Устройство для измерения температуры

 

Изобретение относится к температурным измерениям, в частности к контролю температурных воздействий на исследуемый обьект. С целью расширения диапазона измеряемых температур за счет повышения устойчивости двухчастотных колебаний , параллельный колебательный контур подключен к эмиттеру транзистора через ВЧ кабель, кварцевый резонатор подключен к базе транзистора через дополнительно введенный резистор, и сопротивление этого резистора выбрано равным динамическому сопротивлению резонатора на основном резонансе.3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 К 7/32

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4892805/10 (22) 10.09.90 (4 6) 15,02.93, Бюл, М 6 (71} Харьковский авиационный институт им.

Н. Е,Жуковского и Научно-исследовательский институт технологии машиностроения (72) А.А.Зеленский, А.А.Леонов, В.С.Москалев, В,Ф,Солодовник, M.È.×åáàí и В,А,Шевелев (56) Авторское свидетельство СССР

К 1715034, кл. С 01 K 7/32, 1987. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к температурньпм измерениям, в частности к контролю температурных воздействий на исследуемь.й обьект, Известны устройства для измерения темПературы с двухчастотными автогенераторными преобразователями и двухчастотными термочувствительными кварцевыми резонаторами, из которых наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является устройство для измерения температуры, содержащее двухчастотный термочувствительный кварцевый резонатор, биполярный транзистор, резистор выбора рабочей точки транзистора, первый и второй конденсаторы связи, параллельный колебательный контур, высокочастотный кабель, нагрузачный резистор, источник питания и блок обработки частот, „„ЯУ„„1795308 А1 (57) Изобретение относится к температурным измерениям, в частности к контролю температурных воздействий на исследуемый обьект. С целью расширения диапазона измеряемых температур за счет повышения устойчивости двухчастотных колебаний, параллельный колебательный контур подключен к эмиттеру транзистора через ВЧ кабель, кварцевый резонатор подключен к базе транзистора через дополнительно введенный резистор, и сопротив. ление этого резистора выбрано равным динамическому сопротивлению резонатора на основном резонансе. 3 ил. при этом термочувствительный кварцевый резонатор и резистор выбора рабочей точки транзистора включены между базой и коллектором транзистора, первый конденсатор связи включен между базой и эмиттером транзистора, колебательный контур и вто- у рой конденсатор связи соединены последовательно, вход высокочастотного кабеля подключен к эмиттеру транзистора, выход высокочастотного кабеля — к блоку обработ. ки частот и через нагруэочный резистор к источнику питания, элементы устройства на входе высокочастотного кабеля смонтиро- а ваны в измерительном выносном пробнике, вход высокочастотного кабеля подключен к эмиттеру транзистора через колебательный контур, второй конденсатор связи включен между выходом кабеля и коллектором транзистора и сопротивление нагрузочного резистора выбрано превышающим емкостное

1795308

35

55 сопротивление второго конденсатора связи и высокочастотного кабеля.

Недостатком устройства-аналога является существенное тепловое влияние активной части (транзисторов и резисторов) двухчастотного автогенераторного преобразователя на термочувствительный кварцевый резонатор и соответствующая составляющая погрешности преобразования температура — частота колебаний". Вынос термочувствительного кварцевого резонатора от активной части автогенераторного преобразователя посредством ВЧ кабеля затруднен из-за шунтирующего и дестабилизирующего влияния на параметры кварцевого резонатора реактивности кабеля, подключенной к кварцевому резонатору, если длина кабеля превышает 0,5 метра.

Недостатком устройства-прототипа является ограниченный диапазон рабочих температур, что обусловлено неравномерностью зависимости динами вских сопротивлений кварцевого резонатора йа основном и ангармоническом резонансах от температуры, Причем, если не принимать специальных мер отбора резонаторов, то интервал температур, в котором резонаторы имеют динамические сопротивления на указанных резонансах, не превышающие 500 Ом и отличающиеся ме>кду.собой не более, чем на порядок {условия обеспечения устойчивого двухчастотного режима серийнопригодных эвтогенерэторн ых преобразователей на одном активном элементе), как правило на практике не превышает 80 — 100О, Использование составных или многокаскадных активн ых элементов для повышения. усилительных свойств схем и устойчивости двухчастотных режимов колебаний автогенераторных преобразователей приводит к усложнению устройств и увеличению теплового влияния активной части на термочувствительный кварцевый резонатор и, следовагельно, к увеличению погрешности измерения температуры. В устройстве-прототипе температура измеряемого теплового поля воздействует на выносной пробник, то есть одновременно на термочувствительный кварцевый резонатор и параллельный колебательный контур, обеспечивающий устойчивость двухчастотных колебаний устройства. Температурная расстройка резонансной частоты этого контура обуславливает ограниченные температурные зоны устойчивости двухчастотных колебаний автогенераторного преобразователя.

Цель предлагаемого изобретения — расширение диапазона измеряемых температур за счет повышения устойчивости двухчастотных колебаний.

Поставленная цель достигается благодаря тому, что в устройстве для измерения температуры, содержащем двухчастотный термочувствительный кварцевый резонатор, биполярный транзистор, резистор выбора рабочей точки транзистора, первый и второй конденсаторы связи, параллельный колебательный контур, высокочастотный кабель, нагруэочный резистор, источник питания и блок обработки частот, термочувствительный кварцевый резонатор и резистор выбора рабочей точки транзистора включены между базой и коллектором транзистора, первый конденсатор связи включен между базой и эмиттером транзистора, колебательный контур и второй конденсатор связи соединены последовательно, вход высокочастотного кабеля подключен к эмиттеру транзистора, выход высокочастотного кабеля — к блоку обработки частот и через нагруэочный резистор к источнику питания, элементы устройства на входе высокочастотного кабеля смонтированы в измерительном выносном пробнике, имеет следующие отличия: параллельный колебательный контур подключен к выходу высокочастотного кабеля, кварцевый резонатор подключен к базе транзистора через дополнительно введенный резистор, а динамические сопротивления двухчастотного кварцевого резонатора и сопротивление дополнительного резистора выбирают нэ основе выполнения следующих соотношений:

RA= Rxo R +R <10 или <19, Rxa + R8 Rxa

КО+ Д КО где R«, Rxa — динамические сопротивления двухчастотного термочувствительного кварцевого резонатора на основном и ангармоническом резонансах соответственно;

RA — сопротивление дополнительного резистора.

На фиг.1 изображено устройство для измерения температуры; на фиг.2 — типичный спектр применяемого в устройстве гармоникового многомодового кварцевого резонатора LC или ПЯ вЂ” срезов. Нэ фиг.3 приведены температурно-частотные характеристики основного (тц1) и наиболее интенсивных ангармонических резонансов (э, 1з . и ) многомодового термочувствительного кварцевого резонатора, Устройство для измерения температуры содержит двухчастотн ый термочувствительный кварцевый резонатор 1, биполярный транзистор 2, резистор 3 выбора рабочей точки транзистора, первый и второй конденсаторы 4, 5 связи, параллельный колеба1795308 тельный контур 6, ВЧ кабель 7, нагрузочный резистор 8, источник питания 9 и блок 10 обработки частот, при этом элементы устройства на входе ВЧ кабеля 7 смонтироваНы в измерительном выносном пробнике

11, а также дополнительно введенный резистор 12, Устройство для измерения температуры работает следующим образом. В генераторе используется кварцевый резонатор

LU-среза, Резонаторы этого типа, как и резонаторы AT-среза, Y-среза и т.д. принадлежат к пьезорезонаторам с локализацией т лщинно-сдвиговых колебаний и являются мультимодными (многомодовыми) с интенсивными ангармон лческими модам1л. На фиг,2 приведен типичный спектр колебаний кварцевого резонатора LC-среза, где A— амплитуда колебаний, fmnp — частота моды колебаний, m, n, р — число стоячих полуволн (или колеблющихся сегментов пластины) вдоль оси у, х, z кварцевого резонатора, соответственно, f111 (f 1) — основное колебание, f113, f131, f115(2), f133 ангаРмонические обертоны кварцевого резонатора LC-среза, который может быть выполнен как герметизированным с гелиевым заполнением, работаЮщим на основ1foA частоте 5 МГц, так и вакуумированным, работа1ощим на частоте

26,5 МГц по третьей гармонике (оба т1лпа резонаторов серийно выпускаются отечественной промышленностью), .Проведенные нами измерения температурно-частотных характеристик (ТЧХ) на основной f111 и энгармонических модах f113, f131 f115. 1133 кварцевых резонаторов LCсреза показали, что ТЧХ ангармонических колДбанил, как и в резонаторах AT-среза, поворачиваются относительно ТЧХ на основной моде по часовой стрелке и имеют, как и основное колебание, линейные температ рно- астотные характеристики, При этом, если основное колебание f111 (f1) и ближайшие ангармонические f113, т131 имели пОложительный знак температурного коэффициента чуьствительности (ТЧХ), то энгармонические моды Ъз, f133, час готы которых примерно и 1.2 раза превышают частоту f111 основного колебания, имели уже отрицательный знак ТЧХ. Наиболее интенсивным ангармоническим колебанием (с ми. имал1ным динамическим сопротивлением йк, всего лишь в 1,5-5 раэ большим, чем на основном колеоании) с отрицательным ТЧХ было колебание f;"„3 f2). На фиг.З приведены температурно-частотные характеристики основного и наиболее интенсивных агармонических колебан1 и кварцевого резонатора

1 С-СР833.

f1 = f10+ СТт1(Т вЂ” Tp), частот в цифру или уменьшения расчетным

40 путем погрешностей за счет нелинейности

В предлагаемом генераторе благодаря наличи о двухмодового термочувствительного кварцевого резонатора 1, включенного в частотно-задающую цепь двухчастотного термозависимого генератора, возбужда1отся колебания некратных частот f1 и f2, близких к собственным резонансным частотам кварцевого резонатора 1 f»1(f1). f1» (f2) и завися цих от температуры следующим образом

f2 = т20+ CTf2(T — ТО), где CTf1, CTf2 — коэффициенты чувствительности на основной моде колебаний 1111(11) и ангармонической моде f1» (f2) кварцевого резонатора 1 С-среза соответственно;

11о, 12о — резонансные частоты в реперной точке„

То — температура реперной точки.

Проведенные нами испытания партии реэонатороь LC-среза показали, что между коэффициентами термочувствительности

CTF1 СТО на основном колебании 1111(f1) и частоте f115 (f2), соответственно, справедливо следующее соотношение

Составляющие токи транзистора 2 частот f1, f2. fp =- f1 — 12 являются информационными и могут быть испо ьзованы в блоке JO обработки частот, При э ом информационная избыточность (наличие трех термозависимых частот при одном измеряемом параметре — температуре) может быть использована в блоке 10 для преобразования

ТЧХ или действия на устройство дестабилизирующих факторов, Емкостное сопротивление хсо статической емкости Со = 6 пФ кварцедержателя кварцевого резонатора на частоте 5 ЧГц xco=

=-5000 Ом, Наиболее эффективно используются резонансные свойства кварцевого резонатора в том случае, если динамическое резонансное сопротивление резонатора на порядок меньше хсо, Поэтому для устойчивого возбуждения деухчастотных колебаний в устройстве-прототипе (без дополнительного резистора кварцевого резонатора) необходимо, чтобы динамические сопротивления на основном

R p и ангармоническом Яка резонансах кварцевого резонатора не превышал л 500 Ом, Кроме того соотношение этих сопротивлений

1795308

N» = R»a/В»о < 10. ° (1)

Динамические сопротивления резонатора изменяются при изменении температуры и по нашим экспериментальным данным для кварцевых резонаторов ПЯ-среза на частоту 5 МГц соотношение (1) выполняется для 50 ), резонаторов из партии резонаторов в интервале температур 80-100 . Включение дополнительного резистора 12 с сопротивлением Вд= R«последовательно с резонатором приводит к тому, что для такой цепи "резонатор-резистор" (эквивалентный резонатор) соотношение резонансных сопротивлений на основном (R«+ Rg и ангармоническом (R»a + Вд) резонансах определится

N»a = (R»a + Вд)/(R»o + Вд) = (» + 1)/2 (2) Соотношение резонансных сопротивлений эквивалентного резонатора N»; < 10 обеспечивается в более широком интервале соотношений N» < 19 соответствукицих соФормула изобретения

Устройство для измеренйя температуры, содержащее двухчастотный термочувствительный кварцевый резонатор, биполярный транзистор, резистор выбора рабочей точки транзистора, первый и второй конденсаторы связи, параллельный колебательный контур, высокочастотный. кабель, нагрузочный резистор, источник питания и блок обработки частот, при этом термочувствительный кварцевый резонатор и резистор выбора рабочей точки транзистора включены между базой и коллектором транзистора, первый конденсатор связи включен между базой и эмиттером транзистора, колебательный контур и второй конденсатор связи соединены последовательно, вход высокочастотного кабеля подключен к эмиттепу транзистора, выход высокочастотного кабеля — к блоку обработки частот и через нагрузочный резистор к источнику питания, элементы устройства на входе высокочастотного кабеля смонтиропротивлений резонатора беэ дополнительного резистора. Такое N» < 19 реализуется у резонаторов ПЯ-среза на 5 МГц в более широком интервале температур 170-200 . При

5 этом большее сопротивление резонатора

R»a увеличивается до (R»a + R»a/N»), то есть не более, чем в 1,1 раза, а меньшее — до 2В»о и, следовательно, добротность на частоте основного резонанса уменьшается не бо10 лее, чем в2 раза.

Подключение параллельного колебательного контура, служащего для обеспечения устойчивости двухчастотных колебаний, к эмиттеру транзистора через ВЧ кабель

15 приводит к тому, что этот контур оказывается размещенным вне измерительного обье ма выносного пробника и, следовательно, диапазон измеряемых температур не определяет зону устойчивости двухчастотных ко20 лебаний автогенераторного преобразователя предлагаемого устройства и не ограничивается неустойчивостью двухчастотных режимов колебаний. воны в измерительном выносном пробнике, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых температур за счет повышения устойчивости двухчастотных колебаний, параллельный колебательный контур подключен к выходу высокочастотного кабеля, кварцевый резонатор подключен к базе транзистора через дополнительно введенный резистор, а динамические сопротивления двухчастотного кварцевого резонатора и сопротивление дополнительного резистора выбирают на основе выполнения следующих соотношений .

R»a+ Вд R»a "

Ra R o, — <10 ««» ко + д КО где В»о, R»a — динамические сопротивления двухчастотного термочувствительного кварцевого резонатора на основном и анагармоническом резонансах соответственно;

Вд — сопротивление дополнительного резистора, 1795308

Составитель А.Зеленский

Редактор О.Стенина Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор А,Обручар

Заказ 424 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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