Измеритель температуры, датчик, сенсор – всё это названия устройства, которое разработали сотрудники НИИ перспективных материалов и технологии ресурсосбережения ЮУрГУ. Устройство измеряет температуру в разы точнее, чем это делают имеющиеся на данный момент в мире аналогичные приборы.
«Чаще всего в промышленности, в технике используются термопара, термосопротивление, термистр. Все эти виды термометров обладают свойством, которое принято называть «старение»: со временем показания отклоняются от эталона, причем погрешность может достигать 5–15 ⁰С, – рассказывает старший научный сотрудник лаборатории роста кристаллов ЮУрГУ Владимир Живулин. – Сейчас эта проблема решается таким образом, что через определенный промежуток времени сенсор достается из устройства и поверяется. Например, в наших лабораторных печах калибровать термометр необходимо раз в полгода, а в промышленности – после каждого технологического процесса».
Однако есть такие отрасли, где провести техническое обслуживание датчика температуры практически невозможно: например, на космическом спутнике или атомной станции. До сих пор эта проблема решалась трудоемкими и нетехнологичными способами, например, десятикратным дублированием датчиков. Но на опасных производствах всегда может случиться внештатная ситуация, и термометр (или несколько) может повредиться буквально сразу после поверки, передавая некорректные результаты.
.jpeg)
Челябинские ученые создали такой датчик, который способен сам себя независимо поверять – каждый цикл нагрева-охлаждения.
«У нас есть основной измеритель температуры и эталон, с которым мы сравниваем по контрольным точкам правильность показаний сенсора. Все это – единая капсула, моноблок, – объясняет Владимир Живулин. – Если мы видим, что происходит отклонение от контрольных точек, то можем вычислить поправку температуры, которую нужно ввести, и восстановить истинные значения. Наша находка именно материаловедческая: мы используем ферриты. Это очень стабильный, химически инертный, температуростабильный материал, на него не влияет даже большой фон радиации».
Феррит – магнитный материал, в нем происходят фазовые переходы: при нагревании до определенной температуры он становится немагнитным. Челябинские материаловеды из научной школы, возглавляемой профессором РАН Денисом Винником, научились контролируемо изменять температуру магнитного фазового перехода ферритов. Была выдвинута идея, что, фиксируя магнитный фазовый переход, можно точно определять температуру. Руководитель международной лаборатории технической самодиагностики и самоконтроля приборов и систем Александр Шестаков предложил создать сенсор, где в качестве эталона температуры выступал бы ферритовый элемент. Так, в рамках программы «Приоритет-2030» произошла коллаборация нескольких научных школ. Сотрудник кафедры информационно-измерительной техники Никита Николайзин занялся созданием электроники управления сенсором, а саму конструкцию датчика придумал Владимир Живулин – физик по образованию. Он первым сообразил, каким образом можно фиксировать магнитный фазовый переход и создать единое устройство.
«Сама разработка состоит из чувствительного элемента, в котором находятся эталонные вещества, основного измерителя температуры (термопары), а вторая часть – это программно-аппаратный комплекс, электронная схема, которая собирает данные с сенсора, делает вычисления и в автоматическом режиме выдает сигнал, что что-то не так, либо рассчитывает поправочные коэффициенты, применяет их и корректирует показания термопары», – рассказывает изобретатель.
.jpeg)
Вся разработка – от материала до конструкции, включая электронику – была спроектирована и изготовлена в Южно-Уральском государственном университете. Сейчас уже готов прототип, который работает, ученые проводят его испытания. Уникальность проекта в том, что челябинские разработчики могут воспроизвести полный цикл создания «нестареющего» термометра, не прибегая к сторонним организациям.
В мире существует всего один промышленный аналог, который можно купить, его производит фирма “Endress+Hauser”, но устройство челябинских ученых превосходит его по всем характеристикам. Германский сенсор может проводить поверку или калибровку всего лишь по одному температурному эталону, а в челябинском устройстве пять калибровочных точек, при этом они равномерно распределены по всему рабочему диапазону температур. Зарубежный прибор работает при температуре от 0 до 200 градусов Цельсия, челябинский датчик – от 0 до 800. Этот диапазон широко применяется в промышленности: атомной энергетике, металлургии. Кроме того, «нестареющий» термометр из Челябинска найдет применение в научных лабораториях, его можно поверять и калибровать после каждого эксперимента. По предварительной оценке, точность датчика составит 1 градус. Ни одна термопара, существующая в мире, не может обеспечить измерение температуры в течение длительного времени с такой точностью.
Сам чувствительный элемент отработан и испытан на 100 %, разработана электроника, позволяющая управлять датчиком, и сейчас ученые наделяют свое изобретение «мозгами»: разрабатывают алгоритмы работы контроллера, чтобы он в автоматическом режиме мог безошибочно делать поверку и автоматическую калибровку. В течение года устройство будет доведено до совершенства и готово к передаче в промышленное производство.