CS196829B1

CS196829B1 - Chamber for measuring the temperature dependance of the piezzoelectric crystal units

Info

Publication number: CS196829B1
Application number: CS729577A
Authority: CS
Inventors: Vladimir Muff; Josef Pavlovec; Jaroslav Sramar
Original assignee: Vladimir Muff; Josef Pavlovec; Jaroslav Sramar
Priority date: 1977-11-08
Filing date: 1977-11-08
Publication date: 1980-04-30

Description

Vynález se týká komory pro měření teplotní závislosti kmitočtu piezoelektrických krystalových jednotek v širokém rozmezí pracovních teplot.The invention relates to a chamber for measuring the temperature dependence of the frequency of piezoelectric crystal units over a wide range of operating temperatures.

Měření teplotní závislosti kmitočtu piezoelektrických krystalových jednotek se obvykle provádí v kovové komůrce s možností ohřevu topným vinutím. Kmitočet piezoelektrických krystalových jednotek se měří při pokojové teplotě naladěním a rozkmitáním v příslušném oscilátoru. Potom se piezoelektrická krystalová jednotka s komůrkou a teploměrem ochladí na potřebnou zápornou teplotu, například v boxu se suchým ledem, znovu se připojí k oscilátoru a průběžně se zaznamenává kmitočet v závislosti na rostoucí teplotě. Připojení piezoelektrických krystalových jednotek k oscilátoru musí být zejména pro měření na vysokých kmitóčtech provedeno co nejkratšími přívody, aby nedocházelo k nežádoucím kmitočtovým změnám v důsledku parazitních kapacit zvětšujících statickou kapacitu piezoelektrických krystalových jednotek a v důsledku parazitních indukčností pozměňujících dynamické vlastnosti piezoelektrických krystalových jednotek.The measurement of the temperature dependence of the frequency of piezoelectric crystal units is usually carried out in a metal chamber with the possibility of heating by heating winding. The frequency of piezoelectric crystal units is measured at room temperature by tuning and oscillating in the respective oscillator. Then, the piezoelectric crystal unit with chamber and thermometer is cooled to the necessary negative temperature, for example in a dry ice box, reconnected to the oscillator, and the frequency is continuously recorded as the temperature increases. The connection of the piezoelectric crystal units to the oscillator, especially for high frequency measurements, must be made as short as possible to avoid undesirable frequency changes due to the parasitic capacities increasing the static capacity of the piezoelectric crystal units and the parasitic inductances altering the dynamic properties of the piezoelectric crystal units.

U dosud známých zařízení pro hromadné měření teplotní závislosti většího počtu kmitočtově stejných jednotek hodnocením kmitočtu při diskrétních teplotách se provádí přepínání jednotlivých kusů postupným mechanickým přestavováním kontaktů pomocí pohyblivé části teplotní komory. V tomto uspořádání dochází však často k nepravidelnému vzrůstu kontaktních ohmických odpo196829 rů v důsledku oxidací, povrchového znečištěni a námrazy a tím i k nereprodukovatelným kmitočtovým posuvům následkem proměnné amplitudy kmitání piezoelektrických krystalových jednotek. Pri elektrickém přepínání piezoelektrických krystalových jednotek vykazují tyto v důsledku dlouhých spojů komplikovaných přepínači tak velké rozptyly kmitočtu, že měření zejména při vyšších kmitočtech ztrácí amysl.In the prior art devices for mass measurement of temperature dependence of a plurality of frequency-identical units by evaluating the frequency at discrete temperatures, the switching of the individual pieces is performed by gradual mechanical adjustment of the contacts by means of a movable part of the temperature chamber. In this arrangement, however, there is often an irregular increase in contact ohmic resistors due to oxidation, surface contamination and icing, and thus unrepeatable frequency shifts due to the variable oscillation amplitude of the piezoelectric crystal units. In the electrical switching of piezoelectric crystal units, due to the long connections complicated by the switches, these exhibit such large frequency scattering that the measurement, especially at higher frequencies, loses its sense.

Jsou známy i komory, do nichž ee vkládá separátní oscilátor pro každou piezoelektrickou krystalovou jednotku. V tomto případě výsledný kmitočet na výstupu oscilátorů je nezávislý na konstrukci teplotní komory a spínacího systému. Nevýhodou je potřeba mnoha separátních oscilátorů, jejichž teplotní závislost je třeba bud znát, anebo je používat v termostatech. Další nevýhodou je potřeba separátních oscilátorů pro kterýkoliv měřený kmitočet, což představuje příruční sklad mnoho desítek kusů oscilátorových jednotek.Also known are chambers into which a separate oscillator is inserted for each piezoelectric crystal unit. In this case, the resulting frequency at the output of the oscillators is independent of the design of the temperature chamber and the switching system. The disadvantage is the need for many separate oscillators whose temperature dependence must either be known or used in thermostats. Another disadvantage is the need for separate oscillators for any measured frequency, which represents a handy store of many dozen pieces of oscillator units.

Provedení komory pro jednotlivá i hromadná měření dále vyžaduje, aby piezoelektrické krystalové jednotky byly se svými pouzdry umístěny v přesně vytvarovaných otvorech bloku komory za účelem těsného dotyku stěny bloku a pouzdra piezoelektrické krystalové jednotky. Vytváření těchto otvorů pro nejrůznějši typy držáků je velmi pracné, počaae dochází neustálým otěrem k porušení těsnosti dotyku a tím k rozdílům měřené teploty a teploty samotné piezoelektrické krystalové jednotky, čímž dochází k chybám měření. Rovněž výrobní tolerance vlastních pouzder piezoelektrických krystalových jednotek ovlivňují přímý etyk ee stěnou komory.Further, the design of the chamber for both single and bulk measurements requires that the piezoelectric crystal units with their housings be placed in precisely shaped openings of the chamber block in order to closely contact the block wall and the housing of the piezoelectric crystal unit. Creating these openings for various types of holders is very laborious, since continuous abrasion will damage the tightness of the contact and thus the temperature and temperature differences of the piezoelectric crystal unit itself, resulting in measurement errors. Also, the manufacturing tolerances of the piezoelectric crystal unit's own shells affect direct ethylene through the chamber wall.

Uvedené nedostatky se odetrání komorou pro měření teplotní závislosti kmitočtu piezoelektrických krystalových jednotek podle vynálezu, která je rozdělena do dvou částí, z nichž první část obsahuje elektronické přepínání, kompenzační obvod a dvoupólový kontakt pro připojení k oscilátoru, zatímco v druhé části, opatřené topným vinutím a teplomerným čidlem jeou uloženy měřené piezoelektrické krystalové jednotky s vývody připojenými k mechanickému mnohapólovému kontaktu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že v první části ko mory je elektronické přepínání a kompenzace pro jednotlivé piezoelektrické krystalové jednotky vytvořena sériovým uspořádáním oddělovacího kondenzátoru, spínací diody, kondenzátoru, laditelného indukčního vinutí a dolaďovacího kondenzátoru, kteréžto uspořádání je přemostěno paralelním indukčním vinutím, zapojeným mezi první a druhý vývod, zatímco v druhé části komory jsou v korundovém písku umístěny zapouzdřené měřené piezoelektrické krystalové jednotky, jejichž jeden vývod je připojen přes mechanický mnohapólový kontakt k laditelnému indukčnímu vinutí a jejichž druhé výhody jsou přes mechanický mnohapólový kontakt připojeny k jednotlivým spínacím diodám, jejichž anody jeou připojeny přes první odpor ke společnému přívodu a katody jsou každá přes samostatný druhý odpor připojeny k jednotlivým samostatným přívodům.These drawbacks are removed by a chamber for measuring the temperature dependence of the frequency of piezoelectric crystal units according to the invention, which is divided into two parts, the first part comprising an electronic switching, a compensation circuit and a two-pole contact for oscillator connection; The measured piezoelectric crystal units with terminals connected to the mechanical multi-pole contact are placed by a thermometer sensor. SUMMARY OF THE INVENTION In the first part of the chamber, electronic switching and compensation for individual piezoelectric crystal units is formed by a series arrangement of a decoupling capacitor, a switching diode, a capacitor, a tunable inductive winding and a fine tuning capacitor. the first and second terminals, while in the second part of the chamber, encapsulated measured piezoelectric crystal units are placed in corundum sand, one of which is connected via a mechanical multi-pole contact to a tunable induction winding and whose second advantages are connected via mechanical multi-pole contact to individual switching diodes the anodes are connected via a first resistor to a common lead, and the cathodes are each connected via a separate second resistor to a separate lead.

Výhodou komory podle vynálezu je, že při měření teplotní závislosti je ochlazována a postupně ohřívána pouze druhá část komory s piezoelektrickými krystalovými jednotkami a s teploměrným čidlem, přičemž umístěni jednotekThe advantage of the chamber according to the invention is that only the second part of the chamber with piezoelectric crystal units and a thermometer sensor is cooled and gradually heated during temperature dependence measurement, whereby the location of the units is

- 3 ~ i teploměrného čidla v jemném korundovém písku zajišťuje dokonale vyrovnané rozložení teploty a tím i minimální chyby celého měření. První část komory s kompenzačními obvody a spínacími prvky pracuje při pokojové teplotě a tím je vyloučeno porušení kompenzace vlivem teplotních koeficientů těchto prvků a obvodů. Další výhodou je možnost přesného nastavení kmitočtu všech piezoelektrických krystalových jednotek pomocí doladění obvodem tvořeným dolaďovacím kondenzátorem a laditelným indukčním vinutím jedné piezoelektrické krystalové jednotky na kmitočet odpovídající kmitočtu této jednotky. Je tomu tak proti, že je provedeno úplné vykompenzování statické kapacity uspořádání, díky kondenzátorům, stejné pro všechny spínané polohy, pomocí paralelního indukčního vinutí. Při měření sériové rezonance je možno ve vykompenzovaném stavu rovněž odčítat průběh velikosti sériového náhradního odporu z výchylky měřidla oscilátoru.- 3 ~ i thermometer sensor in fine corundum sand ensures perfectly balanced temperature distribution and thus minimal errors of the whole measurement. The first part of the chamber with compensating circuits and switching elements operates at room temperature and thus eliminates the compensation compensation due to the temperature coefficients of these elements and circuits. Another advantage is the possibility of precisely adjusting the frequency of all piezoelectric crystal units by tuning the circuit formed by the fine tuning capacitor and tunable inductive winding of one piezoelectric crystal unit to a frequency corresponding to the frequency of this unit. This is counteracted by the complete compensation of the static capacitance of the arrangement, thanks to the capacitors, the same for all switching positions, by means of a parallel induction winding. When measuring the series resonance, it is also possible to read the course of the series equivalent resistor from the oscillator gauge deflection in the compensated state.

Vynález bude dále blíže popeán podle přiloženého výkresu, na němž je schematicky znázorněno uspořádání komory podle vynálezu.The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawing, in which the configuration of the chamber according to the invention is schematically illustrated.

Komora je rozdělena na dvě části. V první části £ jsou umístěny kompenzační obvody a spínací prvky, v druhé části 2 jsou v korundovém písku g umístěny piezoelektrické krystalové jednotky 10 a teploměrné čidlo 11. Propojení obou částí 1; 2 komory je provedeno mechanickým mnohapólový· kontaktem 1£.Elektronické přepínání a kompenzace pro jednotlivé piezoelektrické krystalové jednotky jsou provedeny sériovým zapojením oddělovacího kondenzátoru £, spínací diody 4» kondenzátoru £, laděného indukčního vinutí £ a dolaďovacího kondenzátoru g,, kterážto sériová koabinaee je připojena k vývodům 12; 13 k oscilátoru a je přemostěna paralelním indukčním vinutím 8. Přitom oddělovací kondenzátor £ laděné indukční vinutí £, doladfovací kondenzátor g a paralelní indukční vinutí £ jsou společné, spínací dioda 4 a kondenzátor £ jsou samostatné pro každou měřenou piezoelektrickou krystalovou jednotku £0. Každá z piezoelektrických krystalových jednotek 10 je jedním vývodem spojena se svou spínací diodou 4 a druhým vývodem jsou tyto piezoelektrické krystalové jednotky 10 společně připojeny k laditelnému indukčnímu vinutí £, a to ke konci, kam jsou společně připojeny i kondenzátory £. Jednotlivé spínací diody 4 jsou svými anodami připojeny společně přes první odpor 17 ke společnému přívodu 18 stejnosměrného napětí, zatímco svými katodami jsou připojeny každé přes samostatný druhý odpor 16 k samostatnému přívodu 19 stejnosměrného napětí. Druhá část 2 komory je opatřena topným vinutím 20 připojeným k napětí přes kontakty 14.The chamber is divided into two parts. In the first part 6 there are compensation circuits and switching elements, in the second part 2 piezoelectric crystal units 10 and a thermometer sensor 11 are placed in corundum sand g. The electronic switching and compensation for the individual piezoelectric crystal units are made by series connection of the decoupling capacitor 8, the switching diode 4 »of the capacitor 6, the tuned induction winding 6 and the fine tuning capacitor 9, which are connected in series. to terminals 12; 13 to the oscillator and is bridged by the parallel induction winding 8. The separating capacitor 6 of the tuned induction winding 8, the tuning capacitor g and the parallel induction winding 8 are common, the switching diode 4 and the capacitor 8 are separate for each piezoelectric crystal unit 80 to be measured. Each of the piezoelectric crystal units 10 is connected to its switching diode 4 by one terminal, and the other terminal is connected to the tunable induction winding 8 at the end where the capacitors 8 are connected together. The individual switching diodes 4 are connected by their anodes together via a first resistor 17 to a common DC voltage supply 18, while their cathodes are each connected via a separate second resistor 16 to a separate DC voltage supply 19. The second chamber part 2 is provided with a heating coil 20 connected to a voltage via contacts 14.

Druhá část 2 se při : měření teplotní závislosti kmitočtu piezoelektrických krystalových jednotek 10 nejprve spolu s teploměrným čidlem 11 a jednotkami 10 vychladí na potřebnou spodní teplotu. Dobře vodivý korundový písek g žajišluje rovnoměrné rozložení teploty v celém pracovním prostoru druhé části 2 komory. Přes mechanický mnohapólový kontakt 15 se jednotlivé piezoelektrické krystalové jednotky 10 postupně vodivě napojují k oddělovacímu kondenzátoru £ přes spínací diody 4, na něž je společ196829 ným přívodem 18 a samostatnými přívody 19 přiváděno stejnosměrné napětí. Vyrovnání statických kapacit jednotlivých poloh je provedeno kondenzátory g. Kompenzace statické kapacity v závislosti na kmitočtu piezoelektrických krystalových jednotek je provedena výměnným paralelním indukčním vinutím g. K nastavení správných amplitudových poměrů kmitání, popřípadě potřebného rezonančního kmitočtu, slouží výměnná sériová kombinace kondenzátoru g a laditelného indukčního vinutí 6.The second part 2, when measuring the temperature dependence of the frequency of the piezoelectric crystal units 10, is first cooled together with the thermometer sensor 11 and the units 10 to the desired lower temperature. Well conducting corundum sand g provides a uniform temperature distribution throughout the working space of the second chamber part 2. Via a mechanical multi-pole contact 15, the individual piezoelectric crystal units 10 are successively connected to the decoupling capacitor 8 via switching diodes 4, to which a direct voltage is supplied via a common lead 18 and separate leads 19. Static capacitance of individual positions is performed by capacitors g. The compensation of static capacitance in dependence on the frequency of piezoelectric crystal units is performed by replaceable parallel inductive winding g. To set correct amplitude ratios of oscillation or necessary resonant frequency, .

Při pozvolném ohřívání druhé části 2 komory topným vinutím 20 je prováděno postupné přepínání a měření jednotlivých piezoelektrických krystalových jednotek přepínáním stejnosměrného napětí na samostatné přívody 19.During the gradual heating of the second chamber part 2 by the heating coil 20, a gradual switching and measurement of the individual piezoelectric crystal units is carried out by switching the DC voltage to separate leads 19.

Claims

Chamber for measuring the frequency dependence of the frequency of piezoelectric crystal units divided into two parts, the first part comprising electronic switching, compensation circuit and two-pole contact for connection to the oscillator, while the second part provided with heating winding and thermo sensor contains measured piezoelectric crystal units terminals connected to the mechanical multi-pole contact, characterized in that in the first chamber part (1) the electrical switching and compensation for individual piezoelectric crystal units (10) is made by series arrangement of the separating capacitor (3), switching diode (4), capacitor (5) a tunable induction winding (6) and a fine tuning capacitor (7), the arrangement being bridged by a parallel induction winding (8) connected between the first outlet (12) and the second outlet (13), while in the second chamber part (2) they are in corundum sands encapsulated, measured piezoelectric crystal units (10) are placed in (9), one of which is connected via a mechanical multi-pole contact (15) to a tunable inductive winding (6) and whose other terminals are connected to individual switching diodes via a mechanical multi-pole contact (15) (4), the anodes of which are connected via a first lead (17) to a common lead (18) and the cathodes are each connected to a second lead (16) connected to individual leads (19) ·