Пьезокварцевый преобразователь температуры

 

Пьезокварцевый преобразователь температуры . Сущность изобретения: устройство содержит усилитель 1 на транзисторе 2, два фазирующих конденсатора 3, 4, многомодоный термочувствительный кварцевый резонатор 5; последовательный LC-контур 6, 7. Усилитель на транзисторе включен т схеме с общим коллектором, первый фазирующий конденсатор включен между базой и эмиттером транзистора, многомодовыР термочувствительный кварцевый резрнатор включён между вазой и коллектором транзистора, последовательный LC- ;контур включен между эмиттером и коллектором транзиСтЪрй; то чЦ соедййё- ния катуШки Индуктивности и конденсатора последойатёльн огЬ LC-контура связана с коллектором транзистора через вторЪй фазирующий конденсатор, ключ включен между катушкой индуктивности и коллектором транзистора, параметры реактй вных эпемёнтов выбраны из условия CLC ЗС4 - . б .(f3i5-f3ri)2L, где fan и f3i5-4ac;roTbi гармо-.1 нического и ангармонического обертонов многомодового термочувствительного (варцевого резонатора; CLC и L - емкость и индуктивнос ть элементов LC - контура; С - емкость второго фазирующего конденсатора 4, Нкл.мэкс 2л: fp L/ТО, где Нкл.макс -максимально допустимое сопр 6тивлён1и ё замкнутого ключа; fp fais fbn - частота разностного колебания. 4 ил. ел с

COIO3 COBE TCKVIX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)с G 01 К 7/32

НОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОС АТЕНТ СССР)

О ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ц

ТЕМПЕРАТУРЫ езокварцевый преобразователь темры. Сущность изобретения; устройстержит усилитель 1 на транзисторе 2, зирующих конденсатора 3, 4, многоый термочувствительный кварцевый тор 5, последовательный LC-контур ч 7. Усилитель на транзисторе вклюсхеме с общим коллектором, первый ующий конденсатор включен между и эмиттером транзистора, многомотермочувствительнйй кварцевый

ТЕЛЬ (57) пера во с два модо резо

6, кл чен фази базой довы

» 5U 1793277 А1 р эус о ия С1.с ЗС4 3(16

x(f315-fç I 1) Ц, где f311 и Тз15-частоты гармо2 нического и ангармоййческого обертонов многомодового термочувствительного icaapцевого резонатора; С1с и L — емкость и индуктивность элементов LC — контура; С4— емкость второго фаэирующего конденсатора 4, R n.маркс —< 2л fp 1/10, где Ryrl.макс — максимально допустимое сопротивление замкнутого ключа; fp = 1э15 — fa« — частота разностного колебания, 4 ил.

Ф

1793277

Rxn:макс = 2x fp 1 /10

Изобретение относится к области температурных измеренйй, в частности к устройствам контроля температурных воздействий на исследуемый объект и является усовершенствованием известного пьеэоквэрцевого преобразователя температуры.

Известен пьезокварцевый преобразоватЕль температуры, содержащий усилитель на транзисторе, включенный по схеме с общим коллектором, первый фазирующий конденсатор, включенный между базой и эмиттером транзистора, второй фазирующий конденсатор, многбмодоеый термочувствительный кварцевый резонатор, включенный между базой и коллектором транзистора, и последовательный LC-контур, включенный между эмиттером и коллектором транзистора, причем точка соедийения катушки индуктивности и конденСатора последовательного LC-контура связана с коллектором транзистора через второй фазирующий конденсатор, при этом параметры реактивных элементов выбраны иэ условия

СLc =ЗС4

16 л (т315 — f311 ) где fa<> и fa>5 — частоты гармонйческого и ангармонического обертонов многомодового термочувствительного кварцевого резонатора;

Cic u L — емкость и индуктивность элементов 1 С-контура;

С4 — емкость второго фазирующего конденсатора.

К недостаткам этого устройства следует отнести то, что зоны устойчивости двухчастотного режима колебаний по напряжению источника питания составляют 2...30 В. При этом, если возникает необходимость работы преобразователя температуры в одночастотйом режиме, например, в составе традиционных одночастотных измерителей температуры или при аттестации резонатора по основной моде колебаний, приходится уменьшать напряжение источника питания до 1„.2В, уменьшая и амплитуду выходного колебания. Это приводит к невозможвостй использования преобразователя без дополнительного усиления выходного колебания и, в конечном итоге, к сужению круга функциональных воэможностей.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей.

Цель достигается благодаря тому, что в пьезокварцевый преобразователь температуры, содержащий усилитель на транзисторе, включенный по схеме с общим коллектором, первый фазирующий 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 эмиттером и коллектором транзистора, причем точка соединения катушки индуктивности и конденсатора последовательного

LC-контура связана с коллектором транзистора через второй фазирующий конденсатор, при этом параметры реактивных элементов выбраны из условия

С1с =ЗС4

16 И (f315 — 1311 ) (введен ключ, включенный между катушкой индуктивности и коллектором транзистора, при этом сопротивление ключа в замкнутом состоянии выбрано не превышающим где R5 — з1i — частота разностного

30 колебания;, L — индуктивность Lc-контура.

Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом представлен на фиг, 1; на фиг. 2 приведен типичный спектр гармоникового многомодового кварцевого Резонатора LC-среза; на рис. 3 приведены температурно-частотные характеристики основного {f111), гармонического {411) и наиболееинтенсивных ангармонических обертонов

4 гармоникового многомодоаого кварцевого резонатора LC-среза; фиг, 4 иллюстрирует резонансную характеристику реактивной цепи, включенной между коллектором и эмиттером транзистора, и расположение гармоник и ангармоник кварцевого Резонатора LC-среза на частотной оси.

Пьезокварцевый преобразователь температуры содержит усилитель 1 на транзисторе 2, включенном по схеме с общим коллектором, первый фазирующий конденсатор 3, включенный между базой и змиттером транзистора, второй фазирующий конденсатор 4, многомодовый термочувствительный кварцевый резонатор 5, вклю-. ченный между базой и коллектором транзистора, и последовательный LC-контур 6, включенный между эмиттером и коллектором транзистора, а также ключ 7, включенный между катушкой индуктивности и коллектором транзистора.

1793277 т посл

Гпосл = рэ =f315 f3« (2) 1

f nap

2 Lñ4 (3) 5

Пьезокварцевый преобразователь температуры работает следующим образом.

В преобразователе используется многомодовый термочувствительный гармони- 5 ков и кварцевый резонатор Y-среза или

LC-среза (например, сериййо выпускаемый в СССР кварцевый резонатор с Го = 26,5

МГц). Резонаторы этого типа, как и резонатор AT-среза, принадлежат к пьезорезона- 10 тор м с локализацией толщинно-сдвиговых кол баний и являются мультимодовйми с инт нсивными ангармоническими модами.

На иг. 2 приведен типичный спектр колебан и гармониковото кварцевогорезонатора 15 . LC- реза, где А — отношение динамических соп отйвлений на основном колебании и соо ветствующий гармонической или ангармонической моде; f> л p — частота моды кол баний; m, n, р — число стоячих полуволн 20 (ил колеблющихся сегментов пластины) вдо ь осей Y., X, Z кварцевого резонатора

I соо ветственно; f1« — основное колебание; 111з,; 1131, f«5 — ан гармонические обертоны осн вного колебания; f3« — третья гармони- 25 ка о новного колебания; f313, f331, т315 ангармон ческие обертоны третьей гармоники ква цевого резонатора LC-среза, который вып лняется герметизированным с гелие. вым. заполнением на частоту 26,5 МГц по 30 третьей гармонике (такие резонаторы серий о выпускаются отечественной промы ленностью, см, книгу Малова В,В, .Пье орезонансные датчики, — М; Энергия, t97, с, 127 и статью Элементная база пье- 35 зор зонансных преобразователей мехэничес их и тепловых параметров/ В,В.Малов, В,Н Симонов. — Электронная техника, Сер, Рад одетали и радиокомпоненты, вып.

3(68, 1987, с, 35-40), 40 роведенные измерения температур7Ю%

11«, гармонической f3« aHгармонических

013, f131, f«5, f313, f331, f315 обертонов гармоник ваго резонатора LC-среза показали, 45 что ЧХ ангармонических колебаний, как и в р аонэторах AT-среза, поворачиваются отн,сительно ТЧХ на основной моде или

ТЧХ на гармонике соответственно по часовой стрелке и имеют линейные ТЧХ. При 50

- этом, если основное колебание f«1 и его бли айшие ангэрмонические моды f«3, f131, а также гармоника f3«pI ее ближайшие энга моники f313, 1331 имели положительный знак температурного коэффициента 55 чувствительности (ТКЧ), то энгармонические, моды т115 и f315 соответственно, часто! ты старых в 1,15...1,22 раза превышали част ты основного колебания f111 и частоту трет ей гармоники соответственно, имели уже отрицательный знак ТКЧ (фиг. 3). Наиболее интенсивными ангармоническими колебаниями (с динамическими сопротивлениями в 3...10 раз большими, чем дина- . мические сопротивления на основном колебании f111 и третьей гармонике f311) с отрицательным ТКЧ были соответственно колебания f115 и f315.

В пьезокварцевом преобразователе температуры необходимо возбудить в двухчастотном режиме колебания некратных частот

f1 и 12, близких к собственным резонансным частотам третьей гармоники f311 С пОлажительным температурным коэффициентом частоты и ее ближайшей интенсивной ангармоники f315 с отрицательным температурным коэффициентом частоты кварцевого резонатора 5 при наличии в нем также интенсивных мод основного колебания f111 и ангармоник 1113, 11з1, f1i5, Возможны замкнутое и разомкнутое состояния ключа 7.

При этом при замкнутом состоянии активное сопротивление Вкл замкнутого ключа должно быть как минимум на порядок меньше сопротивления Х = 2л fL коммутируемой катушки индуктивйости L LCконтура 6, т.е. Йкл не должно превышать максимально допустимого значения, Вкл.макс = 2 Xf -/10

При замкнутом ключе 7 устойчивость двухчастотйото режйма в предлагаемом преобразователе обеспечивается, во-первых; за счет подавления основного колебания f«1 и Его ЭнгдРМОНИК f«3, f131, f«5, Осуществляется это подавление благодаря включению между коллектором и змиттером транзистора 2 реактивной цепи, состоящей из последовательно соединен ных конденсатора LC-контура 6, катушки индуктивности этого контура и конденсатора 4. Если частоты последовательного резонанса. этой реактивной цепи выбрать равной раз. ности частот fp3- f315 — f311, т.е. а частоту параллельного резонанса этой реактивной цепи выбрать равной удвоЕННОй раЗНОСтИ ЧаетОт 1ра - f315 — f311. т.в.

1793277

Таким образом, при замкнутом ключе 7 и выборе параметров элементов реактивной цепи в соответствии с выражением (9) в предлагаемом пьезокварцевом преобразователе с частотным выходом возбуждаются некоторые частоты f1 = f311 и f2 = f315, зависящие от измеряемой температуры следующим образом: (4) то резонансная характеристика такой реак- 5 тивной цепи на частотной оси с модами термочувствительного кварцевого резонатора на частоту fo = 25,6 МГц выглядит согласно фиг. 4.

Из фиг, 4 следует, что между частотами 10

1рз и 21рз, где расположенй основное колебание 1111 и его ангармоники 1113, f131, f115, реактивная цепь носит йндуктивный характер, следовательно, для этих частот в преобразователе на базе емкостн ого трехточечйого 15 генератора не выполняются фазовые соотношения и эти. частоты возбудиться не могут, Для частот третьей гармоники f311 и ее интенсивной ангармоники f315, как видно из фиг, 4, указанная реактивная цепь носит емкостной 20 характер, следовательно, для этих частот фазовые соотношения выполняются и необходимое условие обеспечения двухчастотных колебаний преобразователя имеет место. Достаточное условие существования 25 двухчастотных колебаний в преобразователе на частотах 1з11 и f315 обеспечивается . подавлением на входе нелинейного актив- ного элемента — транзистора 2 разностной частоты fp - f3315 — f311 с помоЩью все той 30 же реактивной цепи, состоящей из.конденсатора 4 и элементов 1 С-контура 6.

Соотношения (1)...(4) позволяют связать между собой параметры элементов реактивной цепи. Действительно, разделив выра- 35 жение (4) на уравнение (2); получим где Т вЂ” температура в реперной точке, Ст1 —. температурный коэффициент чувствительности моды f311 (Ст1> О); Стг — температурный коэффициент чувствительности моды

f315 (Стг (О). За счет нелинейности характеристики активного элемента — транзистора

2 в выходйом сигнале преобразователя помимо основных частот 1311 и 1315 имеются комбинационные колебания 21рз = 2 (f315—

f311), fp3 = f315 1311. В качестве выходного колебания преобразователя используется вторая. гармоника разностной частоты fp3, которая зависит от температуры следующим образом; и которая эффективно выделяется параллельным койтуром, состоящим из катушки индуктивности и конденсатора 4. С учетом ого, что для кварцевых резонаторов LCсреза справедливо следующее равенство: () т посл рз С4 т

40 отсюда

4 — — ——

С С +С4 (6) 45 результирующий коэффициент температурйой чувствительности равен или

C1.с -3 С4.

Ст.вых = 2 (Стг — СТ1) =2 (-1,22 Ст1 — Ст1)=

= -4,44 Ст1.

Для гармоникового термочувствительного кварцевого резонатора на частоту 26 5

МГц по третьей гармонике температурный коэффициент чувствительности Ст1 = 1000

55 Гц/с, С4 (8) Следовательно, в предлагаемом преобразователе температурный коеффициент чувствительности составит - 4440 Гц/с.

f пар = 2fpa = 2 (f315 — f311 ) =

2 Р С4

Определяя из выражения (4) С4, получим

4 л (2f ) 2L 16 л г (f315 — f311 ) 2L

Подставляя выражение (8) в уравнение (7), имеем

CLc . 2 2 ° (9)

16 л (f315 — 311) L

f1 = f311= тоз11+ CT1(T — To) f2 = f315 = т 315.+ СТ2 (Т вЂ” То), вых = 2fpv = 2(f315 f311) = 2(f 315 +

+ Стг (T — To) — 1 311 — Ст1 (T-To)) =

=2((f з15 fo311) + (Стг — Ст1) (T To)) =

=2 (f 315 — тоз11) + 2 (CT2 — Ст 1) (Т вЂ” To)=

= 2f рз + 2Стрз (Т вЂ” To) = f âûõ +

+ Ст.вых (T To) f315 С Т2

fç11 . Ст1 — = (1,15... 1,22 ), 1793277

10 возможны режим многомодовых и режим одночастотных колебаний, следовательно. расширяются функциональные возможности устройства, оказывается возможным

5 испольэовать такой пьеэокварцевый преобразователь температуры в одночастотных и двухчастотных измерителях температуры с цифровым и частотным вы ходо м.

10 контура свяэайа с коллектором транзистора

15 через второй фазирующий конденсатор, при этоммаксимальное сопротивление замкнутого ключа Й Kll.MBKc. 2 x fp 1./10,апараметры реактйвных элементов удовлетворяют условию

20 где 1р — частота резонансного колебания;

С4 — емкость второго фазирующего кон- денсатора; . С сЯ. — емкость и индуктивность катушки 1 С-контура;

30 f311, f315 — гармонический и ангармоми30 ческий обертоны многомодового термочувствительного кварцевого резонатора.

А !

При размыкании ключа 7 цепь, включенная между коллектором и эмиттером транзистора и содержащая конденсатор 4 и ко денсатор LC-контура 6, носит емкостный ха актер, и в устройстве возбуждается одн частотное колебание основной моды f>i> кварцевого резонатора.

Таким образом, в зависимости от состоя ия ключа 7 в предлагаемом устройстве

I !

Формула изобретения

Пьезокварцевый преобразователь температуры, содержащий усилитель на транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором, первый фазирующий конденcalrop, включенный между базой и эмиттером транзистора, второй фазирующий конденсатор, многомодовый термочувСтвите ьный кварцевый резонатор, включенный между эмиттером и коллектором транзистора, и последовательный LC-контур, включе нный между эмиттером и коллектором тр нзистора, отличающийся тем,что, с елью повышения точности и расширейия о ласти применения, в него введен ключ, включенный между коллектором транзистора и катушкой индуктивности, точка которой с конденсатором последовательного LC-!

I !

1

cfog

С с =ЗС4 3

16 г (315 — з11)

1793277

Составитель А.Леонов

Техред M,Ìîðãåíòàë . Корректор Л Лукац

Редактор

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

Заказ 497 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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