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

Изобретение относится к области тем- пейатурных измерений, а именно к устройствам для контроля температурных воздействий на исследуемый объект.

Известны устройства для измерения теМпературы с двухчастотными автогенера- тор|ными преобразователями и двухчастот- ныфи термочувствительными кварцевыми резрнаторами, из которых наиболее близ- киМ по технической сути к предлагаемому изобретению является пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом, содержащий усилитель с общим коллектором, фазирующие конденсаторы, первый из 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; подключены соответственно к коллектору и эмиттеру транзистора, а общая точка

их соединения через второй фазирующий конденсатор связана с коллектором транзистора.

Недостатком указанных устройств является ограниченный диапазон измеряемых температур, что обусловлено неравномерностью зависимостей динамических сопротивлений RK и Рка кварцевого резонатора на основном и ангармоническом резонансах от температуры. Причем указанная неравномерность двояким образом сказывается на условиях обеспечения устойчивого двухча- стотного 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 RKa на ангармоническом резонансе не превышало (150...300) Ом во всем диапазоне температур. Во-вторых, если первое условие выполняется, для обесел С

j

ч

ел

CJ

о о

печения устойчивого двухчастотного режима необходимо, чтобы отношение динамиR ка

ческих сопротивлений Б- во всем диапазоне не превышало порядка. В устройст- ве-прототипё одновременное выполнение этих двух условий для серийно выпускаемых отечественных кварцевых термочувствительных резонаторов затруднено. Поэтому на практике диапазон измеряемых темпера- тур в пьезокварцевом преобразователе ограничен 80...100 градусами.

Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых величин температур.

Поставленная цель достигается тем, что в пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом, содержащий усилитель с общим коллектором, фазирующие конденсаторы, первый из которых включен между базой и эмиттером транзи- стора, многомодовыйтермочувствительный кварцевый резонатор, включенный между базой и коллектором транзистора, последовательный LC-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 соединен- ных многомодовых термочувствительных кварцевых резонатора, которые включены между базой и коллектором транзистора.

Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом представ- лен на фиг.1. На фиг.2 приведен типичный спектр гармоникового многомодоврго кварцевого резонатора LC-среза; на фиг.З - тем- перзтурно-чзстотные характеристики основного (fni), гармонического (fan) и наи- более интенсивных ангармонических обертонов гармоникового многомодового кварцевого резонатора LC-среза; на фиг.4 - резонансная характеристика реактивной цепи, включенной между коллектором и эмиттером транзистора, и расположение гармоник и ангармоиик кварцевого резонатора LC-среза на частотной оси.

Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом 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 термочувствительный кварцевый резонатор 7, включенный между базой и коллектором транзистора, нагрузочный 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 измеряемой температуры.

Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом работает следующим образом. В преобразователе используется набор многомодовых термочувствительных гзрмониковых кварцевых резонаторов Y-среза или LC-среза (например, серийно выпускаемый в СССР кварцевый резонатор с fo 26,5 Мгц). Резонаторы этого типа, как и резонаторы АТ-среза, принадлежат к пьезорезонаторам с локализацией толщинно-сдвиговых колебаний и являются мультймодовьгми с интенсивными ангармоническими модами. На рис. 2 приведен типичный спектр колебаний гармоникового кварцевого резонатора LC-среза, где А - отношение динамических сопротивлений на основном колебании и соответствующей гармонической или ангармонической моде; fmnp - частота моды колебаний; m, n, p - число стоячих полуволн (или колеблющихся Сегментов пластины) вдоль осей Y1, X, Z1 кварцевого резонатора соответственно; f i ц - основное колебание; fm. fisi. fits ангармонические обертоны основного колебания; fan - третья гармоника основного колебания; faia, fssi, fsis ангармонические 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 отечественной промышленностью).

Проведенные нами измерения темпера- турно-частотных характеристик (ТЧХ) на основной fin, гармонической fan и ангармонических модах 1цз, fm, fus, faia, f33i. fais гармоникового резонатора LC-среза показали, что ТЧХ ангармонических коле- баний, как и в резонаторах АТ-среза, поворачиваются относительно ТЧХ на основной моде или ТЧХ на гармонике соответственно по часовой стрелке и имеют линейные температурно-частотные характеристики. При этом, если основное колебание fm и его ближайшие ангармонические моды fns, fiai. а также гармоника fan и ее ближайшие ангармоники faia, faai имели положительный знак температурного коэффициента чувствительности (ТКЧ). то ангармонические моды fits и fais соответственно, частоты которых в 1,15.., 1,22 раза превышали частоту основного колебания f n 1 и частоту fan третьей гармоники соответственно, имели уже отрицательный знак ТКЧ (рис. 3). Наиболее интенсивными ангармоническими колебаниями (с динамическими сопротивлениями в 3...10 раз большими, чем динамические сопротивления на основном колебании fin и третьей гармонике fan) с отрицательным ТКЧ были соответственно колебания f 115 и fais.

В предлагаемом пьезокварцевом преобразователе температуры с частотным выходом необходимо возбудить в двухчастотном режиме колебания, некратных частот ft и Т2, близких к следующим собственным резонансным частотам эквивалентного кварцевого резонатора 14: частоте третьей гармоники fan с положительным температурным коэффици- JSHTOM частоты и ее ближайшей интенсивной ангармонике fais с отрицательным температурным коэффициентом частоты. При этом Необходимо учитывать, что в спектре как кварцевого резонатора 7, так и в спектре резонаторов 12 и 13, так и, наконец, в спектре эквивалентного кварцевого резонатора 14 присутствуют интенсивные моды основного колебания fin и его ангармоники fna,

fl31, fl15Устойчивость двухчастотного режима генерации в предлагаемом устройстве в широком диапазоне измеряемых температур обеспечивается благодаря выполнению четырех условий..

Во-первых, во всем диапазоне измеряемых температур динамические сопротивления эквивалентного кварцевого резонатора 14, включающего смешанное последовательно-параллельное соединение резонаторов 12, 13 и 7, не должно превышать как на моде fan, так и на моде fais величины 300 Ом.

Во-вторых, во всем диапазоне измеряемых температур отношение динамических сопротивлений Рка/Рк соответственно мод fais и fan не должно превышать одного порядка.

В-третьих, устойчивость двухчастотного режима обеспечивается за счет подавления основного колебания fm и его ангармоник fna, fiai, fns.

И, наконец, в-четвертых, устойчивость двухчастотного режима обеспечивается подавлением на входе нелинейного активного элемента - транзистора 2 - колебаний разностной частоты fpa fais - fan.

Поясним, как выполняется каждое из этих условий. На практике в партии кварцевых резонаторов, как правило, присутствуют две разновидности КР - по зависимости 5 RK и Rка мод fan и fais от температуры и по зависимости их отношений Рка/Рк от температуры. Первая разновидность КР такова, что у них динамическое сопротивление Рка на моде fais превышает при некоторых тем0 пературах величину (150...300) Ом, но отношение Рка/Рк на этих модах меньше 10. Другая разновидность КР такова, что у них, наоборот, динамическое сопротивление Рка на моде fais во всем диапазоне температур

5 не превышает величину (150.,.300) Ом, однако отношение Рка/Рк 10 на модах fais и fan не выполняется при некоторых значениях температуры.

Необходимость выполнения условия

0 Яка (150...300) Ом объясняется следующим образом. Емкостное сопротивление Хсо статической емкости КР Со(2...4) пФ на частоте 26,5 Мгц имеет величину Хсо(1500...3000) Ом. Наиболее эффективно

5 используются резонансные свойства мод кварцевого резонатора в том случае, когда динамическое-сопротивление резонатора меньше Хсо. Кроме того, увеличение динамического сопротивления приводит к

0 уменьшению эквивалентного сопротивления Рэ колебательной системы кварцевого генератора и при прочих равных условиях - к невыполнению уравнения баланса амплитуд Scp Кос Рэ 1, где Scp - средняя крутиз5 на нелинейного активного элемента (транзистора 2), а Кос - коэффициент обратной связи.

Необходимость выполнения условия RKB/RK 10 объясняется тем, что в против0 ном случае колебания разностной частоты fp3 fais- fan, которые являются продуктом нелинейного преобразования частот fan и fats на нелинейном активном элементе, оказываются недопустимо малой амплитуды.

5 Применение эквивалентного кварцевого резонатора 14, включающего последовательно включенные резонаторы 12, 13 и параллельно подключенный к ним резонатор 7. позволяют выполнить первые два ус0 ловия обеспечения устойчивости двухчастотных колебаний. Выбирая резонаторы 12, 13 первой разновидности, т.е. такие, у которых Рка на моде fais превышает величину (150...300) Ом, а отношение

5 Рка/Рк 10, и включая их последовательно, мы тем самым улучшаем отношение по сравнению с этим же отношением для худшего из резонаторов.

Подключая параллельно этому последовательному соединению резонаторов 12, 13

кварцевый резонатор 7 второй разновидности, т.е. такой, у которого динамическое сопротивление Вка на моде fsis не превышает (150...300) Ом во всем диапазоне температур, а отношение Нка/Р к 10 не выполняется при некоторых температурах, мы добиваемся у эквивалентного резонатора выполнения обоих условий: Нка (150...300) Ом и RKS/RK. 10. Происходит это потому, что при параллельном соединении КР имеют место равенства, т.е. оба(ее сопротивление меньше меньшего

RK 7RK

12,13

RK2: p:K7+RK12.13

R ка 7 R ка12 13 R кз 7 4- R ка 1213

R KaS

где RKZ, RscaS - соответственно суммарное динамическое сопротивление эквивалентного кварцевого резонатора на модах fsn и fsis; RK7, RKa7 - динамическое сопротивле- резокатора 7 на модах fan и fsis; Rk12 13, Т2.13 эквивалентное динамическое сониеНкз

противление последовательно соединенных резонаторов 12 и 13.

Третье условие обеспечения устойчивости двухчастотного режима заключается в подавлении основного колебания fin эквивалентного резонатора 14м его ангармоник fm, f 131 и fug. Осуществляется это подавление благодаря включению между коллекторе и эмиттером транзистора 2 реактивной цепи, состоящей из последовательно соединенных конденсатора б и параллельного контура, включающего катушку индуктивности 5 и конденсатор 4. Если частоту последовательного резонанса

и

1

I ПОСЛ

2ял/Ц5)(С(4) + С(6)

- (2)

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

fnocn. fp3; f315-f311 1

-vr

(3)

27rVL(5)C(4) + C(6)3 частоту параллельного резонанса 1

пар

-2лгЧ7()Т

(4)

этой реактивной цепи выбрать равной удвоенной разности частот fps fsis - fan, т.е.

fnap 2fp3 2(fsi5 - fan)

1 2 n Ц5) - С (4)

(5)

10

15

20

25

30

35

40

45

50

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.

Из рис. 4 следует, что между частотами fp3 и 2fp3, где расположены основное колебание fm и его ангармоники fm, fisi, 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 же третьей гармоники fsn и ее интенсивной ангармоники fsis, как видно из рис. 4, указанная реактивная цепь носит емкостной характер, и, следовательно, для этих частот фазовые соотношения выполняются и необходимое условие обеспечения двухчастот- ных колебаний преобразователя имеет место.

Наконец, четвертое условие обеспечения устойчивости двухчастотных колебаний в преобразователе на частотах тзи и fsis обеспечивается подавлением на входе нелинейного активного элемента - транзистора 2 разностной частоты fpa fais - fan с помощью все1 той же реактивной цепи, состоящей из конденсаторов 4, б и катушки индуктивности 5, которая включена между кол лектором и эмиттером транзистора 2, настроена на частоту fnocn fp3 и, следовательно, эффектив-но выделяет эту частоту, препятствуя попаданию колебаний этой частоты на вход транзистора 2.

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

2fP3 „ „ VCX11+ fp3C(Tf

(6)

55

отсюда

л. С(4) + С(6) C(4)

(7)

ИЛИ

С(6) ЗС(4)(8) Определяя из (4) С (4), получим

С (4)

1

4л2(2трз)21-(5)

16(f3i5-f3ii)2L(5)

одставляя (8) в (7), имеем

3

(9)

С (6)

(f3l5-f31l)2L(5)

(10)

пользуется вторая гармоника разностной частоты fp3. которая зависит от температуры следующим образом

febix 2fp3 2(f315 - f31l) 2 f315°+Ct2(T-To)-f311°- CrifT - To) 2( - f3i 1°) +

+ (Ст2 - CrlXT - To) 2(f315°-Т311°) + 2(Ст2-Ст1ХТ-То)

2fP3° + 2СтРз(Т - To) fewx0 +

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.

Таким образом, при использовании эквивалентного кварцевого резонатора 14 и выборе параметров элементов реактивной цепи в соответствии с (10) в предлагаемом пьезокварцевом преобразователе с частотным выходом возбуждаются некратные частоты fi fsn и h fais, зависящие от измеряемой температуры следующим образом:

fi f3ii f3ii0 + CTi(T-To);

(11)

f2 f315 f315°+CT2(T-To),(12)

где То - температура в реперной точке; Cri - температурный коэффициент чувстви- те/)ьности моды fan (См 0); Ст2 - температурный коэффициент чувствительности моды тз15 (Ст2 0). За счет нелинейности характеристики активного элемента - транзистора 2 в выходном сигнале преобразова- тел|я помимо основных частот fan и fsts имеются комбинационные колебания 2fp3 2(hi5 - fsii). fp3 fsis - fan. В качестве выходного колебания преобразователя исФормула изобретения

Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом, содержащий усилитель с общим коллектором, фазирующие конденсаторы, первый из 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 под+ Ствых(Т-То)

(13)

и которая эффективно выделяется параллельным контуром, состоящим из катушки индуктивности 6 и конденсатора 5. С учетом того, что для кварцевых резонаторов LC- среза справедливо следующее равенство

Щ -ёИ1 15-1 22 (И)

результирующий коэффициент температурной чувствительности Ствых равен

Ствых 2(Ст2 Ст1)

«2(-1,22Ст1-Ст1) -4,44СТ1 в значительно более широком по сравнению с прототипом диапазоне температур.

Следовательно, в предлагаемом преобразователе температурный коэффициент чувствительности составит4440 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, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых величин температур, в него введены два дополнительных последовательно соединенных многомодовых термочувствитель- ных кварцевых резонатора, которые включены между базой и коллектором транзистора.

J u.

тип.

А

rj

РРЗ Fm FH5

%.

2F,

РЗ

F3tt F315