Пьезокварцевый преобразователь температуры Советский патент 1993 года по МПК G01K7/32 

ГС

ф

I

. jj 1

Пьезокварцевый преобразователь температуры. Сущность изобретения: устройство содержит усилитель 1 на транзисторе 2, два фазирующих конденсатора 3, 4, много- модоный 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, многомо- довыР 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 эпе- мёнтов выбраны из условия CLC ЗС4 - . б .(f3i5-f3ri)2L, где fan и f3i5-4ac;roTbi гармо-.1 нического и ангармонического обертонов многомодового термочувствительного (вар- цевого резонатора; CLC и L - емкость и ин- дуктивнос 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

Q)i/tf

Изобретение относится к области температурных измерений, в частности к устройствам контроля температурных воздействий на исследуемый объект и является усрвёршенстврванием известного пьеэок- варцёвогр 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, многомодовый термочувствительны и кварцевый резонатор, включенный между базой и коллектором транзистора, и последовательный LC-кон- тур, включенный между эмиттером и коллек- тором 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

CLC ЗС4

16arz(f3i5-f3H.)zL

где fail и f3i5 - частоты гармонического и ангармонического обертонов многомодово- го термочувствительного кварцевого резонатора;

CLC и L - ёмкость и индуктивность элементов LC-контура;

Сд - емкость второго фазирующего конденсатора.

К недостаткам этого устройства следует отнести то, что зоны устойчивости двухча- стотного режима колебаний по напряжению источника питания составляют 2...30 В. При этом, если возникает необходимость работы преобразователя температуры в одноча- .стотном 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 невозможности использования преобразователя без дополнительного усиления выходного колебания и, в конечном итоге, к сужению круга функциональных возможностей.

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 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, причем точка соединения катушки индуктивнрсти и конденсатора последовательного LC-контура связана с коллектором транзистора через второй фазирующий конденсатор, при этом параметры реактивных элементов выбраны из условия

С LC 3Gj ---5---------IT- 167r2(f315-f31l)2L

введен ключ, включенный между катушкой индуктивности и коллектором транзистора, при этом сопротивление ключа в замкнутом состоянии выбрано не превышающим

Ркл:мэ кс L/10,

где Ркл.макс - максимально допустимое сопротивление замкнутого ключа;

fp T315 - fan - частота разностного колебания; ,

L - индуктивность LC-контура.

Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом представлен на фиг, 1; на фиг. 2 приведен типичный спектр гармоникового много.модового кварцевого резонатора LC-среза; на рис. 3 приведены температурно-частотные характеристики основного (fin), гармонического (fsn) и наибо- лееинтенсивных ангармонических обертонов гармоникового многомодового 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 эмиттером транзистора, второй фазирующий конденсатор 4, многомодовый термочувствительный кварцевый резонатор 5, вклю-. ценный 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.

f пар 2fp3 2 ( f315 - T311 )

то резонансная характеристика такой реак- тивной цепи на частотной оси с модами термочувствительного кварцевого резонатора на частоту fo 25,6 МГц выглядит согласно фиг, 4. .... N ...;.-

Из фиг. 4 следует, что между частотами fp3 и 2fp3. где расположены основное колебание fm и его ангармоники fm, fi3i, fris, реактивная цепь носит индуктивный характер, следовательно, для этих частот в преобразователе на базе емкостного трехточечного генератора не выполняются фазовые соотношения и эти частоты возбудиться не могут. Для частот третьей гармоники fai 1 и ее интенсивной ангармоники тз15, как видно из фиг. 4, указанная реактивная цепь носит емкостной характер, следовательно, для этих частот фазовые соотношения выполняются и необходимое условие обеспечения двухчастот- ных колебаний преобразователя имеет место. Достаточное условие существования двухчастотных колебаний в преобразрвате- ле на частотах тзп и fsis обеспечивается подавлением на входе нелинейного активного элемента - транзистора 2 разностной частоты fp3. fais - fan с помощью все той же реактивной цепи, состоящей из-конденсатора 4 и элементов LC-контура 6.

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

гг п ,--,V CLG -ЬС4 С4

отсюда

„ С L с + С4

4--el-

(6)

или

CLC-3C4.(7)

Определяя из выражения (4) С4. получим 1 1

С4

47T2(2f)2L 16jr2(f3i5-f3ll)2L

®

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

3

CLC

16 JT2(f315-f31l)2L

. (9)

5

10 1520 25 30 35

40

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 fi fan и h his. зависящие от измеряемой температуры следующим образом:

fi f3ii f°3ii + CTi(T-To):

f2 f315 t°315 + СТ2 П - То),

где Т - температура в реперной точке: CTI - температурный коэффициент чувствительности моды. fan (Ст1 0); Ст2-температурный коэффициент чувствительности моды f3i5 (Ci2 0). За счет нелинейности характеристики активного элемента - транзистора 2 в выходном сигнале преобразователя помимо основных частот fail и fsis имеются комбинационные колебания 2fp3 2 (fsis - fail), fpa f3T5 - fsn. В качестве выходного колебания преобразователя используется вторая гармоника разностной частоты fp3, которая зависит от температуры следующим образом:

febix 2fp3 2(f315 - f311) 2 f°315 + + Ста (Т- То) - f°3H - CTI CT.-TO)

2(f°315- f°311) + (CT2 - CT1) fT - To) 2 (f°315 - f°31l) + 2 (CY2 - Сл) (T-T0) 2f°p3 + 2Стрз (Т - То) f°B«x + + Ст.вых (Т - То)

и которая эффективно выделяется параллельным контуром, состоящим из катушки индуктивности и конденсатора 4. С учетом того, что для кварцевых резонаторов LC- среза справедливо следующее равенство:

СТ2 .

cW

:(1,15... 1,22 ).

результирующий коэффициент температурной чувствительности равен

Ст.вых 2 (Ст2 - CTI) 2 (-1,22 Си - Сц) «-4,44 CTI.

Для гармоникового термочувствительного кварцевого резонатора на частоту 26,5 МГц по третьей гармонике температурный коэффициент чувствительности Си 1000 Гц/с.

Следовательно, в предлагаемом преобразователе температурный коеффициент чувствительности составит 4440 Гц/с.

При размыкании ключа7 цепь, включен- на я между коллектором и эмиттером тран- зи стора и содержащая конденсатор 4 и конденсатор LC-контура б, носит емкостный хаэактер, и в устройстве возбуждается од- ночастотное колебание основной моды fm кварцевого резонатора.

Таким образом, в зависимости от состоJ

яния ключа 7 в предлагаемом устройстве

J ф р р м у л а и з о б р е т е н и я Пьезокварцевый преобразователь тем- пУратуры, содержащий усилитель на тран- зи сторе, включенном по схеме с общим коллектором, первый фазирующий конденсатор, включенный между базой и эмиттере м транзистора, второй фазирующий конденсатор, многомодовый термочувстви- тепьный кварцевый резонатор, включенный между эмиттером и коллектором транзистора, и последовательный LC-контур, включенный между эмиттером и коллектором транзистора, о Т ли чающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения области применения, в него введён ключ, включенный между коллектором транзистора и катушкой индуктивности, точка которой с конденсатором последовательного LCФиг.2.

возможны режим многомодовых и режим одночастотных колебаний, следовательно, расширяются функциональные возможности устройства, оказывается возможным использовать такой пьезокварцевыи преобразователь температуры в одно- частотных и двухчастотных измерителях температуры с цифровым и частотным выходом.

крнтург связана с коллектором транзистора через второй фазирующий конденсатор, при этом максимальное сопротивление замкнутого ключа R кл макс. 2 яfp L/10 .апара- метры реактивных элементов удовлетворяют условию/ Ч: . :

20

CLC ЗС4

(f3i5-f3n)L

где fp - частота резонансного колебания;

СА - емкость второго фазирующего конденсатора;

Cic,L - емкость и индуктивность катушки LC-контура;

fail.. .5. - гармонический и ангармонически обертоны многомодового термочувствительного кварцевого резонатора.

Фиг.З

фи&4

--- /Г