Archiwum - SENSORY 31

Archiwum - SENSORY 31

Termometr kwarcowy.

Najpopularniejszymi sensorami temperatury są RTD zwłaszcza PT100 i termopary. Ale gdy wymagany jest dokładny pomiar używany jest w laboratoriach badawczych termometr „kwarcowy”.

Stabilne generatory z rezonatorami kwarcowymi zaczęto stosować w latach trzydziestych głownie dla systemów telekomunikacyjnych ale "kwarce" były drogie i mało popularne. W USA w 1939 roku wyprodukowano ich mniej niż 100 tysięcy. Po wojnie produkcja kwarców cały czas rosła a ceny wraz z automatyzacją produkcji spadały. Jednak dopiero opracowanie taniej produkcji syntetycznego kwarcu wysokiej jakości i zastosowanie fotolitografii sprawiło że w latach siedemdziesiątych masowo produkowane rezonatory kwarcowe w małych obudowach stały się tanie a nawet bardzo tanie i ogólnie dostępne.

Moc wzbudzenia kwarcu jest krytyczna. Zbyt duża moc powoduje długoczasowy dryft parametrów rezonatora a zbyt mała daje sygnał o podwyższonych szumach fazowych. Najpopularniejsze jest w rezonatorach cięcie AT. Stabilne kwarce z cięciem SC ( = Stres Compensated ) są stosowane w generatorach ze stabilizowaną temperaturą. Osobnym tematem są super stabilne generatory kwarcowe. Mogą być one synchronizowane w "zegarach atomowych" ultra stabilnymi atomowymi zjawiskami fizycznymi.

Częstotliwość rezonansowa rezonatora kwarcowego w funkcji temperatury jest dobrze przybliżona wielomianem trzeciego stopnia. Typowe rezonatory kwarcowe mają mieć jak najmniejszą zależność częstotliwości rezonansowej od temperatury.

Stosując odpowiednie kąty cięcia można jednak uzyskać dużą i liniową zależność częstotliwości rezonansowej rezonatora kwarcowego od temperatury.

Dymec ( spółka zależna Hewlett - Packard ) „termometr kwarcowy” model 2800 wprowadziła już w 1965 roku. Bazując na doświadczeniach z przyrządem 2800 HP w 1977 roku wprowadził przyrząd HP-2804A. Dla stabilności na płytce kwarcowej rezonatora - sensora naparowane są złote elektrody.

HP 2804A ma dwa obudowane kwarcowe sensory temperatury przyłączone kablami o długości 3.6 m. Przyrząd ma w pamięci dane kalibracyjne do dwóch fabrycznych sond. Użyto 8 bitowego mikroprocesora prawdopodobnie z rodziny 6800 Motoroli.

W zakresie -80...+250C błąd pomiaru nie przekracza +-0.075C a w węższym zakresie -50...+150C błąd nie przekracza 0.045C. Rozdzielczość pomiaru wynosi 0.001C.

W temperaturze 0C rezonatory pracują na częstotliwości 28,2 MHz z czułością 1 KHz/C.

W przyrządzie jako odniesienia częstotliwości użyto precyzyjnego modułu TCXO ( Temperature Compensated Xrystal Oscillator) o częstotliwości 10 MHz.

Jeśli długość 3.6 m przewodu sensorów jest niewystarczająca HP oferuje same oscylatory do których dołącza się sondy ich kablem a które z przyrządem mogą być połączone dodatkowym 60 metrowym kablem.

Rezonatory - sensory pracują na częstotliwości zbliżonej do rezonansu szeregowego gdy ich impedancja jest praktycznie opornością. To wyjaśnia zagadkę jak możliwe jest połączenie kwarcu przewodem długości 3.6 m a przecież przewód jest jeszcze w przyrządzie. Temat potrzebnej w termometrze konstrukcji generatorów kwarcowych jest dobrze znany z generatorów pracujących z rezonatorami overtonowymi choć w przyrządzie rezonatory pracują na częstotliwości podstawowej. Oporność rezonatora w tym zakresie częstotliwości wynosi około 40 Ohm

Symulacja wykonana programem Microcap potwierdza że generator ( z domyślnymi parametrami rezonansowego transformatora ) stabilnie działa.

Sygnały z generatorów przed podaniem do systemu liczników wzmocnione są mało selektywnymi tranzystorowymi wzmacniaczami.

Dwa typy termometrów kwarcowych produkowane są w Polsce. Zbudowane są na układach scalonych TTL. Mają blisko 60 układów scalonych ! Rzekomo użyto takich samych układów generatorów jak w HP-2804A.