Пьезокварцевый преобразователь температуры Советский патент 1992 года по МПК G01K7/32 

«

fe

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 фа- зирующ-ий конденсатор 4 соединена с кол- лектором транзистора 2. Параметры реактивных элементов связаны определенным соотношением. Это позволяет обеспечить в ППТдвухчастотный режим и повысить крутизну преобразования 4 ил.

si

ч о

VI

Фиг. i

Изобретение относится к технике температурных измерений

Цель изобретения - повышение точно- с ти измерения путем увеличения крутизны преобразования.

На фиг,1 представлен пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом; на фиг.2 - типичный спектр гар- моникового многомодового кварцевого резонатора LC-среза; на фиг 3 - темпера- турно-частотные характеристики основного (ftu), гармонического (fan) и наиболее интенсивных ангармонических обертонов гар- моникового 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-среза на частотной оси,

Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом содержит усилитель 1, выполненный на транзисторе 2 с общим 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, много- модовый термочувствительный кварцевый резонатор 7, включенный между базой и коллектором транзистора, нагрузочный резисторе, резмстивный делитель, состоящий из резисторов 9 и 10, и блокировочный конденсатор 11.

Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом работает следующим образом.

В преобразователе используетсяф мно- гомодовый термочувствительный гармо- никовый кварцевый резонатор Y-среза или LC-среза. Резонаторы этого типа, как и резонаторы АТ-среза, принадлежат к пьезорезонаторам с локализацией тол- щинно-сдвиговых колебаний и являются мультимодными с интенсивными ангармоническими модами. На фиг,2 приведен типичный спектр колебаний гармоникового кварцевого резонатора LC-среза, где А - отношение- динаммческих сопротивлений на основном колебании и соответствуюа1ий гармонической или ангармонической моде; fmnp - частота моды колебаний, т,л,р - число стоячих полуволн (или колеблющихся сегментов пластины) вдоль осей у,х,г кварцевого резонатора соответственно; fin - основное колебаниие; f из, f 131, fm - ангармонические обертоны основного колебания, fan -третья гармоника основного колебания; fsi3, f33i, fais - 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 двухчастотно

режиме колебания некратных частот fi и fa, близких к собственным резонансным частотам третьей гармоники fan с положительным температурным коэффициентом частоты и ее ближайшей интенсивной ангармоники fai5 с отрицательным температурным коэффициентом частоты кварцевого резонатора 7 при наличии в нем также интенсивных мод основного колебания fm и ангармоник fm, fi3i, fn5. Устойчивость

двухчастотного режима в преобразователе обеспечивается за счет подавления основного колебания fm и его ангармоник fm, fiai, fns. Это осуществляется подавление благодаря включению между коллектором и

эмиттером транзистора 2 реактивной цепи, состоящей из последовательно соединенных конденсатора б и параллельного контура, включающего катушку 5 индуктивности и конденсатор 4. Если частоту последовательного резонанса

тосл

+C2

0)

35

этой реактивной цепи выбрать равной разности ЧаСТОТ fp3 f315 f311,T.e.

fncrai fpa f315 - f 311

1

2лг%/ЦС1С+С2 а частоту параллельного резонанса

(2)

пар :

(3)

этой реактивной цепи выбрать равной удвоенной разности частот fp3 fsis - fsn. т е.

fnap 2fp3 2(f315 - f311) 7

1

2rcVi C2

-.(4)

то резонансная характеристика такой реактивной цепи на частотной оси с модами термочувствительного кварцевого резонатора на частоту f0 26,5 МГц будет выглядеть согласно фиг,4.

Из фиг.4 следует, что между частотами fps и 2fp3, где расположены основные колебание ft 11 и его ангармоники fm, fiai, fns,

реактивная цепь носит индуктивный характер, и, следовательно, для этих частот в преобразователе на базе емкостного трехточечного генератора не будут выполняться фазовые соотношения и эти частоты возбудиться не смогут. Для частот третьей гармо- ники fan и ее интенсивной аигармоники fais, как видно из фиг,4, указанная реактивная цепь носит емкостный характер, и, следовательно, для этих частот фазовые соотношения выполняются и необходимое условие обеспечения двухчастотных колебаний преобразователя имеет место. Достаточное условие существования двухчастотных колебаний в преобразователе на частотах fan и fai5 обеспечивается подавлением на входе нелинейного активного элемента - транзистора 2 разностной частоты fp3 f3is - fsn с помощью все той же реактивной цепи, состоящей из конденсаторов 4 и б и катушки 5 индуктивности.

Соотношения (1)- (4) позволяют связать между собой параметры элементов реактивной цепи. Действительно, разделив(4) на(2), получают

2 -

CLC+C2

F

С2

отсюда

4

CLC + С2 С2

или

CLC ЗС2

Определяя Са из (4), получают

1

1

2 4Ji2(2fp3)2L 1(f3i5-fan)2L Подставляя (8) в (7), получают

CLC

l6(f315-f31l)2L

Таким образом, при выборе параметров элементов реактивной цепи в соответствии с (9) в предлагаемом пьезокварцевом преобразователе с частотным выходом возбуждаются некоторые частоты fi fan и fa fats, зависящие от измеряемой температуры следующим образом:

fi-f3it f°3H + CTi(T-To); (Ю)

f2 f315 f°315+CT2CT-To), 01)

где То - температура в реперной точке;

Ст1 - температурный коэффициент чувствительности моды f3n();

Ст2 - температурный коэффициент чувствительности МОДЫ Т315().

За счет нелинейности характеристики активного элемента - транзистора 2 в выходном сигнале преобразователя, помимо

5 основных частот fan и fais, имеются комбинационные колебания 2fp3 2(fais - fan), fpa fais - fail. В качестве выходного колебания п рёоВразователя используется вторая гармоника разностной частоты трз

10 которая зависит от температуры следующим образом:

feb.x 2fp3 2ff3is - fan) 2 f°3i5 + + CT2 (T-To) - Гаи - CT1 (T-To)

(f°315 - f°31l) + (Ст2 + Crl) (T-To)

2(f°315 - f°31l) + 2(Ст2 - Ст1) (T-To)

2f°p3 + 2Стрз (T-To) 2(f°3i5 - f°3i i) + + 2(CT2-CTi)(T-To) 2f0p3 + 2СтРз (T-To) f°Bblx + Ствых (T-To) (12) 20

и которая эффективно выделяется параллельным контурбм, состоящим из катушки б индуктивностии конденсатора 5 С учетом того, что для кварцевых резонаторов LC- 25 среза справедливо следующее равенство1

( 1i22). (13)

Т311Ст1

30 результирующий коэффициент темпеоатур- ной чувствительности Ствых равен

35

Ствых 2(Ст2 - Ст1) -Ст1) -4,44Ст1

2(-1,22 СТ1

Для гармоникового термочувствительного кварцевого резонатора на частоту 26,5 МГц по третьей гармонике температурный коэффициент чувствительности Ст1

40 1000Гц/°С.

Следовательно, в предлагаемом преобразователе температурный коэффициент чувствительности составляет 4440 Гц/°С. Таким образом, существенно повышена

45 крутизна характеристики преобразования благодаря использованию 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 fan и fais и к компенсации этих уходов в выходной частоте, используется двухчастотный режим, что

55 резко улучшает спектральный состав на выходе устройства.

Формула изобретения Пьезокварцевый преобразователь температуры, содержащий усилитель на транзисторе, включенном по схеме с общим

коллектором, первый фазирующий конденсатор, включенный между базой и эмиттером транзистора, второй фазирующий конденсатор,многомодовый термочувствительный кварцевый резонатор, включенный между базой и коллектором транзистора, и последовательный LC-контур, включенный между эмиттером и коллектором транзистора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения путем увеличения крутизны преобразования, точка соединения атушки индуктивности и конденсатора последовательного LC-контура связана с коллектором транзистора через

второй фазирующий конденсатор при этом параметры реактивных элементов выбраны из условия

3

CLC 3 С2

-f31l)2L

где fan и fais - гармонический и ангармонический обертоны многомодового термочувствительного кварцевого резонатора;

CCL и L - емкость и индуктивность элементов LC-контура,

С2- емкость второго фазирующего конденсатора.

Фиг 4