Устройство для измерения температуры Советский патент 1993 года по МПК G01K7/32 

Изобретение относится к температурный измерениям, в частности к контролю Температурных воздействий на исследуемый 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 двухча- стотный термочувствительный кварцевый резонатор, биполярный транзистор, резистор1 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 эмиттеру транзистора, выход высокочастотного кабеля - к блоку обработки частот и через нагрузочный резистор к источнику питания, элементы устройства на входе высокочастотного кабеля смонтиро: 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

XI

О

ел ы о

00

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 со.ответствующая 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 динамических сопротивлений кварцевого резонатора на 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 между :собой не более, чем на порядок (условия обеспечения устойчивого двухчастотного режима серийнопригодных автогенераторных преобразователей на одном активном элементе), как правило на практике не превышает 80-100°. Использование составных или многокаскадных активных элементов для повышения усилительных свойств схем и устойчивости двухчастотных режимов колебаний автоге- нераторных преобразователей приводит к усложнению устройств и увеличению теплового влияния активной части на термочувст- вительный кварцевый резонатор и, следовательно, 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, нагрузочный 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 нагрузочный 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 на основе выполнения следующих соотношений:

35

RA RKo, или ,

Кко

где RKO, Кка - 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 гармо- никового многомодового кварцевого резонатора LC или ПЯ - срезов. На фиг.З приведены температурно-частотные характеристики основного (ftn) и наиболее интенсивных ангармонических резонансов (fm, fi3i. fns) многомодового термочувствительного кварцевого резонатора.

Устройство для измерения температуры

содержит двухчастотный термочувствительный кварцевый резонатор 1, биполярный транзистор 2, резистор 3 выбора рабочей точки транзистора, первый и второй конденсаторы 4, 5 связи, параллельный колебательный 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 lfc-среза. Резонаторы этого типа, как и ре- зфнаторы АТ-среза, Y-среза и т.д. принадлежат к пьезорезонаторам с локализацией тфщинно-сдвиговых колебаний и являются мультимодными (многомодовыми) с интен- сйзными ангармоническими модами. На фйг,2 приведен типичный спектр колебаний кварцевого резонатора LC-среза, где А - айплитуда колебаний, fmnp частота моды колебаний, m, n, p - число стоячих полуволн (иЛи колеблющихся сегментов пластины) идрль оси у, х, г кварцевого резонатора, соответственно, fm (fi) - основное колебание, fm, ftsi, fm(f2}, fm- ангармонические обертоны кварцевого резонатора LC-среза, который может быть выполнен как герметизированным с гелиевым заполнением, работающим на основной частоте 5 МГц, так и вак;уумирОБЭнным, работающим на частоте 2б,| МГц по третьей гармонике (оба типа резонаторов серийно выпускаются отечественной промышленностью),

.Проведенные нами измерения темпера- тур о-частатных характеристик ОГЧХ) на основной f m и ангармонических модах fm, fi3i, fm. fi33 кварцевых резонаторов LC- срез.а показали, что ТЧХ ангармонических колебаний, как и в резонаторах АТ-среза, поворачиваются относительно ТЧХ на основной моде по часовой стрелке и имеют, как и основное колебание, линейные темпе- paryfpno-частотные характеристики, При этом, если основное колебание fm (fi) и блм айшие ангармонические f-лз, fisi имели положительный знак температурного коэффициента чувствительности (ТЧХ), то ангармонические моды fm, fi33. частоты которых примерно в 1.2 раза превышают частоту fm основного колебания, имели уже отрицательный знак ТЧХ. Наиболее интенсивным ангармоническим колебанием (с минимальным динамическим сопротивлением RK, всего лишь в 1,5-5 раз большим, чем на основном колебании) с отрицательным ТЧХ было колебание f us (Ь. На фиг.З приведены температурно-частотяые характеристики основного и наиболее интенсивных эгармо- нических колебаний кварцевого резонатора LC-сразз.

В предлагаемом генераторе благодаря наличию двухмодового термочувствительного кварцевого резонатора 1, включенного в частотно-задающую цепь двухчастотного

термозэвисимого генератора, возбуждаются колебания некратных частот fi и f2, близких к собственным резонансным частотам кварцевого резонатора 1 fin (fi). fm (h) и зависящих от температуры следующим образом

f 1 fю + CTf t(T - To),

f2 f20+CTf2(T-To).

где CTfi, CTf2 - коэффициенты чувствитель- ности на основной моде колебаний frn (fi) и энгармонической моде fns (f2) кварцевого резонатора LC-среза соответственно;

fio, Ьо резонансные частоты в репер- ной точке; То - температура реперной точки.

Проведенные нами испытания партии резонаторов LC-среза показали, что между коэффициентами термочувствительности CTFr CTfs на основном колебании fm (ft) и частоте fns (f2), соответственно, справедливо следующее соотношение

30

CTft f Crf

Составляющие токи транзистора 2 частот fi, Ъ., fp f 1 - f2 являются информационными и могут быть использованы в блоке 10 обработки частот. При этом информациоипая избыточность (наличие трех термозави- сммых частот при одном измеряемом параметре - температуре) может быть использована в блоке 10 для преобразования частот в цифру или уменьшения расчетным

путем погрешностей за счет нелинейности ТЧХ или действия на устройство дестабилизирующих факторов.

Емкостное сопротивление хсо статической емкости Со б пФ кварцедержателя

кварцевого резонатора на частоте 5 МГц хсо 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 дг-ухчастотных колебаний в устройстве-прототипе (без дополнительного резистора кварцевого резонатора) необходимо, чтобы

динамические сопротивления на основном RKO и ангармоническом RKa резонзнсах квар- цевого резонатора не превышали 500 Ом, Кроме того соотношение этих сопротивлений

NK R,3/RKo 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 последовательно с резонатором приводит к тому, что для такой цепи резонатор-резистор (эквивалентный резонатор) соотношение резонансных сопротивлений на основном ( + RA) и ангармоническом (Rxa + RA) резонансах определится

NK3 (RKa + Нд)/(Кко + Rd - (NK + 1)/2 (2)

Соотношение резонансных сопротивлений эквивалентного резонатора Мкэ 10 обеспечивается в более широком интервале соотношений М 19 соответствующих сопротивлений резонатора без дополнительного резистора. Такое NK 19 реализуется у резонаторов ПЯ-среза на 5 МГц в более широком интервале температур 170-200°. При

этом большее сопротивление резонатора RKa увеличивается до (RKa + RKS/NK), то есть не более, чем в 1.1 раза, а меньшее- до 2RKo и, следовательно, добротность на частоте основного резонанса уменьшается не более, чем в 2 раза.

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

приводит к тому, что этот контур оказывается размещенным вне измерительного объе- ма выносного пробника и, следовательно, диапазон измеряемых температур не определяет зону устойчивости двухчастотных колебаний автогенераторного преобразователя предлагаемого устройства и не ограничивается неустойчивостью двухчастотных режимов колебаний.

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.

Формула изобретения Устройство для измерения температуры, содержащее двухчастотный термочувст- вительный 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 эмиттеру транзистора, выход высокочастотного к абеля - к блоку обработки частот и через нагрузочный резистор к источнику питания, элементы устройства на .входе высокочастотного кабеля смонтированы в измерительном выносном пробнике, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых температур за счет повышения устойчивости двух- частотных 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:

д

+ RA nRKa ;

ИЛИТ

19,

где RKO. R«a динамические сопротивления двухчастотного термочувствительного кварцевого резонатора на основном и аиагармо- ническом резонансах соответственно;

RA - сопротивление дополнительного резистора.

L3

If |Vf ФУ.. Т5

ff11 Fl13 fm

Фиг. Z

fus

iff

Фиг.1

AL F

% f «,%

Фиг. 3