Пьезокварцевый преобразователь температуры в частоту Советский патент 1990 года по МПК G01K7/32 

Изобретение относится к области температурных измерений, а именно к устройствам цля измерения температуры с помощью пьезокварцевых термопреобразователей, и может быть использовано при построении телеметрических систем контроля температурных воздействий на исследуемый объем.

Целью изобретения является увеличение чувствительности и повышение точности преобразования

На фиг„ 1 приведена схема преобразователя; на фиг. 2 - типичный спектр частот кварцевого резонатора LC-среза вблизи основной частоты, обусловленный ангармоническими колебаниями сдвига по толщине; на фиг. 3 - темпе- ратурно-частотные характеристики основного и интенсивных ангармонических колебаний кварцевого резонатора LC-среза; на фиг. 4 рафики зависимости частот f, (i 1,3), f p, d 1,3) и выходного колебания fp0 преобразователя от температурьь

Преобразователь содержит генератор, выполненный по схеме емкостной трехточки, включающий в себя транзистор 1, конденсаторы 2 и 3 связи, нагрузочный резистор 4, одночастотный кварцевый термочувствительный резо-

00

со

натор 5, первый конденсатор 6, двух- частотны№ кварцевый термочувствительный резонатор 7 с температурными коэффициентами разных знаков, выходной RC-фильтр 8 нижних частот, второй конденсатор 9, эмиттерный повторитель 10, включающий в себя транзистор 11, резисторы 12 и 13 для задания режима работы транзистора и нагрузоч- ный резистор 14, резистор 15 и блокировочный конденсатор 16 для шунтирования по высокой частоте источника питания (источник питания не показан)

Преобразователь работает следующим образом.

В преобразователе используются два кварцевых резонатора 5 и 7 LC-cpe за, обладающих линейными температур- но-частотными характеристиками, кото- рые, как и резонаторы АТ-среза, являются мультимодными (многомодовыми) с интенсивными ангармоническими модами. Резонаторы этого типа, как и резонаторы АТ-среза, Y-среза и т.д., принадлежат к пьезорезонаторам с локализацией толщинно-сдвиговых колебаний.

На фиг. 2 приведен типичный спектр колебаний для резонаторов LC-среза, как герметизированных с гелиевым заполнением, работающих на основной частоте 5 МГц, так и высокодобротных в стеклянных вакуумированных баллонах работающих на частоте 5 МГц по третьей гармоникео На этом графике 5 - амплитуда колебания, fmnp частота колебания, m, n и р - числа стоячих полуволн (или колеблющихся сегментов пластины) вдоль осей Y| X и Z квар- цевого резонатора соответственно,

Проведенные измерения температур- но-частотных характеристик (ТЧХ) на основном колебании и ангармониках кварцевых резонаторов LC-среза показали, что ТЧХ ангармонических колебаний, как и в резонаторах АТ-среза, поворачиваются относительно ТЧХ на основном колебании по часовой стрелке (фиг. 3) и имеют, как и основное колебание, линейные ТЧХ. При этом, если основное колебание f «1 и ближайший ангармоники f щ и f «t имею 11оло- жнтельный знак коэффициента температурной чувствительности, то ангармо нические моды f И5 13Э и Т«Д- частоты которых превышают в 1,2 раза частоту основного колебания, имеют

,

уже отрицательный коэффициент температурной чувствительности. Наиболее интенсивным ангармоническим колебанием (с минимальным динамдческим сопротивлением RJ,, всего лишь в 3-5 раз большим R на основном колебании), имеющим отрицательный коэффициент температурнок чувствительности, является колебание , частота которого для различных резонаторов в 1,22- 1,24 раза превышает частоту основного колебания.

Исследования показали, что в кварцевых резонаторах LC-среза имеется возможность управлять разносом основного колебания и ангармониками по частоте, их добротностью, а также величинами и знаками коэффициентов температурной чувствительности на основном колебании и ангармонических модах путем изменения геометрии резонатора и электродов кварцевого резонатора.

В описываемом преобразователе возбуждаются колебания некратных частот f(, fi и f3, близких к собственным резонансным частотам кварцевых резонаторов 5 и 7 и зависящих от измеряемой температуры следующим образом:

f; + if.T - т0)

f

Ю

ст; (т Т0),

i 1,3, (1)

где TO - температура в реперной точке;

0

5

CT ЭХ;

Ј

ЭХ;

т -i

; Ј;3т;

«о

-коэффициент термо- чувствительности;

-температурный ко- эфЛициент частоты

f;;

-частоты кварцевых резонаторов в реперной точке

Частоты Ј и fa стабилизируются резонансными частотами кварцевого резонатора 7, т0ес частотой основного обертона f,m с положительным коэффициентом температурной чувствительности СTI и частотой интенсивного ангармонического обертона f ,6 с отрицательным коэффициентом температурной чувствительности С Тг соответственно. Частота fэ определяется резонансной частотой кварцевого резонатора 5 и имеет положительный температурный

5158

коэффициент температурной чувствительности Ст о

Ввиду нелинейной характеристики транзистора при работе генератора в трехчастотном режиме (в режиме воз- буждения трех кварцованных частот Ј, f и Ј3) в спектре коллекторного тока транзистора существуют комбинационные колебания частот f milk +mf + i nf + kf 3. Наиболее интенсивными из них оказываются низкочастотные составляющие низкого порядка р m + n + , т.е. разностные составляющие частот

f Pi f г fi f - f -ft rpz. r ri

.рз :PP

Ј3 - f, ;

f p2. f Dl

(2)

На фиго 4 показаны типовые зависимости частот f,, f, Јъ, fp( , fp2, f рз и fpp от температуры Т при предположении, что ..

Устойчивость трехчастотного режима кварцованных колебаний частот Ј Ј2 и f3 обеспечивается за счет того, что для наиболее интенсивных разностных комбинационных колебаний (2) в генераторе введена дополнительная нерегенерирующая положительная обратная связь, реализованная эмиттерным повторителем 10, подключенным к эмиттеру транзистора генератора через конденсатор 9 и к базе транзистора генератора через резистор 15. Цепь дополнительной обратной связи имеет такую полосу пропускания, что пропускает с эмиттера на базу транзистора генератора все наиболее интенсивные комбинационные составляющие (2). При этом фазовый набег по кольцу обратной связи для этих колебаний равен нулю, так как в кольцо последовательно включены два эмиттерных повторите- ля. Самовозбуждение этих колебаний невозможно, так как коэффициент усиления кольца k «Ј 1. При возбуждении колебаний частот f,, f,z и Ј3 появляются комбинационные колебания частот fp,, fp2, f p3 и fpp, энергия которых вносится в кольцо дополнительной обратной связи и делает его регенерирующим. Возбудившиеся колебания синхронизируются о частоте частотами fpt fpz fp f pp комбинационных колебаний и стимулируют устойчивую генерацию трех кварцог.анных колебаний частот f,(, Ј4. и fa

36

В области нижних частот частота- среза полосы пропускания цепи обратной связи определяется Г-образным RC-фильтром верхних частот, состоящим из конденсатора 9 и резисторов 12 и 13 базового делителя эмиттерного повторителя. В области верхних частот частота среза полосы пропускания цепи дополнительной положительной обратной связи определяется Г-образным RC-фильтром нижних частот, состоящим из резистора 15 и статических емкостей кварцевых резонаторов

В качестве выходного колебания преобразователя используется колебание с частотой

РР

fp2- fp,- f + f, - 2f2. (3 При обеспечении требования f pp « f ,э выходное колебание частоты f pp эффективно фильтруется простыми средствами - RC-фильтром 8 нижних частот.

Уходы частот oft, Јf Q, и S f 3, обусловленные дестабилизирующими и информационным (температурой) факторами, вызывают уход частоты

Sfpp &Јэ + frf, - f Јf2.(4)

С учетом (1) температурные уходы

Јf;(T) СТ;-АТ, i Г73,(5)

где Ст, -У 0, СТг 0, .

При /CTl/ /CTJ« /CT,J Ст с учетом (4) и (5)

&fpp 4C--UT.(6)

Уходы частот f (, Ј2 и f3 за счет дестабилизирующих факторов (ДФ), определяющих режимную и кратковременную нестабильность, т.е. за счет шумов активного элемента, изменений напряжения источника питания и т.д., имеют Одинаковый знак, поэтому

Г

&ЈрР(ДФ) ) + frf,C№ - - 2БГа(ДФ),(7)

Меняя чувствительность частоты f 3 к дестабилизирующим факторам, например, изменяя емкость конденсатора 6, можно обеспечить выполнение следующего равенства:

2&Ј2(ДФ) Ј5(ДФ) + Ј,(ДФ), (8)

при котором с учетом (7)

ЈЈрр(ДФ) 0.

(9)

Увеличение информационных уходов (6) частоты fpp и уменьшение ее уходов (9), вызванных дестабилизирующим факторами, в конечном итоге приводят к увеличению чувствительности преоб- разователя, причем реальный выигрыш достигает (40-100) относительно преобразователей с одним термочувствительным резонатором.

Повышение точности преобразования происходит как вследствие увеличения чувствительности преобразователя, так и вследствие уменьшения дрейфа нуля из-за старения пьезореэонаторов. Так как выходным колебанием преобразователя является разностно-разност- ная частота fpp (f - f) - (f - - f 4 ) , то уходы нуля взаимно компен- сируютсяо

Изобретение относится к области температурных измерений, а именно к устройствам для измерения температуры с помощью пьезокварцевых термопреобразователей, и может быть использовано при построении телеметрических систем контроля температурных воздействий на исследуемый объем. Сущность изобретения: с целью увеличения чувствительности и повышения точности преобразования, выход эмиттерного повторителя подключен через резистор к базе транзистора, один из кварцевых резонаторов выполнен двухчастотным с температурными коэффицентами разных знаков, а первый конденсатор включен последовательно с другим одночастотным кварцевым резонатором. 4 ил.

1П

т 731

Физ.1

Фиг. г

%

Г733

Уш

фиг.д

fiiJPi jpp

Jj11

- 2Л/Я;

Зц$

44/pp

Фиг. Ц