более низкой температурой, а именно температурой примерно 350°С из-за значительного повышения динамического сопротивления резонатора при повышении температуры.
Анализ научно-технической и патентной документации позволяет сделать вывод, что с 1983 начались интенсивные исследования монокристаллов семейства лангасита (см., например, Андреев И.А., «Монокристаллы семейства лангасита - необычное сочетание свойств для применения в акустоэлектронике», Журнал технической физики, 2006, том 76, вып.6).
Это прежде всего сам лангасит, а также ланганит и лангатат. Указанные кристаллы также, как и кристаллический кварц, принадлежат к тригональному классу 32, однако имеют в 2-4 раза лучшие электромеханические параметры. Важным фактором является отсутствие фазовых переходов у этих кристаллов до температуры вблизи 1470°С, что позволяет создавать изделия, работоспособные при температурах до 1000°С и выше. Известны резонаторы и преобразователи различных физических величин на пьезоэлементах, как объемных, так и поверхностных волн, изготовленные из кристаллов семейства лангасита.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному преобразователю температуры с термочувствительным резонатором из лантан-галлиевого танталата является кварцевый преобразователь температуры ООО "СКТБ ЭлПА", раскрытый в техдокументации САТЕ.405231.002 "Преобразователь температуры кварцевый ПТК-0,05-01-120М". Известный датчик содержит корпус, снабженный в его верхней части крышкой, а в нижней его части соединенный резьбовым соединением с цилиндрической гильзой, в которой закреплен термочувствительный элемент, представляющий собой кварцевый резонатор, включенный выводами в цепь генератора частоты, собранного на печатной плате, размещенной в корпусе.
Недостатками известного преобразователя являются:
- неработоспособность, как отмечалось выше, кварцевого термочувствительного резонатора при температурах выше 350°С.
В рамках данной заявки решается задача расширения диапазона температур работоспособности преобразователя температуры в область температур до +900°С. Решается также задача снижения себестоимости преобразователя температуры с термочувствительным пьезоэлектрическим резонатором.
Поставленная задача решается тем, что преобразователь температуры с термочувствительным пьезоэлектрическим преобразователем температуры, содержащий корпус и размещенную внутри него печатную плату, а также снабженный в его верхней части крышкой и соединенный в основании втулкой с металлической гильзой, в которой закреплен термочувствительный элемент, представляющий собой термочувствительный пьезоэлектрический резонатор, включенный выводами в цепь генератора частоты, смонтированного на печатной плате, в указанном преобразователе термочувствительный резонатор выполнен из монокристаллического лантан-галиевого танталата, а внутренняя поверхность втулки профилирована так, что втулка в месте соединения с корпусом имеет на внутренней поверхности скос.
Предпочтительно, что преобразователь содержит пьезоэлектрический резонатор с пьезоэлементом, изготовленным в виде камертона изгибных колебаний и имеет кристаллографическую ориентацию от XYs/-15° до XYs/-25° или от ZYb/-15° до ZYb/-25°.
Предпочтительно, что преобразователь содержит пьезоэлектрический резонатор с пьезоэлементом, изготовленным в виде камертона изгибных колебаний и имеет кристаллографическую ориентацию от XYs/+15° до XYs/+25° или от ZYb/+15° до ZYb/+25°.
В данной конструкции преобразователя температуры печатная плата соединена с внешними цепями посредством разъема. Для надежной изоляции проводов, соединяющих печатную плату с резонатором, они пропущены через помещенную в гильзу керамическую трубку с двумя сквозными отверстиями во всю ее длину. Термочувствительной частью резонатора является пьезоэлемент, вырезанный из кристалла лантан-галлиевого танталата заданной кристаллографической ориентации и нанесенными на него электродами из золота или платины.
Сущность полезной модели поясняется неограничивающим примером его реализации и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг.1 - изображает общий вид преобразователя температуры с термочувствительным резонатором из лантан-галлиевого танталата.
фиг.2 - изображает общий вид термочувствительного резонатора в разрезе с пьезоэлементом камертонного типа.
фиг.3 - изображает общий вид пьезоэлемента с нанесенными электродами.
фиг.4 - изображен разрез пьезоэлемента по ветвям камертона (сечение А-А с фиг.3) с пояснением расположения электродов на рабочей части ветвей.
Для пояснения сущности полезной модели на чертежах введены следующие обозначения:
1 - термочувствительный резонатор из лантан-галлиевого танталата; 2 - гильза; 3 - втулка; 4 - винт; 5 - керамическая трубка; 6 - корпус; 7 - печатная плата; 8 - разъем; 9 - скос на внутренней поверхности втулки; 10 - таблетка из стеклоцемента; 11 - дополнительная доза стеклоцемента; 12 - пьезоэлемент; 13 - кожух резонатора; 14 - кольцо; 15 - выводы термочувствительного пьезоэлектрического резонатора; 16 и 17 - электроды; 18 - кристаллический элемент; 19 - контактная площадка для соединения электрода с выводом термочувствительного пьезоэлектрического резонатора.
На фиг 1 представлена конструкция преобразователя температуры с термочувствительным пьезоэлектрическим резонатором 1. Термочувствительный пьезоэлектрический резонатор 1 расположен в нижнем конце гильзы 2. Гильза 2 с помощью втулки 3 и винта 4 с центральным отверстием закреплена в корпусе 6. Выводы пьезоэлектрического резонатора 1 через отверстия в керамической трубки 5 соединены с печатной платой 7, на которой расположена электронная схема генератора частоты. Печатная плата соединена с внешними электрическими цепями через разъем 8. Втулка 3 в месте соединения с корпусом 6 на внутренней поверхности имеет скос 9 для уменьшения потока тепла от места замера к корпусу 6, что увеличивает точность измерения температуры и обеспечивает более щадящий температурный режим для работы генератора.
На фиг.2 представлена конструкция термочувствительного резонатора. Выводы 15 резонатора пропущены через таблетку 10 из стеклоцемента, вставленную в металлическое кольцо 14. После спекания получаем основание резонатора. На нем с помощью дополнительной дозы стеклоцемента между выводами 15 закреплен пьезоэлемент 12 в форме камертона. Электрическое соединение электродов пьезоэлемента 12 с выводами 15 произведено токопроводящей пастой. Затем в вакууме на кольцо 14 натянут кожух 13 и по контуру их соединения произведена сварка лазером. В результате получен термочувствительный пьезоэлектрический резонатор с высокой добротностью и долговременной устойчивостью характеристик.
На фиг.3 представлена конструкция пьезоэлемента. Основой пьезоэлемента является кристаллический элемент 18 из пьезоэлектрического материала, вырезанный из монокристалла семейства лангасита с определенной кристаллографической ориентацией относительно кристаллографических осей Х и Y. Кристаллографическая ориентация плоскостей кристаллического элемента 18, его форма и размеры определяются желаемыми частотой колебаний, видом колебаний и температурно-частотными характеристиками.
Сущность данной пьезоэлектрической модели состоит в разработке пьезоэлемента в форме камертона из лантан-галиевого танталата на изгибных колебаниях. Изгибные колебания были выбраны, поскольку они позволяют изготавливать миниатюрные резонаторы на частоты в диапазоне 20-100 кГц и удешевляют преобразователь температуры, особенно по сравнению с резонаторами на поверхностных волнах, недостатком которых является частота 100 МГц и выше. Экспериментально были определены четыре оптимальные ориентации кристаллического элемента относительно кристаллографических осей Х и Y, включающие следующую группу значений:
XYs/α, где α принимает значения от +15° до +25°;
XYs/α, где α принимает значения от -15° до -25°;
ZYb/ν, где ν принимает значения от +15° до +25°;
ZYb/ν, где ν принимает значения от -15° до -25°.
Выбор диапазонов угла поворота относительно кристаллографических осей обусловлен тем, что при углах меньше 15° у резонатора падает чувствительность к температуре. При углах больше 25° резко возрастает динамическое сопротивление резонатора, что приводит к усложнению схемы возбуждения резонатора и уменьшению точности измерений.
На фиг.3 показана конфигурация электродов 16 и 17 для кристаллографической ориентации XYs/α. Электроды имеют контактные площадки 19 для присоединения к выводам на противоположных главных поверхностях камертона. Переход каждого электрода 16 и 17 на противоположную поверхность пьезоэлемента осуществлен по внешней боковой грани пьезоэлемента в верхней части ветви камертона. В рабочей части одной ветви на главных поверхностях пьезоэлемента электроды расположены попарно, при этом на противоположной поверхности пьезоэлемента напротив электрода с одной полярностью расположен электрод с противоположной полярностью, как показано на разрезе А-А. Кроме того, на другой ветви электроды расположены зеркально по отношению к первой ветви, как показано на фиг 4. В результате в рабочих частях ветвей создается разнонаправленное электрическое поле, что приводит из-за пьезоэффекта к изгибу ветвей в противоположенные стороны в плоскости главной поверхности камертона. При подаче на электроды переменного напряжения на частоте резонанса камертона, в силу его высокой добротности, происходит стабилизация частоты автогенератора. Однако, при изменении температуры геометрические размеры и коэффициенты упругости пьезоэлемента, в силу анизотропии кристаллического материала и выбранной ориентации кристаллического элемента, изменяются по разному в различных направлениях, что приводит к изменению резонансной частоты. Поскольку в предлагаемом техническом решении зависимость резонансной частоты от температуры имеет монотонный, близкий к линейному, характер в интервале температур от -60°С до +900°С, то получен чувствительный элемент с высокими точностными характеристиками и долговременной стабильностью.
Заявленный датчик температуры может найти широкое применение в термометрии для измерения температуры в различных областях, например в нефтегазовой, пищевой, химической, металлургической промышленности и в других отраслях, где требуется высокая точность измерения, т.е. где возможно влияние температуры окружающей среды на показания датчика, а потому соответствует критерию "промышленная применимость".
Коммерческое преимущество заявленного преобразователя температуры с термочувствительным элементом из лантан-галлиевого танталата обеспечивает надежную и точную работу датчика и расширяет диапазон измерения температуры при одновременном снижении себестоимости его изготовления.