Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом

 

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к устройствам для контроля температурных воздействий на исследуемый обьект. С целью расширения диапазона измеряемых температур введены два дополнительных последовательно соединенных многомодовых термочувствительных кварцевых резонатора, включенных между базой и коллектором транзистора . 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 К 7/32

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4899080/10 (22) 11.11.90 (46) 15.02.93. Бюл. ¹ 6 (71) Харьковский авиац.ионный институт им, Н .Е.Жуковского (7k) В,А.Шевелев, В.Ф.Солодовник, М.И,Чеб4н и Т,Н.Попова (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1747947, кл. G 01 К 7/32, 1990, Изобретение относится к области температурных измерений, а именно к устройстЮам для контроля температурных воЗдействий на исследуемый объект.

Известны устройства для измерения температуры с двухчастотными автогенераторными преобразователями и двухчастотн ыми термочувствительными кварцевыми резрнатораыи, из которых наиболее близкиь4 по технической сути к предлагаемому изобретению является пьезокварцевый прербразователь температуры с частотным выходом, содержащий усилитель с общим колЛектором, фазирующие конденсаторы, пер ый из которых включен между базой и эми ером транзистора, многомодовый термоч вствительный кварцевый резонатор, вкл ченный между базой и коллектором транзистора, последовательный С-контур, катушка индуктивности и конденсатор которого подключены соответственно к коллектору и эмиттеру транзистора, а общая точка

„„Я2 „„1795309 А1 (54) ПЬЕЗОКВАРЦЕВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ (57) Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к устройствам для контроля температурных воздействий на исследуемый объект. С целью расширения диапазона измеряемых температур введены два дополнительных последовательно соединенных многомодовых термочувствительных кварцевых резонатора, включен, ных между базой и коллектором транзистора. 4 ил. и их соединения через второй фазирующий конденсатор связана с коллектором транзистора.

Недостатком указанных устройств является ограниченный диапазон измеряемых температур, что обусловлено неравномер- ностью зависимостей динамических сопро- 4 тивлений Рк и Яка кварцевого резонатора на Ч.) основном и ангармоническом резонансах от Щ температуры. Причем указанная неравно- (1 мерность двояким образом сказывается на условиях обеспечения устойчивого двухчастотного режима в пьезокварцевом преобразователе и, следовательно, диапазоне измеряемых температур. Во-первых, для обеспечения устойчивого двухчастотного режима необходимо, чтобы динамические сопротивления и в первую очередь динамическое сопротивление Яка на ангармоническом резонансе не превышало(150...300) Ом во всем диапазоне температур. Во-вторых, если первое условие выполняется, для обес1795309 печения устойчивого двухчастотного режима необходимо, чтобы отношение динамиR ка ческих сопротивлений во всем диайк пазоне не превышало порядка. В устройстве-прототипе одновременное выполнение этих двух условий для серийно выпускаемых отечественных кварцевых термочувствительных резонаторов затруднено. Поэтому на практике диапазон измеряемых температур в пьезокварцевом преобразователе ограничеи 80...100 градусами.

Цель изобретения — расширение диапазона измеряемых величин температур.

Поставленная цель достигается тем, чта в пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом, содержащий усилитель с общим коллектором, фазирующие конденсаторы, первый из которых включен между базой и эмиттером транзистора, многомодовый термачувствительный кварцевый резонатор, включенный между базой и коллектором транзистора, последовательный 1 С-контур, катушка индуктивности и конденсатор которого подключены соответственно к коллектору и эмиттеру транзистора, а точка их соединения через второй фазирующий конденсатор связана с коллектором транзистора, введены два дополнительных последовательно соединенHblx многомодовых термочувствительных кварцевых резонатора, которые включены между базой и коллектором транзистора, Пьезакварцевый преобразователь температуры с частотным выходом представлен на фиг,1. На фиг.2 приведен типичный спектр гармоииковога многомодового KBBp" цевого резонатора LC-среза; на фиг.3 -- температурна-частотные характеристики основного (f » l), гармонического (f3»} и наиболее интенсивных ангарманических обертонов гармоникового многомодового кварцевого резонатора С-среза; на фиг,4— резонансная характеристика реактивной цепи, включенной между коллектором и эмиттером транзистора, и расположение гармоник и ангарманик кварцевого резонатора LC-среза на частотной оси.

Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходам содержит усилитель с общим коллектором 1, выполненный на транзисторе 2, первый фазирующий конденсатор 3, включенный между базой и эмиттером транзистора, второй фазирующий конденсатор 4, подключенный между коллектором транзистора и точкой соединения катушки индуктивности 5 и конденсатора 6, которые подключены соответственно к коллектору и эмиттеру транзистора, многомодовый термочувстви10 тельный кварцевый резонатор 7, включенный между базой и коллектором транзистора, нагрузочиый резистор 8, резистивный делитель, состоящий из резисторов 9, 10 и блокировочный конденсатор 11, а также соединенные последовательно многомодовые термочувствительные кварцевые резонаторы 12 и 13, включенные между базой и коллектором транзистора, и составляющие вместе с резонатором 7 эквивалентный термочувствительный кварцевый резонатор 14, на который осуществляется воздействие иэмеряемой температуры

Пьезокварцевый преобразователь тем15 пературы с частотным выходом работает следующим образом; В преобразователе используется набор многомодовых термо чувствительных гармониковых кварцевых резонаторов Y-среза или LC-среза (напри20 мер, серийно выпускаемый в СССР кварцевый резонатор с 4 = 26,5 Мгц). Резонаторы этого типа, как и резонаторы AT-среза, принадлежат к пьеэорезоиаторам с локализацией толщинно-сдвиговых колебаний и

25 являются мультимодовыми с интенсивными ангармоническими модами. На рис. 2 приведен типичный спектр колебаний гармоникового кварцевого резонатора LC-среза, где А — атношение динамических сопротивлений " на основном колебании и соответствующей гармонической или ангарманической моде;

fmnp — частота моды колебаний; гп, п, р— числа стоячих полуволн (или колеблющихся сегментов пластины) вдаль осей У, Х, Z

1 1

35 кварцевого резонатора соответственно; fl l1— основное колебание; f»3, 31, f»5 — ангармонические обертоны основного колебания, f3» — третья гармоника основного колебания; f313, f331, f3l5 — ангармонические

40 обертоны третьей гармоники кварцевого резонатора LC-среза, который выполняется герметизированным с гелиевым заполнением на частоту 26,5 МГц по третьей гармонике (такие резонаторы серийно выпускаются

45 отечественной промышленностью).

Проведенные нами измерения температурно-частотных характеристик (ТЧХ) на основной 1»1, гармонической f3» и ангармонических модах f»3, fl3>, f»5, 1313, f331, тзт5 гармониковога резонатора LC-среза показали, что ТЧХ ангармонических колебаний, как и в резонаторах AT-среза, поворачива атся относительно ТЧХ на основной моде или ТЧХ иа гармонике соответ55 ственно по часовой стрелке и имеют линейные температурно-частотные характеристики, При этом, если основное колебание f»< и его ближайшие ангармонические моды f»3, f131. а также гармоника f3» и ее ближайшие ангарманики f313, f331 имели flo

1795309 ложительный знак температурного коэффи- Поясним, как выполняется каждое из циента чувствительности (ТКЧ). то ангармо- этих условий. На практике в партии кварценические моды 1»5 и f315 соответственно, вых резонаторов, как правило, присутствучастоты которых в 1,15... 1,22 раза превыша- ют две разновидности KP — по зависимости ли частоту основного колебания f1» и часто- 5 йк и йка мод f3» и f315 от температуры и по ту f3» третьей гармоники соответственно, зависимости их отношений йка/йк от темимели уже отрицательный знак ТКЧ {рис. 3). пературы. Первая разновидность KP такова, Наиболее интенсивными ангармонически- что у них динамическое сопротивление йка ми колебаниями (с динамическими сопро- на моде f315 превышает при некоторых темтивлениями в 3...10 раз большими, чем 10 пературах величину(150...300) Ом, но отно динамические сопротивления на основном шение йка/йк на этих модах меньше 10. колебании f»1 и третьей гармонике f3») с Другая разновидность KP такова, что у них, отрицательным ТКЧ были соответственно наоборот,динамическое сопротивление йка колебания f»5 и f315. на моде f315 ао всем диапазоне температур

В предлагаемом пьезокварцевом пре- 15 не превышает величину (150...300) Ом, однаобразователе температуры с частотным вы- ко отношение йка/йк < 10 на модах f315 и ходом необходимо возбудить в f3» не выполняется при некоторыхзначенидвухчастотном режиме колебания. некрат- ях температуры, ных частот f1 и fz, близких к следующим Необходимость выполнения условия собственным резонансным частотам экви- 20 йка < (150„.300) Ом обьясняется следуювалентного кварцевого резонатора 14; час- щим образом. Емкостное сопротивление тоте третьей гармоники f311 с Хсо статической емкости KP Co=(2...4) пФ на положительным температурным козффици- частоте 26,5 Мгц имеет величину ентом частоты и ее ближайшей интенсивной Хсо=(1500...3000) Ом, Наиболее эффективно внгармоникеf315сотрицательнымтемпера- 25 используются резонансные свойства мод турным коэффициентом частоты. При этом . кварцевого резонатора в том случае, когда необходимо учитывать, что в спектре как динамическое сопротивление резонатора

yâàðöåâoão резонатора 7, так и в спектре меньше Хсо. Кроме того, увеличение динарезонаторов 12 и 13, так и, наконец, в спек- . мического сопротивления приводит к тре эквивалентного кварцевого резонатора 30 уменьшению эквивалентного сапротивле14 присутствуют интенсивные моды основ- ния йэ колебательной системы кварцевого ного колебания f»1 и его ангармоники f»3, генератора и при прочих равных условиях—

631, 115. к невыполнению уравнения баланса амплиУстойчивость двухчастотного режима туд Scp Koc йэ = 1, где Scp — средняя крутизгенерациивпредлагаемомустройствевши- 35 на нелинейного активного элемента роком диапазоне измеряемых температур (транзистора 2), a Koc — коэффициент обратобеспечивается благодаря выполнению че- ной связи, Необходимость выполнения условия

Во-первых, во всем диапазоне измеря- йка/Rк <10 объясняется тем, что в противемых температур динамические сопротив- 40 ном случае колебания разностной частоты ления эквивалентного кварцевого fp3= 1315- f311, которые являются продуктом резонатора 14, включающего смешанное нелинейного преобразования частот 13» и последовательно-параллельное соедине- f315 íà нелинейном активном элементе, окание резонаторов 12, 13 и 7, не должно пре- зываются недопустимо малой амплитуды, вышать как на моде f3», так и на моде f315 45 Применение эквивалентного кварцевоввличины 300 Ом. го резонатора 14, включающего последоваВо-вторых, во всемдиапазонеизмеряе- тельно включенные резонаторы 12, 13 и мых температур отношение динамических параллельно подключенный к ним резонасопротивлений RKB/RK соответственно мод тор 7, позволяют выполнить первые два ycf315 и f3» не должно превышать одного по- 50 ловия обеспечения устойчивости р д ядка, двухчастотных колебаний. Выбирая резонаВ-третьих, устойчивость двухчастотно- торы 12, 13 первой разновидности, т.е, таго режима обеспечивается за счет подавле- кие, у которых йка на моде f315 превышает ния основного колебания f»1 и его величину (150...300) Ом, а отношение ангармоник f»3, f131 f»5. 55 йка/йк< 10, и включая их последовательно, И, наконец, в-четвертых, устойчивость мы тем самым улучшаем отношение по сравдвухчастотного режима обеспечивается по- нению с этим же отношением для худшего давлением на входе нелинейного активного из резонаторов, элемента — транзистора 2 — колебаний раз- Подключая параллельно этом посл ностной частоты 1 с и частоты p3 = 315 3» ° вательному соединению резонаторов 12, 13

1795309 кварцевый резонатор 7 второй разновидности. т.е. такой, у которого динамическое сопротивление Яка на моде f315 не превышает (150...300) Ом во всем диапазоне температур, а отношение Яка/Як < 10 не выполняется при некоторых температурах, мы добиваемся у эквивалентного резонатора выполнения обоих условий: Яка < (150...300)

Ом и Яка/Як < 10. Происходит зто потому, что при параллельном соединении КР имеют MGcTo равенства, т.е. общее сопротивлеНИЕ МЕНЬШЕ МЕНЬШЕГО ,„7 .,12,1З

R aa7 =-Р 7 + Я 12,13 (1)

R а 7. я ка12 13

8 KBZ 7 1213

+Яка где ВкХ, ЯкаХ вЂ” соответственно суммарное динамическое сопротивление эквивалентного кварцевого резонатора на модах f311 и

f315; Як, Яка — динамическое сопротивле7 ние )езонатора 7 на модах Т311 и Т315; Як

12,13

Яка — эквивалентное динамическое сопротивление последовательно соединенных резонаторов 12 и 13.

Третье условие обеспечения устойчивости двухчастотного режима заключается в подавлении основного колебания f111 эквивалентного резонатора 14 и era ангармоник

f113, f131и 1115, Осуществляется это подавление благодаря включени1о между коллектором и эмиттером транзистора 2 реактивной цепи, состоящей из последовательно соединенных конденсатора 6 и параллельного контура, включающего катушку индуктивности 5 и конденсатор 4, Если частоту последовательного резонанса

1 посл Р)

2 .т 1/Е (5 ) (С (4 ) + С (6 ) ) этой реактивной цепи выбрать равной разНОСТИ ЧаСтОт fp3 = f315 f311, т.Е. посл, = рЗ вЂ” 1315 f311 =(3)

2 zc 6 (5 ) f С (4 ) + С (6 ) ) а частоту параллельноro резонанса

1 тпар

2 г1/ (5) С(4)) этой реактивной цепи выбрать равной удвоенной разности частот трз = f315 — f311, т.е, 1пар = 2трз = 2(т315 f311) = (5)

10 то резонансная характеристика такой реактивной цепи на частотной оси с модами термочувствительного кварцевого резонатора на частоту fo = 25,6 Мгц будет выглядеть согласно рис. 4.

15 Из рис, 4 следует, что между частотами

1рз и 2fp3, где расположены основное колебание f111P и его ангармоники f113. f131, f115, . реактивная цепь носит индуктивный характер, и, следовательно, для этих частот в пре20 образователе на базе емкостного трехточечного генератора не будут выполняться фазовые соотношения, и зти частоты возбудиться не смогут. Для частот же третьей гармоники f311 и ее интенСиВнсй

25 ангармоники f315, как видно из рис. 4, указанная реактивная цепь носит емкостной характер, и, следовательно, для этих частот фазовые соотношения выполняются и необходимое условие обеспечения двухчастот30 ных колебаний преобразователя имеет место.

Наконец, четвертое условие обеспечения устойчивости двухчастотных колебаний в преобразователе на частотах 1311 и f315

35 обеспечивается подавлением на входе нелинейного активного элемента — транзистоРа 2 РаэнОСтнай чаСтОты 1рЗ = f315 — f311 С помощью все той же реактивной цепи, состоящей из конденсаторов 4, 6 и катушки

40 индуктивности 5, которая включена между коллектором и змиттером транзистора 2, наСТРОЕНа На ЧаСТОТу fnocn = fp3 И, СЛЕДОВаТЕЛЬ" но, эффективно выделяет эту частоту, препятствуя попаданию колебаний этой ча45 стоты на вход транзистора 2.

Соотношения (2)„,(5) позволяют связать между собой параметры элементов реактивной цепи. Действительно, разделив (5) на (3), получим

fnap 21р4 С(4 С(61

С Г4-У- (6) отсюда

55 (7) или

1795309

С(6) =3 С(4) (8) (9) 10

= — =(1,15...1,22) (14) Ствых = 2(Ст2 — Ст1) Определяя из (4) С (4), получим

С(4)—

4л2 (2 fp3) L(5) 16Л2(f315 — 3«) 1 (5) Подставляя (8) в (7), имеем

С (6)— (10) 16л2 (т315 — f311) L(5) Таким образом, при использовании эквивалентного кварцевого резонатора 14 и выборе параметров элементов реактивной цепи в соответствии с (10) в предлагаемом 20 пьезокварцевом преобразователе с частотнйм выходом возбуждаются некратные частоты f1 = f3«и fz = f315, зависящие от изМеряемой температуры следующим образом: 25

f1= 1311= 311 + Ст1(T — ТО): (11) f2 = f315 = f315 + Ст2 (T ТО) (12) гдЕ То — температура в реперной точке; 10

Ст1 — температурный коэффициент чувствительности моды 1311(CT» О); Ст2 — температурный коэффициент чувствительности моДы f315 (Ст2 < О). За счет нелинейности характеристики активного элемента — тран- 35 зистора 2 в выходном сигнале преобразователя помимо основных частот (311 и f315 имЕются комбинационные колебания 2fp3 =

=2(315 — f311) fp3 = f315 — f311. В качестве выходного колебания преобразователя ис- 40

Формула изобретения

Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом, содержащий усилитель с общим коллектором, фазирующие конденсаторы, первый иэ которых включен между базой и эмиттером транзистора, многомодовый термочувствительный кварцевый резонатор, включенный между базой и коллектором транзистора, последовательный LC-контур, катушка индуктивности и конденсатор которого подпользуется вторая гармоника разностной частоты fp3. которая зависит от температуры следующим образом твых = 2fp3 2(f315 — т311) =

-2(515 + Ст2(Т вЂ” ТО) — f311 — Ст1(Т вЂ” ТОН = 2((be — f311 ) +

+ (Ст2 Ст1)(Т TO)) = 2(315 — f3» ) + 2(Ст2 — Ст1)(Т вЂ” ТО) =

= 2fp3 + 2Стрз(Т вЂ” TO) = живых +

0 О

+ Ствых(Т вЂ” TO) (13) и которая эффективно выделяется параллельным контуром, состоящим из катушки индуктивности 6 и конденсатора 5. С учетом того, что для кварцевых резонаторов LCсреза справедливо следующее равенство результирующий коэффициент температурной чувствительности Ствых равен

= 2(-1,22Ст1 — Ст1) = -4,44Ст1 в значительно более широком по сравнению с прототипом диапазоне температур.

Следовательно, в предлагаемом преобразователе температурный коэффициент чувствительности составит 4440 Гц/ С в интервале температур 200 С. ключены соответственно к коллектору и эмиттеру транзистора, а общая точка их соединения через второй фазирующий конденсатор связана с коллектором транзистора, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых величин температур, в него введены два дополнительных последовательно соединенныхх многомодовых термочувствител ь- ных кварцевых резонатора, которые включены между базой и коллектором транЗистора.

1795309 чанг i.

4иГ З.

Ф г

Г г

FÁ Fm Fbi ZFP3

1

Г

> /

ФИГ 4.

Составитель Л.Рябкова

Техред M.Моргентал Корректор А.Обручар

Редактор 0,:,. енина

Заказ 424 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Г1роизводс глпнно-издательский комбинат "Г1атент", г. Ужсород, ул.1 л арина, 101