В Южно-Уральском государственном университете завершается новый этап разработки инновационного индуктивного сенсора температуры с функцией самодиагностики. Уникальность проекта, выполняемого в рамках реализации гранта В.Б. Христенко, заключается в использовании физических свойств ферритовых материалов: новый датчик не только измеряет температуру, но и в реальном времени проверяет собственную точность, сравнивая показания с «реперными точками» – природными магнитными фазовыми переходами.
История измерения температуры прошла путь от опытов с плавлением льда и кипением воды до создания датчиков нового поколения. Однако привычные металлические сенсоры со временем «стареют»: их показания начинают показывать неверные значения из-за коррозии, механических повреждений или простого износа. Ошибка может достигать 5 – 15 градусов, что критично для металлургии, энергетики или автомобилестроения.
Особенно остро эта проблема стоит там, где датчики работают в агрессивных средах или под высокими нагрузками. Проверить их точность без изъятия из процесса и специального оборудования практически невозможно. Ученые ЮУрГУ решили пойти иным путем, применив в качестве материала чувствительной части сенсора оксидную магнитную керамику.
Авторы проекта заметили, что магнитные свойства ферритовой керамики сильно зависят от температуры, при этом сами ферриты остаются стабильными (инертными) даже в агрессивных средах, на них не влияет даже высокий радиационный фон. Так родилась идея индуктивного сенсора, состоящего из сердечника-феррита и катушки индуктивности. При изменении температуры меняется индуктивность системы. Получая данные об индуктивности катушки, можно с высокой точностью судить об изменении температуры. Фиксация магнитного фазового перехода в материале позволит воспроизводить точность измеряемых значений.
Главная инновация проекта – функция самодиагностики датчика. Для ее реализации использован эффект, знакомый каждому школьнику: при достижении определенной температуры (точки Кюри) магнитный материал полностью теряет свои свойства – размагничивается. Ученые ЮУрГУ смогли контролируемо изменить температуру магнитного фазового перехода ферритов. Этот фазовый переход был принят в качестве «встроенного эталона» внутри датчика.
«В одном устройстве мы объединили два механизма. Первый – это непрерывное измерение температуры по изменению магнитных свойств. Второй – это «реперная точка» размагничивания, при которой мы точно знаем температуру и можем сверить с ней наши расчеты. Это позволяет калибровать сенсор прямо во время работы, без остановки производства. Сенсор проверяет себя сам каждый цикл нагрева-охлаждения.
Основной измеритель температуры и эталон, с которым по контрольным точкам сравнивается правильность показаний сенсора, представляют собой единую капсулу, моноблок», – пояснил автор проекта, заведующий лабораторией электромеханических, электронных и электрохимических систем, старший научный сотрудник лаборатории роста кристаллов, доцент кафедры «Материаловедение и физико-химия материалов», к.ф.-м.н. Владимир Живулин, – Моноблок прототипа сенсора включает чувствительный элемент, в котором находятся эталонные вещества, и основной измеритель температуры (термопару). Вторая часть – это программно-аппаратный комплекс, электронная схема, которая собирает данные с сенсора, производит вычисления и в автоматическом режиме выдает сигнал, что что-то не так, либо рассчитывает поправочные коэффициенты, применяет их и корректирует показания термопары».
Обновленный датчик способен работать в диапазоне до 800°C и, в отличие от единственного мирового аналога от Endress+Hauser, который использует лишь одну реперную точку, сенсор, разработанный в Челябинске, реализует сразу несколько калибровочных эталонов (минимум пять). При этом они распределены равномерно по шкале температур: от нуля до 800 градусов Цельсия, что в четыре раза превосходит зарубежный аналог.
Полный цикл разработки – от подбора ферритовых материалов до создания электронной начинки и программных алгоритмов – ведется на базе лабораторий ЮУрГУ. Такая «полная локализация» гарантирует технологическую независимость и безопасность для критической инфраструктуры.
Для внедрения на крупных металлургических производствах возможно потребуется дорогостоящая и технически сложная перестройка всех систем, но активный спрос на сенсоры нового поколения уже есть в нишевых сферах. Это, к примеру, научное приборостроение, а также керамическое производство (датчики необходимы при производстве муфельных печей, для контроля готовой продукции).
«Керамисты изготавливают авторскую посуду достаточно долго. Если при обжиге в печи датчик «соврет» на пару градусов, дорогое уникальное изделие уйдет в брак. Поэтому точные контроллеры с возможностью самодиагностики очень важны и здесь. Мы получили запрос от одной из компаний, занимающихся керамикой, и, возможно, будем сотрудничать», – поделился Владимир Живулин.
Кроме того, точность подобных сенсоров температуры жизненно важна в автомобилестроении: перегрев двигателя на 15°C выше нормы (с 95°C до 110°C) ведет к дорогостоящему «закипанию» и капитальному ремонту двигателя. «Умный» датчик, вовремя обнаруживший ошибку и переключивший двигатель, сможет уберечь автовладельцев от этой проблемы.
На данный момент исследователи уже подали заявку на конкурс «Старт» для создания прибора термического анализа для научных и производственных исследований. Особенностью данного прибора будет внедрение технологий по самодиагностике. Планируется внедрить две технологии. Первая технология – «Разработка индуктивного сенсора температуры с возможностью самодиагностики. Вторая технология – усовершенствование термопары («Разработка и реализация технологии построения гибридных диагностических моделей для интеллектуальных промышленных датчиков»), автор – доцент кафедры «Информационно-измерительная техника», к.т.н. Иван Федосов. На термопару есть реальный запрос от промышленности.
В ближайших планах – испытания эксплуатационных характеристик и усовершенствование программных алгоритмов, позволяющих отличать внутреннюю поломку самого сенсора от влияния внешних факторов.
Массовое внедрение подобных сенсоров температуры возможно в ближайшем будущем: сначала на небольших производствах, а затем, и на крупных промышленных предприятиях, а также в «умной» бытовой технике, и, к примеру, в системах контроля ЖКХ, чтобы счета за отопление перестали зависеть от погрешностей некачественных термодатчиков.
В перспективе подобные высокочувствительные сенсоры будут востребованы в таких отраслях промышленности, как атомная энергетика, приборостроение, черная и цветная металлургия, везде, где необходимо измерять температуру в широком диапазоне: от 0 до 800 градусов Цельсия.
Проект реализуется в рамках Грантовой программы В.Б. Христенко «Шаг в будущее». Это программа ежегодной финансовой поддержки программы развития Университета в рамках «Приоритет-2030». Гранты предоставляются на проведение перспективных исследований, формирование кадрового резерва и реализацию уникальных образовательных программ (компонентов), определяющих вектор развития ЮУрГУ и Челябинской области.