Пьезокварцевый преобразователь температуры

 

Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность, измерения путем увеличения крутизны преобразования , Пьезокварцевый преобразователь температуры (ППТ) с частотным выходом содержит усилитель 1, выполненный на транзисторе 2, включенном по схеме с общим коллектором, многомодовый термочувствительный кварцевый резонатор 7, последовательный LC-контур, включенный между эмиттером и коллекто ром транзистора. Средняя точка LC-контура через второй фазирующ-ий конденсатор 4 соединена с коллектором транзистора 2. Параметры реактивных элементов связаны определенным соотношением. Это позволяет обеспечить в ППТдвухчастотный режим и повысить крутизну преобразования 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ . СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ с,К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4700220/10 (22) 05.06,89 (46) 15.07.92, Бюл; М 26 (72) В.А, Шевелев, В,Ф, Солодовник, M.È, Чебан, А.А. Леонов и В,С. Москалев (53) 536.53 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1239532, кл, 6 01 К 7/32, 1986. . Авторское свидетельство СССР

|ч 16339/5, кл, G 01 К 7/32, 1987, (54) ПЬЕЗОКВАРЦЕВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерения путем увеличения крутизны преобразова„„5LIÄÄ 1747947 А1 (Я)5 G 01 К7/32

"t « 92

2 ния, Пьезокварцевый преобразователь температуры (ППТ) с частотным выходом содержит усилитель Т, выполненный на транзисторе 2; включенном по схеме с общим коллектором, многомодовый термочувствительный кварцевый резонатор 7, последовательный LC-контур, включенный между эмиттербм- и коллесктосроМГтрайзистора.

Средняя точка | С-контура через второй фазирующий конденсатор 4 соединена с кол- лектором транзистора 2. Параметры реактивных элементов связаны определенным соотношением. Это позволяет обеспечить в ППТдвухчастостйый режим и повысйть крутизну преобразования. 4 ил.

1747947

20 за на частотной оси посл = 1/2 К тпосл = тра = f315 - f 311 =

1 ж (2) (3) 1

fnap =—

2 ZC vLC2

Изобретение относится к технике температурных измерений, Цель изобретения — повышение точно сти измерения путем увеличения крутизны преобразования.

На фиг,1 представлен пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом; на фиг.2 — типичный спектр t8pмоникового многомодового кварцевого резонатора LC-среза; на фиг,3 — темпера- 10 турно-частотные характеристики основного (1111), гармонического (f3») и наиболее интенсивйых ангармонических обертонов гармоникового многомодового кварцевого резонатора LC-среза; на фиг,4 — резонансная характеристика реактивной цепи, включенной между коллектором и эмиттером транзистора, и расположение гармоник и ангармоник кварцевого резонатора LC-cpe. Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом содержит усилитель 1, выполненный на транзисторе 2 собщим коллектором,,первый фазирующий конденсатор 3; включенный между базой и эмиттером транзистора, второй фазирующий конденсатор 4, подключенный между коллектором транзистора и точкой соединения катушки 5 индуктивности и конденсатора 6, которые подключены соответственно к коллектору и эмиттеру транзистора; многомодовый термочувствительный кварцевый резонатор 7, включенный между базой и коллектором транзистора, нагрузочный резистор 8, резистивный делитель, состоящий 35 из резисторов 9 и 10, и блокировочный конденсатор 11.

Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом работает следующим образом.. : В преобразователе используетсяф многомодовый термочувствительный гармониковый кварцевый резонатор Y-среза или LC-среза. Резонаторы этого типа, как и резонаторы AT-среза, принадлежат к пьезорезонаторам с локализацией толщинно-сдвиговых колебаний Й являются мультимодными с интенсивными ангармо. ническими модами. На фиг„2 приведен типичный спектр колебаний гармоникового кварцевого резонатора LC-среза, где А— отношение. динамических сопротивлений на основном колебании и соответствующий гармонической или ангармонической моде; .

1 ппр — частота моды колебаний, e,ï,ð — 55 . число стоячих полуволн (или колеблющихся сегментов пластины) вдоль осей y,х,z кварцевого резонатора соответственно; f111— основное колебаниие; f113, f131, f115 — ангармонические обертойы основного колебания; 1311 — третья гармоника основного колебания; 1313, f331, f315 — ангармонические обертоны третьей гармоники кварцевого резонатора LC-среза, который выполняется герметизированным с гелиевым заполнением.

В описываемом пьезокварцевом преобразователе температуры с частотным выходом необходимо возбудить в двухчастотном режиме колебания некратных частот f1 и f2, близких к собственным резонансным частотам третьей гармоники 1311 с положительным температурным коэффициентом частоты и ее ближайшей интенсивной ангармоники f315 с отрицательным температурным каэффициентом частоты кварцевого: резонатора 7 при наличии в нем также ин- тенсивных мод основного колебания f1» и . ангармоник 1113 f131 f»5, Устойчивость двухчастотного режима в преобразователе обеспечивается за счет подавления основного колебания f111 и его ангармоник f113, f131, 1115. Это осуществляется подавление благодаря включению между коллектором и эмиттером транзистора 2 реактивной цепи, состоящей из последовательно соединенных конденсатора 6 и параллельного контура, включающего катушку 5 индуктивности и конденсатор 4, Если частоту последовательного резонанса

Цбс 2) этой реактивной цепи выбрать равной разНОСТИ ЧаСтОт fpa = f315 = 1311,Т.Е, а частоту параллельного резонанса этой реактивной цепи выбрать равной удвоеньгой Разности частот 1рз = 1315 - f311. T.å, пар 2fps = 2(f315 - f3») -, (4) 1

2 гчГС то резонансная характеристика такой реактивной цепи на частотной оси с модами термочувствительного кварцевого резонатора на частоту fo - 26,5 МГц будет-выглядеть согласно фиг;4, Из фиг.4 следует, что между частотами

1рз и 2трз, где расположены основные колебание f111 и его энгармоники f113, f131, f115, 1747947

5 реактивная цепь носит индуктивный харак. -тер, и, следовательно, для этих частот в пре-образователе на базе емкостного трехточечного генератора не будут выполняться 5 фазовые соотношения и эти частоты возбудиться не смогут. Для частот третьей гармо-* ники f311 и ее интенсивной ангармоники f315, как видно из фиг,4, указанная реактивная цепь носит емкостный характер, и следова- 10 . тельно, для этих частот фазовые соотношения выполняются и необходимое условие обеспечения двухчастотных колебаний преобразователя имеет место, Достаточное условие существования двухчастотных ко- 15 лебаний в преобразователе на частотах

f3«и f315 обеспечивается подавлением на входе нелинейного активного элемента— транзистора. 2 разностной частоты

= 315- f311с помощью все той же реактивной 20 цепи, состоящей из конденсаторов 4 и 6 и

" катушки 5 индуктивности.

Соотношения (1}- (4) позволяют связать между собой параметры элементов реактивной цепи. Действительно, разделив(4) на(2), 25 получают пар рз 2 = 1-с+ 2 (5) тпосл трз ., С2

30 отсюда" (6) 35

Для гармоникового термочувствительного кварцевого резонатора на частоту

26,5 МГц по третьей гармонике температурный коэффициент чувствительности Ст1 =

40 =1000 Гц! С, Следовательно, в предлагаемом преобразователе температурн ый коэффициент чувствительности составляет =4440 Гц/ С.

Таким образом, существенно повышена

45 крутизна характеристики преобразования благодаря использованйю лишь одного . кварцевого резонатора, уменьшается дрейф нуля и улучшается долговременная нестабильность частоты; определяемая, 50 главным образом, старением кварцевого резонатора, старение приводит к примерно идентичным уходам частот f311 и f315 и к компенсации этих уходов в выходной частоте, используется двухчастотный режим, что

55 резко улучшает спектральный состав на вы-. ходе устройства.

Формула изобретения

Пьезокварцевый преобразователь температуры, содержаЩий усилитель на транзисторе, включенном по схеме с общим .

С с—

16тт i, 315 — f311) L (9) С с+ С2

С2 или

С1с = 3С2

Определяя С2 из (4), получают

С . (8) 41 2(2 рз) L 1 (f315 — 3«) !

Подставляя (8) в (7), получают

Таким образом, при выборе параметров элементов реактивной цепи в соответствии с (9) в предлагаемом пьезокварцевом преобразователе с частотным выходом возбуждаются некоторые час готы f1 = т311 и т2 = f315, зависящие от измеряемой температуры следующим образом:

f1 f311= 1 3«+ Ст1(Г-Т ); (1.0)

f2- f315= f 315+ Ст2 (Т-То), (11), где То — температура в реперной точке;

Ст1 — тЕМПЕратурНЫй КОЭффИцИЕНт ЧуВствительности моды f3«(Cy1>0};

Ст2 — температурный коэффициент чувствительности моды f315(CT2<0).

За счет нелинейности характеристики активного элемента — транзистора 2 в выходном сигнале" преобразователя, помимо основных частот f311 и f315 имеются комбинационные колебания 2fp, = 2(f315 - f3«), fpз = 1315 f3«. В качестве выходного колебания преобразователя используется втбрая гармоника разностной частоты fp3, которая зависит от температуры следующим образом. твых = 2fрз = 2)f315 f311) = 2(f 315.+..

+ Ст2 (T-То) f 3«Ст1 (Т То)) =

=2((f 315 f 3«) + (Ст2 + Ст1} (Т То)) =

= 2(f 315 f 3«)+ 2(Ст2 Ст1) (T Tp) =

= 2f рз + 2Стрз (Т-То) = 2(f 315 f 3«) +

+ 2(Ст2 Ст1) (Т-То) = 2fорз +

2Стрз (Т-То) = f âûõ + Ствых (T-To), (12) и которая эффективно выделяется параллельным контуром; состоящим из катушки 6 индуктивностии конденсатора 5, С учетом того, что для кварцевых резонаторов LCсреза справедлйво следующее равенство: — — (1,15 „, 1,22), (13) 311 Ст1 результирующий коэффициент температурной чувствительности Ств х равен

Ствых = 2(Ст2 - Ст1) . = 2(1,22 Ст1

- Ст1) = -4,44 Ст1

1747947 коллектором, первый фазйрующий конденсатор, включенный между базой и змиттером транзистора, второй фазирующий конденсатор, многомодовый термочувствительный кварцевый резонатор, включенный между базой и коллектором транзистора, и последовательный LC-контур; включенный между змйттером и. коллектором транзистора; о т л . vi ч а" ю щ и и С я тем, что, с целью повышения точности измеренйя путем увеличения крутизны преобразования-, точка соединения Матушки индуктйвности и конденсатора последовательного 1 С-контура связана с коллектором транзистора через второй фазирующий конденсатор, при этом параметры реактивных элементов выбраны из условия

С с=3 Cz—

1@т (315 1311) где 1з11 и f315 — гармонический и ангармонический обертоны многомодового термочувствительного кварцевого резонатора;

Ссе и — емкость и индуктивность элементов 1 С-контура;

С2- емкость второго фазирующего конденсатора.

6 1 ЬзЯ м йа 3zrr фу ууу .фд

Фиг, 2

Фиг з

Составитель В, Ярыч

Техред М;Моргентал

Корректор Н,Слободяник

Р,едактор А. Огар

Заказ 2495 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101