RU1795309C - Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к температурным измерени м, а именно к устройствам дл  контрол  температурных воздействий на исследуемый обьект. С целью расширени  диапазона измер емых температур введены два дополнительных последовательно соединенных многомодовых термочувствительных кварцевых резонатора, включенных между базой и коллектором транзистора . 4 ил.

Description

Изобретение относитс  к области тем- пейатурных измерений, а именно к устройствам дл  контрол  температурных воздействий на исследуемый объект.

Известны устройства дл  измерени  теМпературы с двухчастотными автогенера- тор|ными преобразовател ми и двухчастот- ныфи термочувствительными кварцевыми резрнаторами, из которых наиболее близ- киМ по технической сути к предлагаемому изобретению  вл етс  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 обща  точка

их соединени  через второй фазирующий конденсатор св зана с коллектором транзистора .

Недостатком указанных устройств  вл етс  ограниченный диапазон измер емых температур, что обусловлено неравномерностью зависимостей динамических сопротивлений RK и Рка кварцевого резонатора на основном и ангармоническом резонансах от температуры. Причем указанна  неравномерность дво ким образом сказываетс  на услови х обеспечени  устойчивого двухча- стотного режима в пьезокварцевом преобразователе и, следовательно, диапазоне измер емых температур. Во-первых, дл  обеспечени  устойчивого двухчастотного режима необходимо, чтобы динамические сопротивлени  и в первую очередь динамическое сопротивление RKa на ангармоническом резонансе не превышало (150...300) Ом во всем диапазоне температур. Во-вторых, если первое условие выполн етс , дл  обесел С

j

ч

ел

CJ

о о

печени  устойчивого двухчастотного режима необходимо, чтобы отношение динамиR ка

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

Цель изобретени  - расширение диапазона измер емых величин температур.

Поставленна  цель достигаетс  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 соединени  через второй фазирующий конденсатор св зана 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 - резонансна  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 соединени  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, состо щий 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 составл ющие вместе с резонатором 7 эквивалентный термочувствительный кварцевый резонатор 14, на который осуществл етс  воздействие измер емой температуры.

Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом работает следующим образом. В преобразователе используетс  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  вл ютс  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 сто чих полуволн (или колеблющихс  Сегментов пластины) вдоль осей Y1, X, Z1 кварцевого резонатора соответственно; f i ц - основное колебание; fm. fisi. fits ангармонические обертоны основного колебани ; fan - треть  гармоника основного колебани ; faia, fssi, fsis ангармонические обертоны третьей гармоники кварцевого резонатора LC-среза, который выполн етс  герметизированным с гелиевым заполнением на частоту 26,5 МГц по третьей гармонике (такие резонаторы серийно выпускаютс  отечественной промышленностью).

Проведенные нами измерени  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, поворачиваютс  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 колебани  f n 1 и частоту fan третьей гармоники соответственно, имели уже отрицательный знак ТКЧ (рис. 3). Наиболее интенсивными ангармоническими колебани ми (с динамическими сопротивлени ми в 3...10 раз большими, чем динамические сопротивлени  на основном колебании fin и третьей гармонике fan) с отрицательным ТКЧ были соответственно колебани  f 115 и fais.

В предлагаемом пьезокварцевом преобразователе температуры с частотным выходом необходимо возбудить в двухчастотном режиме колебани , 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 колебани  fin и его ангармоники fna,

fl31, fl15Устойчивость двухчастотного режима генерации в предлагаемом устройстве в широком диапазоне измер емых температур обеспечиваетс  благодар  выполнению четырех условий..

Во-первых, во всем диапазоне измер емых температур динамические сопротивлени  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 измер емых температур отношение динамических сопротивлений Рка/Рк соответственно мод fais и fan не должно превышать одного пор дка .

В-третьих, устойчивость двухчастотного режима обеспечиваетс  за счет подавлени  основного колебани  fm и его ангармоник fna, fiai, fns.

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

По сним, как выполн етс  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 . Перва  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. Друга  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 выполн етс  при некоторых значени х температуры.

Необходимость выполнени  услови 

0 Яка (150...300) Ом объ сн етс  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 используютс  резонансные свойства мод кварцевого резонатора в том случае, когда динамическое-сопротивление резонатора меньше Хсо. Кроме того, увеличение динамического сопротивлени  приводит к

0 уменьшению эквивалентного сопротивлени  Рэ колебательной системы кварцевого генератора и при прочих равных услови х - к невыполнению уравнени  баланса амплитуд Scp Кос Рэ 1, где Scp - средн   крутиз5 на нелинейного активного элемента (транзистора 2), а Кос - коэффициент обратной св зи.

Необходимость выполнени  услови  RKB/RK 10 объ сн етс  тем, что в против0 ном случае колебани  разностной частоты fp3 fais- fan, которые  вл ютс  продуктом нелинейного преобразовани  частот fan и fats на нелинейном активном элементе, оказываютс  недопустимо малой амплитуды.

5 Применение эквивалентного кварцевого резонатора 14, включающего последовательно включенные резонаторы 12, 13 и параллельно подключенный к ним резонатор 7. позвол ют выполнить первые два ус0 лови  обеспечени  устойчивости двухчастотных колебаний. Выбира  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 включа  их последовательно, мы тем самым улучшаем отношение по сравнению с этим же отношением дл  худшего из резонаторов.

Подключа  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 выполн етс  при некоторых температурах, мы добиваемс  у эквивалентного резонатора выполнени  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 соние Нкз

противление последовательно соединенных резонаторов 12 и 13.

Третье условие обеспечени  устойчивости двухчастотного режима заключаетс  в подавлении основного колебани  fin эквивалентного резонатора 14м его ангармоник fm, f 131 и fug. Осуществл етс  это подавление благодар  включению между коллекторе и эмиттером транзистора 2 реактивной цепи, состо щей из последовательно соединенных конденсатора б и параллельного контура, включающего катушку индуктивности 5 и конденсатор 4. Если частоту последовательного резонанса

и

1

I ПОСЛ

2 л/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 резонансна  характеристика такой реактивной цепи на частотной оси с модами термочувствительного кварцевого резонатора на частоту fo 25,6 Мгц будет выгл деть согласно рис. 4.

Из рис. 4 следует, что между частотами fp3 и 2fp3, где расположены основное колебание fm и его ангармоники fm, fisi, fns- реактивна  цепь носит индуктивный характер , и, следовательно, дл  этих частот в преобразователе на базе емкостного трехточечного генератора не будут выполн тьс  фазовые соотношени , и эти частоты возбудитьс  не смогут. Дл  частот же третьей гармоники fsn и ее интенсивной ангармоники fsis, как видно из рис. 4, указанна  реактивна  цепь носит емкостной характер, и, следовательно, дл  этих частот фазовые соотношени  выполн ютс  и необходимое условие обеспечени  двухчастот- ных колебаний преобразовател  имеет место.

Наконец, четвертое условие обеспечени  устойчивости двухчастотных колебаний в преобразователе на частотах тзи и fsis обеспечиваетс  подавлением на входе нелинейного активного элемента - транзистора 2 разностной частоты fpa fais - fan с помощью все1 той же реактивной цепи, состо щей из конденсаторов 4, б и катушки индуктивности 5, котора  включена между кол лектором и эмиттером транзистора 2, настроена на частоту fnocn fp3 и, следовательно , эффектив-но выдел ет эту частоту, преп тству  попаданию колебаний этой частоты на вход транзистора 2.

Соотношени  (2),..(5) позвол ют св зать 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) Определ   из (4) С (4), получим

С (4)

1

4л2(2трз)21-(5)

16(f3i5-f3ii)2L(5)

одставл   (8) в (7), имеем

3

(9)

С (6)

(f3l5-f31l)2L(5)

(10)

пользуетс  втора  гармоника разностной частоты fp3. котора  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 +

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 возбуждаютс  некратные частоты fi fsn и h fais, завис щие от измер емой 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|  помимо основных частот fan и fsts имеютс  комбинационные колебани  2fp3 2(hi5 - fsii). fp3 fsis - fan. В качестве выходного колебани  преобразовател  исФормула изобретени 

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 котора  эффективно выдел етс  параллельным контуром, состо щим из катушки индуктивности 6 и конденсатора 5. С учетом того, что дл  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 обща  точка их соединени  через второй фазирующий конденсатор св зана с коллектором транзистора, отличающийс  тем, что, с целью расширени  диапазона измер емых 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