RU1795308C

RU1795308C - Temperature measuring device

Info

Publication number: RU1795308C
Application number: SU904892805A
Authority: RU
Inventors: Александр Алексеевич Зеленский; Александр Александрович Леонов; Владимир Семенович Москалев; Виктор Федорович Солодовник; Михаил Иванович Чебан; Владимир Алексеевич Шевелев
Original assignee: Харьковский авиационный институт им.Н.Е.Жуковского; Научно-исследовательский институт технологии машиностроения
Priority date: 1990-09-10
Filing date: 1990-09-10
Publication date: 1993-02-15

Abstract

Изобретение относитс к температурным измерени м, в частности к контролю температурных воздействий на исследуемый обьект. С целью расширени диапазона измер емых температур за счет повышени 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.The invention relates to temperature measurements, in particular to the control of temperature effects on a test object. In order to expand the range of measured temperatures by increasing the stability of two-frequency oscillations, a parallel oscillatory circuit is connected to the emitter of the transistor via an RF cable, a quartz resonator is connected to the transistor base through an additionally inserted resistor, and the resistance of this resistor is chosen equal to the dynamic resistance of the resonator at the main resonance. 3 silt.

Description

Изобретение относитс к температурный измерени м, в частности к контролю Температурных воздействий на исследуемый обьект.The invention relates to temperature measurements, in particular to the control of temperature effects on a test object.

Известны устройства дл измерени температуры с двухчастотными автогенераторными преобразовател ми и двухчастотными термочувствительными кварцевыми резонаторами, из которых наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению вл етс устройство дл измерени температуры, содержащее двухча- стотный термочувствительный кварцевый резонатор, бипол рный транзистор, резистор1 выбора рабочей точки транзистора, первый и второй конденсаторы св зи, параллельный колебательный контур, высокочастотный кабель, нагрузочный резистор, источник питани и блок обработки частот,Known devices for measuring temperature with two-frequency oscillator converters and two-frequency thermosensitive quartz resonators, of which the closest in technical essence to the present invention is a temperature measuring device containing a two-frequency thermosensitive quartz resonator, bipolar transistor, resistor 1 select the operating point of the transistor , first and second coupling capacitors, parallel oscillatory circuit, high-frequency cable, load p ican, a power source and a frequency block processing,

при этом термочувствительный кварцевый резонатор и резистор выбора рабочей точки транзистора включены между базой и коллектором транзистора, первый конденсатор св зи включен между базой и эмиттером транзистора, колебательный контур и второй конденсатор св зи соединены последовательно , вход высокочастотного кабел подключен к эмиттеру транзистора, выход высокочастотного кабел - к блоку обработки частот и через нагрузочный резистор к источнику питани , элементы устройства на входе высокочастотного кабел смонтиро: ваны в измерительном выносном пробнике, вход высокочастотного кабел подключен к эмиттеру транзистора через колебательный контур, второй конденсатор св зи включен между выходом кабел и коллектором транзистора и сопротивление нагрузочного резистора выбрано превышающим емкостноеthe thermosensitive quartz resonator and the resistor for selecting the operating point of the transistor are connected between the base and the collector of the transistor, the first coupling capacitor is connected between the base and the emitter of the transistor, the oscillating circuit and the second coupling capacitor are connected in series, the input of the high-frequency cable is connected to the emitter of the transistor, the output of the high-frequency cable - to the frequency processing unit and through the load resistor to the power source, the elements of the device at the input of the high-frequency cable are mounted: measure in a separate remote probe, the input of the high-frequency cable is connected to the emitter of the transistor through an oscillating circuit, a second coupling capacitor is connected between the cable output and the collector of the transistor, and the resistance of the load resistor is selected to exceed the capacitive

XIXi

ОABOUT

ел ы оeating about

0000

сопротивление второго конденсатора св зи и высокочастотного кабел .resistance of the second coupling capacitor and high frequency cable.

Недостатком устройства-аналога вл етс существенное тепловое вли ние активной части (транзисторов и резисторов) двухчастотного автогенераторного преобразовател на термочувствительный кварцевый резонатор и со.ответствующа составл юща погрешности преобразовани температура - частота колебаний. Вынос термочувствительного кварцевого резонатора от активной части автогенераторного преобразовател посредством ВЧ кабел затруднен из-за шунтирующего и дестабилизирующего вли ни на параметры кварцевого резонатора реактивности кабел , подключенной к кварцевому резонатору, если длина кабел превышает 0,5 метра,A disadvantage of the analogue device is the significant thermal effect of the active part (transistors and resistors) of the two-frequency self-oscillating converter on the heat-sensitive quartz resonator and the corresponding component of the temperature-vibration frequency conversion error. Removing the heat-sensitive quartz resonator from the active part of the self-oscillating converter by means of an RF cable is difficult due to the shunting and destabilizing effect on the parameters of the quartz resonator of the cable reactivity connected to the quartz resonator, if the cable length exceeds 0.5 meters,

Недостатком устройства-прототипа вл етс 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 сопротивлени на указанных резонансах, не превышающие 500 Ом и отличающиес между :собой не более, чем на пор док (услови обеспечени устойчивого двухчастотного режима серийнопригодных автогенераторных преобразователей на одном активном элементе), как правило на практике не превышает 80-100°. Использование составных или многокаскадных активных элементов дл повышени усилительных свойств схем и устойчивости двухчастотных режимов колебаний автоге- нераторных преобразователей приводит к усложнению устройств и увеличению теплового вли ни активной части на термочувст- вительный кварцевый резонатор и, следовательно, к увеличению погрешности измерени температуры. В устройстве-прототипе температура измер емого теплового пол воздействует на выносной пробник, то есть одновременно на термочувствительный кварцевый резонатор и параллельный колебательный контур, обеспечивающий устойчивость двухчастотных колебаний устройства . Температурна расстройка резонансной частоты этого контура обуславливает ограниченные температурные зоны устойчивости двухчастотных колебаний автогенераторного преобразовател .The disadvantage of the prototype device is the limited range of operating temperatures, which is due to the uneven dependence of the dynamic resistances of the quartz resonator at the main and anharmonic resonances on temperature. Moreover, if you do not take special measures for the selection of resonators, then the temperature range in which the resonators have dynamic resistances at the indicated resonances, not exceeding 500 Ohms and differing from each other by no more than an order of magnitude (conditions for ensuring a stable two-frequency mode of serially suitable self-oscillating converters one active element), as a rule, in practice does not exceed 80-100 °. The use of composite or multi-stage active elements to increase the amplifying properties of circuits and the stability of two-frequency oscillation modes of oscillators converts the devices and increases the thermal effect of the active part on the thermosensitive quartz resonator and, therefore, an increase in the temperature measurement error. In the prototype device, the temperature of the measured thermal field acts on the remote probe, i.e., at the same time, on the heat-sensitive quartz resonator and parallel oscillatory circuit, which ensures the stability of the two-frequency oscillations of the device. The temperature mismatch of the resonant frequency of this circuit causes limited temperature stability zones of two-frequency oscillations of the self-oscillating converter.

Цель предлагаемого изобретени - расширение диапазона измер емых температур за счет повышени устойчивости двухчастотных колебаний.The aim of the invention is to expand the range of measured temperatures by increasing the stability of two-frequency oscillations.

Поставленна цель достигаетс благодар тому, что в устройстве дл измерени температуры, содержащем двухчастотный термочувствительный кварцевый резонатор , бипол рный транзистор, резистор выбора рабочей точки транзистора, первый и второй конденсаторы св зи, параллельный колебательный контур, высокочастотный кабель , нагрузочный резистор, источник питани и блок обработки частот, термочувствительный кварцевый резонатор и резистор выбора рабочей точки транзистора включены между базой и коллектором транзистора , первый конденсатор св зи включен между базой и эмиттером транзистора, колебательный контур и второй конденсатор св зи соединены последовательно, вход высокочастотного кабел подключен к эмиттеру транзистора, выход высокочастотногоThis goal is achieved due to the fact that in a temperature measuring device containing a two-frequency thermosensitive quartz resonator, a bipolar transistor, a resistor for selecting the operating point of the transistor, the first and second coupling capacitors, a parallel oscillatory circuit, a high-frequency cable, a load resistor, a power source and a unit frequency processing, a heat-sensitive quartz resonator and a resistor for selecting the operating point of the transistor are connected between the base and the collector of the transistor, the first capacitor The connection is connected between the base and the emitter of the transistor, the oscillatory circuit and the second coupling capacitor are connected in series, the input of the high-frequency cable is connected to the emitter of the transistor, the output of the high-frequency

кабел - к блоку обработки частот и через нагрузочный резистор к источнику питани , элементы устройства на входе высокочастотного кабел смонтированы в измерительном выносном пробнике, имеетcable - to the frequency processing unit and through the load resistor to the power source, the elements of the device at the input of the high-frequency cable are mounted in a measuring remote probe, has

следующие отличи : параллельный колебательный контур подключен к выходу высокочастотного кабел , кварцевый резонатор подключен к базе транзистора через дополнительно введенный резистор, а динамические сопротивлени двухчастотного кварцевого резонатора и сопротивление дополнительного резистора выбирают на основе выполнени следующих соотношений:the following differences: a parallel oscillatory circuit is connected to the output of the high-frequency cable, the quartz resonator is connected to the transistor base through an additionally introduced resistor, and the dynamic resistances of the two-frequency quartz resonator and the resistance of the additional resistor are selected on the basis of the following relations:

3535

RA RKo, или ,RA RKo, or,

Кко Kko

где RKO, Кка - динамические сопротивлени двухчастотного термочувствительного кварцевого резонатора на основном и ангармоническом резонансах соответственно;where RKO, Kka are the dynamic resistances of the two-frequency heat-sensitive quartz resonator at the main and anharmonic resonances, respectively;

RA - сопротивление дополнительного резистора. На фиг. 1 изображено устройство дл измерени температуры; на фиг.2 - типичный спектр примен емого 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.RA is the resistance of the additional resistor. In FIG. 1 shows a device for measuring temperature; Fig. 2 is a typical spectrum of the harmonic multimode quartz resonator LC or PW sections used in the device. Figure 3 shows the temperature-frequency characteristics of the main (ftn) and most intense anharmonic resonances (fm, fi3i. Fns) of a multimode thermosensitive quartz resonator.

Устройство дл измерени температурыTemperature measuring device

содержит двухчастотный термочувствительный кварцевый резонатор 1, бипол рный транзистор 2, резистор 3 выбора рабочей точки транзистора, первый и второй конденсаторы 4, 5 св зи, параллельный колебательный контур 6, ВЧ кабель 7, нагрузочный резистор 8, источник питани 9 и блок 10 обработки частот, при этом элементы устройства на входе ВЧ кабел 7 смонтированы в измерительном выносном пробнике 11, а также дополнительно введенный резистор 12,contains a two-frequency thermosensitive quartz resonator 1, a bipolar transistor 2, a resistor 3 select the operating point of the transistor, the first and second coupling capacitors 4, 5 coupling, a parallel oscillatory circuit 6, RF cable 7, a load resistor 8, a power source 9 and a frequency processing unit 10 , while the elements of the device at the input of the RF cable 7 are mounted in the measuring remote probe 11, as well as an additionally introduced resistor 12,

Устройство дл измерени температуры работает следующим образом. В генераторе используетс 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 вл ютс 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 сто чих полуволн (иЛи колеблющихс 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 выпускаютс отечественной промышленностью),A temperature measuring device operates as follows. The oscillator uses an lfc cut crystal. Resonators of this type, as well as AT-cut, Y-cut, etc. They belong to piezoresonators with localization of shear-shear oscillations and are multimode (multimode) with intense anharmonic modes. Figure 2 shows a typical oscillation spectrum of an LC-crystal quartz resonator, where A is the vibration amplitude, fmnp is the frequency of the vibration mode, m, n, p is the number of standing half waves (or the oscillating segments of the plate) and the axis of the y, x, g axis of the quartz resonator , respectively, fm (fi) is the main oscillation, fm, ftsi, fm (f2}, fm are the anharmonic overtones of the quartz resonator of the LC cut, which can be performed as sealed with helium filling operating at the fundamental frequency of 5 MHz, and ; Uumir OBEnnym, operating at a frequency of 2B, | MHz for the third harmonic (both types ezonatorov serially discharged domestic industry)

.Проведенные нами измерени 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, поворачиваютс 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 колебани , 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-частот ые характеристики основного и наиболее интенсивных эгармо- нических колебаний кварцевого резонатора LC-сразз.. Our measurements of the temperatures of the o-frequency characteristics of the OGCH) on the fundamental f m and anharmonic modes fm, fi3i, fm. fi33 quartz resonators LC-cut.a showed that the frequency response of anharmonic oscillations, as in the resonators of the AT-cut, rotate clockwise with respect to the frequency response on the main mode and have, like the main vibration, linear temperature-frequency characteristics. , if the main oscillation fm (fi) and the most anharmonic f-ls, fisi had a positive sign of the temperature sensitivity coefficient (TCH), then the anharmonic modes fm, fi33. whose frequencies are approximately 1.2 times higher than the fundamental frequency fm of the main oscillation, already had a negative TFC sign. The most intense anharmonic vibration (with a minimum dynamic resistance RK, only 1.5-5 times greater than in the main vibration) with a negative TFC was the vibration f us (b. Fig. 3 shows the temperature-frequency characteristics of the main and most intense eharmonic oscillations of a quartz resonator LC-instant.

В предлагаемом генераторе благодар наличию двухмодового термочувствительного кварцевого резонатора 1, включенного в частотно-задающую цепь двухчастотногоIn the proposed generator, thanks to the presence of a two-mode thermosensitive quartz resonator 1, included in the frequency-setting circuit of the two-frequency

термозэвисимого генератора, возбуждаютс колебани некратных частот fi и f2, близких к собственным резонансным частотам кварцевого резонатора 1 fin (fi). fm (h) и завис щих от температуры следующим образомthermally independent generator, vibrations of non-multiple frequencies fi and f2 are close, which are close to the natural resonant frequencies of the 1 fin (fi) quartz resonator. fm (h) and temperature-dependent as follows

f 1 fю + CTf t(T - To),f 1 fy + CTf t (T - To),

f2 f20+CTf2(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;where CTfi, CTf2 are the sensitivity coefficients on the fundamental vibrational mode frn (fi) and the anharmonic mode fns (f2) of the LC-crystal quartz resonator, respectively;

fio, Ьо резонансные частоты в репер- ной точке; То - температура реперной точки.fio, b0 resonant frequencies at the reference point; That is the temperature of the reference point.

Проведенные нами испытани партии резонаторов LC-среза показали, что между коэффициентами термочувствительности CTFr CTfs на основном колебании fm (ft) и частоте fns (f2), соответственно, справедливо следующее соотношениеOur tests of a batch of LC-cut resonators showed that between the thermal sensitivity coefficients CTFr CTfs at the fundamental vibration fm (ft) and frequency fns (f2), respectively, the following relation

30thirty

CTft f CrfCTft f Crf

Составл ющие токи транзистора 2 частот fi, Ъ., fp f 1 - f2 вл ютс информационными и могут быть использованы в блоке 10 обработки частот. При этом информациоипа избыточность (наличие трех термозави- сммых частот при одном измер емом параметре - температуре) может быть использована в блоке 10 дл преобразовани частот в цифру или уменьшени расчетнымThe component currents of the frequency transistor 2 fi, b, fp f 1 - f2 are informational and can be used in the frequency processing unit 10. At the same time, the information type redundancy (the presence of three thermally dependent frequencies for one measured parameter - temperature) can be used in block 10 to convert frequencies to a digit or reduce the calculated

путем погрешностей за счет нелинейности ТЧХ или действи на устройство дестабилизирующих факторов.by errors due to the nonlinearity of the frequency response or the effect on the device of destabilizing factors.

Емкостное сопротивление хсо статической емкости Со б пФ кварцедержател Capacitance xo static capacitance Co b pF quartz holder

кварцевого резонатора на частоте 5 МГц хсо 5000 Ом, Наиболее эффективно используютс резонансные свойства кварцевого резонатора в том случае, если динамическое резонансное сопротивление резонатора наa quartz resonator at a frequency of 5 MHz, xso 5000 Ohm. The resonant properties of the quartz resonator are most effectively used if the dynamic resonance resistance of the resonator is

пор док меньше хсо.then the dock is less than xso.

Поэтому дл устойчивого возбуждени дг-ухчастотных колебаний в устройстве-прототипе (без дополнительного резистора кварцевого резонатора) необходимо, чтобыTherefore, for stable excitation of dg-frequency oscillations in the prototype device (without an additional quartz resonator resistor), it is necessary that

динамические сопротивлени на основном RKO и ангармоническом RKa резонзнсах квар- цевого резонатора не превышали 500 Ом, Кроме того соотношение этих сопротивленийdynamic resistances at the main RKO and anharmonic RKa resonances of the quartz resonator did not exceed 500 Ohms, in addition, the ratio of these resistances

NK R,3/RKo 10. . (1) Динамические сопротивлени резонатора измен ютс при изменении температуры и по нашим экспериментальным данным дл кварцевых резонаторов ПЯ-среза на частоту 5 МГц соотношение (1) выполн етс дл 50% резонаторов из партии резонаторов в интервале температур 80-100°. Включение дополнительного резистора 12 с сопротивлением последовательно с резонатором приводит к тому, что дл такой цепи резонатор-резистор (эквивалентный резонатор) соотношение резонансных сопротивлений на основном ( + RA) и ангармоническом (Rxa + RA) резонансах определитс NK R, 3 / RKo 10.. (1) The dynamic resistances of the resonator change with temperature, and according to our experimental data for quartz resonators of the UH-cut at a frequency of 5 MHz, relation (1) is fulfilled for 50% of the resonators from the batch of resonators in the temperature range 80-100 °. The inclusion of an additional resistor 12 with a resistance in series with the resonator leads to the fact that for such a resonator-resistor circuit (equivalent resonator) the ratio of the resonant resistances at the main (+ RA) and anharmonic (Rxa + RA) resonances is determined

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

Соотношение резонансных сопротивлений эквивалентного резонатора Мкэ 10 обеспечиваетс в более широком интервале соотношений М 19 соответствующих сопротивлений резонатора без дополнительного резистора. Такое NK 19 реализуетс у резонаторов ПЯ-среза на 5 МГц в более широком интервале температур 170-200°. ПриThe ratio of the resonant resistances of the equivalent resonator Mke 10 is provided over a wider range of ratios M 19 of the corresponding resonator resistances without an additional resistor. Such NK 19 is realized with 5 MHz cut-off resonators in a wider temperature range of 170-200 °. At

этом большее сопротивление резонатора RKa увеличиваетс до (RKa + RKS/NK), то есть не более, чем в 1.1 раза, а меньшее- до 2RKo и, следовательно, добротность на частоте основного резонанса уменьшаетс не более , чем в 2 раза.In this case, the greater resonator resistance RKa increases to (RKa + RKS / NK), i.e., not more than 1.1 times, and the lesser, to 2RKo and, therefore, the quality factor at the fundamental resonance frequency decreases by no more than 2 times.

Подключение параллельного колебательного контура, служащего дл обеспечени устойчивости двухчастотных колебаний, к эмиттеру транзистора через ВЧ кабельConnection of a parallel oscillatory circuit, which serves to ensure the stability of two-frequency oscillations, to the emitter of the transistor through an RF cable

приводит к тому, что этот контур оказываетс размещенным вне измерительного объе- ма выносного пробника и, следовательно, диапазон измер емых температур не определ ет зону устойчивости двухчастотных колебаний автогенераторного преобразовател предлагаемого устройства и не ограничиваетс неустойчивостью двухчастотных режимов колебаний.this circuit is located outside the measuring volume of the remote probe and, therefore, the range of measured temperatures does not determine the stability zone of the two-frequency oscillations of the oscillator of the proposed device and is not limited to the instability of the two-frequency oscillation modes.

Claims

SUMMARY OF THE INVENTION A temperature measuring device comprising a dual frequency thermosensitive quartz. resonator, bipolar transistor, resistor for selecting the operating point of the transistor, first and second coupling capacitors, parallel oscillatory circuit, high-frequency cable, load resistor, power supply and frequency processing unit, while a heat-sensitive quartz resonator and resistor for selecting the operating point of the transistor are connected between the base and the collector of the transistor, the first coupling capacitor is connected between the base and the emitter of the transistor, the oscillating circuit and the second coupling capacitor are connected in series, the input is high the frequency cable is connected to the emitter of the transistor, the high-frequency output is connected to the frequency processing unit and through the load resistor to the power source, the elements of the device at the input of the high-frequency cable are mounted in a measuring remote probe, characterized in that, in order to expand the range of measured temperatures beyond by increasing the stability of two-frequency oscillations, a parallel oscillatory circuit is connected to the output of the high-frequency cable, a quartz resonator is connected to the base of the transistor through an additional a resistor introduced, and the dynamic resistances of a two-frequency quartz resonator and the resistance of an additional resistor are selected on the basis of the following relations:

d

+ RA nRKa;

OR T

nineteen,

where is rko. R “a are the dynamic resistances of the two-frequency thermosensitive quartz resonator at the main and aiagarmonic resonances, respectively;

RA is the resistance of the additional resistor.

L3

If | Vf FU .. T5

ff11 fl13 fm

FIG. Z

fus

iff

Figure 1

Al f

% f ",%

FIG. 3