RU2767302C1 - Installation and thermostat for monitoring long-term stability of frequency of quartz resonators and generators - Google Patents
Installation and thermostat for monitoring long-term stability of frequency of quartz resonators and generators Download PDFInfo
- Publication number
- RU2767302C1 RU2767302C1 RU2020138619A RU2020138619A RU2767302C1 RU 2767302 C1 RU2767302 C1 RU 2767302C1 RU 2020138619 A RU2020138619 A RU 2020138619A RU 2020138619 A RU2020138619 A RU 2020138619A RU 2767302 C1 RU2767302 C1 RU 2767302C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- thermostat
- heat
- products
- disk
- Prior art date
Links
- 230000007774 longterm Effects 0.000 title claims abstract description 26
- 239000010453 quartz Substances 0.000 title claims abstract description 26
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 26
- 238000009434 installation Methods 0.000 title claims description 29
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims description 11
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 34
- 238000003032 molecular docking Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 19
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 8
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 15
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 11
- 238000013461 design Methods 0.000 description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000867418 Morion Species 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000013213 extrapolation Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 description 1
- IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N rubidium atom Chemical compound [Rb] IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013112 stability test Methods 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
- H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
- H03B5/30—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
- H03B5/32—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator
Abstract
Description
Группа изобретений относится к области приборостроения, при этом изобретения могут быть использованы при производстве кварцевых генераторов для контроля качества продукции, а также в измерительной технике.The group of inventions relates to the field of instrumentation, while the inventions can be used in the production of quartz oscillators for product quality control, as well as in measuring technology.
В настоящее время ввиду широкого распространения средств носимой радиосвязи и радионавигации наибольший интерес представляют кварцевые генераторы со стабильностью частоты порядка 1х10-7. Главными факторами нестабильности частоты являются температурная и долговременная погрешности. Для исключения температурных отклонений успешно применяют методы термостатирования или термокомпенсации, однако обеспечение долговременной стабильности частоты возможно только за счет качественного производственного техпроцесса и тщательного контроля кварцевых резонаторов.Currently, due to the widespread use of portable radio communications and radio navigation, quartz oscillators with a frequency stability of the order of 1x10 -7 are of the greatest interest. The main factors of frequency instability are temperature and long-term errors. To eliminate temperature deviations, methods of temperature control or thermal compensation are successfully used, however, long-term frequency stability can only be ensured through a high-quality manufacturing process and careful control of quartz resonators.
При производстве распространенных кварцевых резонаторов АТ и SC срезов контроль долговременной нестабильности частоты проводится в групповых воздушных термостатах при температуре экстремума температурно-частотной характеристики (ТЧХ) 60÷850С с периодическим контролем частоты изделий и экстраполяцией полученных данных по шкале времени, а также с применением групповых и индивидуальных оценок. In the production of common quartz resonators of AT and SC cuts, the control of long-term frequency instability is carried out in group air thermostats at an extreme temperature of the temperature-frequency characteristic (TFC) of 60 ÷ 85 0 С with periodic control of the frequency of products and extrapolation of the obtained data on a time scale, as well as using group and individual assessments.
Известны стенды с разборными индивидуальными термостатами, допускающими установку и извлечение тестируемых генераторов. Такие стенды состоят из полок, источников питания для генераторов, системы коммутации частоты выходного сигнала генераторов, частотомера, специального программного обеспечения для управления процессом испытаний, сохранения и обработки данных. Stands with collapsible individual thermostats are known, allowing the installation and removal of the tested generators. Such stands consist of shelves, power supplies for generators, a frequency switching system for the output signal of generators, a frequency meter, special software for managing the testing process, storing and processing data.
Основным их недостатком является высокая сложность, габариты и энергопотребление. Например, стенд для тестирования долговременной нестабильности частоты в АО "Морион", г. Санкт-Петербург, занимает несколько помещений общей площадью более 100 м2 и потребляет порядка 20 кВт электроэнергии.Their main disadvantage is their high complexity, size and power consumption. For example, a stand for testing long-term frequency instability in JSC "Morion", St. Petersburg, occupies several rooms with a total area of more than 100 m 2 and consumes about 20 kW of electricity.
Известна установка (система) контроля долговременной нестабильности частоты кварцевых генераторов фирмы PRA Inc, США (прототип) (https://www.prainctest.com/datasheets/2360DS.pdf). Установка управляется с помощью ПК и содержит сушильный шкаф, который имеет до 8 выдвижных полок, источник питания PRA и мультиплексор. Каждая выдвижная полка вмещает 2 платы старения (тестовые платы с изделиями). Тестовые платы снабжены возбудителями для кварцевых резонаторов и обеспечивают возможность коммутации выходной частоты на частотомер для измерения. Источник питания обеспечивает питание плат старения и интерфейс между управляющим ПК и всеми платами. Мультиплексор источника питания PRA обеспечивает коммутацию выходного сигнала частоты изделий и передачу сигнала данных на плату старения. Компьютер последовательно посылает на плату строку данных для выбора одного генератора.A known installation (system) for monitoring the long-term frequency instability of crystal oscillators from PRA Inc, USA (prototype) (https://www.prainctest.com/datasheets/2360DS.pdf). The unit is PC controlled and contains a drying cabinet with up to 8 drawers, a PRA power supply and a multiplexer. Each drawer holds 2 aging boards (product test boards). The test boards are equipped with exciters for quartz resonators and provide the ability to switch the output frequency to a frequency counter for measurement. The power supply provides power to the aging boards and provides an interface between the host PC and all boards. The PRA power supply multiplexer provides switching of the product frequency output signal and transmission of the data signal to the aging board. The computer sequentially sends a string of data to the board to select one generator.
Известная установка представляет собой групповой воздушный термостат. Градиент температуры в групповом воздушном термостате с учетом тепловой нагрузки от изделий не позволяет гарантировать нахождение каждого испытуемого изделия на температуре точки перегиба ТЧХ. Поскольку в партии изделий возможен разброс температуры точек перегиба, а температурные флуктуации в рабочем объеме оказывают влияние на выходную частоту изделий, точность измерений в установке недостаточно высока. При этом конструктивно предусмотрено, что размещение и извлечение тестовых плат с изделиями осуществляется в процессе работы установки. Однако в момент открытия двери сушильного шкафа возможен резкий всплеск температуры. Изменение тепловой нагрузки, как и изменение геометрии расположения тестовых плат, оказывает влияние на температурное поле внутри рабочего объема при измерении долговременной стабильности частоты изделий, что обуславливает появление скачкообразного изменения частоты изделий и получение недостоверного прогноза отклонений. Кроме того, контроль долговременной стабильности частоты кварцевых генераторов является длительным процессом и может варьироваться от 2 недель до нескольких лет. Поскольку без влияния на процесс измерения невозможен доступ к рабочему объему установки, то в производственном процессе потребуется несколько установок. Длительное измерение частоты в известной установке возможно лишь с точностью порядка 2…5х10-7, что является достаточным для контроля резонаторов с погрешностью частоты порядка 2..5х10-6 и не соответствует современным требованиям в 1х10-7.A known installation is a group air thermostat. The temperature gradient in the group air thermostat, taking into account the thermal load from the products, does not make it possible to guarantee that each tested product is at the temperature of the PST inflection point. Since the temperature of the inflection points can vary in a batch of products, and temperature fluctuations in the working volume affect the output frequency of the products, the measurement accuracy in the installation is not high enough. At the same time, it is structurally provided that the placement and removal of test boards with products is carried out during the operation of the installation. However, when the oven door is opened, a sudden temperature spike is possible. A change in the thermal load, as well as a change in the geometry of the location of the test boards, affects the temperature field inside the working volume when measuring the long-term stability of the frequency of products, which causes an abrupt change in the frequency of products and an unreliable forecast of deviations. In addition, monitoring the long-term frequency stability of crystal oscillators is a lengthy process and can vary from 2 weeks to several years. Since access to the working volume of the installation is not possible without affecting the measurement process, several installations will be required in the production process. Long-term frequency measurement in a known installation is possible only with an accuracy of about 2...5x10 -7 , which is sufficient for monitoring resonators with a frequency error of the order of 2..5x10 -6 and does not meet modern requirements of 1x10 -7 .
Известно, что при тестировании стабильности частоты кварцевых резонаторов в процессе производства термостатированных генераторов могут использоваться сами термостатированные генераторы. При этом температура термостатирования выбирается равной температуре точки перегиба ТЧХ резонатора (60...85°C). Обычно в корпусе термостатированного генератора размещены термостат с кварцевым резонатором, основная плата с источником питания, схемой регулирования температуры, возбудителем кварцевого резонатора и вспомогательными элементами. При этом термостат с кварцевым резонатором содержит нагревательный элемент, датчик температуры, размещенный в непосредственной близости от кварцевого резонатора, металлическую теплопроводящую пластину и крышку.It is known that when testing the frequency stability of quartz resonators during the production of thermostatted oscillators, the thermostated oscillators themselves can be used. In this case, the thermostating temperature is chosen equal to the temperature of the inflection point of the TFC of the resonator (60...85°C). Typically, a thermostat with a crystal resonator, a main board with a power supply, a temperature control circuit, a quartz resonator exciter and auxiliary elements are placed in the case of a thermostatted generator. At the same time, the thermostat with a quartz resonator contains a heating element, a temperature sensor located in close proximity to the quartz resonator, a metal heat-conducting plate and a cover.
Конструкция термостатированного генератора является неразборной, так как в паяном соединении находятся резонатор, металлическая пластина и крышка. Очевидно, что термостатированный генератор, не прошедший тестирование, подлежит уничтожению. Другим важным недостатком является невозможность использования методов ускоренного старения. The design of the thermostated generator is non-separable, since the resonator, metal plate and cover are in the soldered joint. It is obvious that a thermostated generator that has not passed the test must be destroyed. Another important disadvantage is the inability to use accelerated aging methods.
В заявке CN 107991561, опубл. 04.05. 2018, МПК G01R 31/00 описано устройство для испытания характеристик старения кварцевого резонатора, представляющее собой воздушный термостат (прототип). Устройство содержит разъемный с основанием корпус, тестовую плату коммутации для установки термостатов, универсальное основание с платой обработки сигналов, а также штекерную плату оснастки с функцией управления температурой и нагрева. При этом плата обработки сигналов универсального основания расположена в корпусе и соединяется с тестовой платой коммутации, а плата с функцией контроля температуры - штекерная плата оснастки расположена над платой обработки сигналов и имеет теплопроводящую пластину и гнездо для установки испытуемого резонатора. Штекерная плата оснастки с функцией регулирования температуры и нагрева устанавливается на универсальное основание и соединяется с платой обработки сигналов посредством штыревого соединения. После соединения штыревых соединений, полученное устройство для испытания характеристик старения устанавливается в систему старения, включается и отлаживается, затем проводится испытание характеристик старения, после чего кварцевый резонатор извлекается. In the application CN 107991561, publ. 04.05. 2018, IPC G01R 31/00 describes a device for testing the aging characteristics of a quartz resonator, which is an air thermostat (prototype). The device contains a split housing with a base, a test connection board for installing thermostats, a universal base with a signal processing board, and an accessory plug-in board with temperature and heating control. In this case, the signal processing board of the universal base is located in the housing and is connected to the test switching board, and the board with the temperature control function - the plug-in equipment board is located above the signal processing board and has a heat-conducting plate and a socket for installing the tested resonator. The accessory plug-in board with temperature and heating control is mounted on the universal base and connected to the signal processing board via a pin connection. After connecting the pin connections, the resulting aging tester is installed in the aging system, turned on and debugged, then the aging test is carried out, after which the quartz resonator is removed.
В известном устройстве для каждого тестируемого изделия используется индивидуальный воздушный термостат. Термостаты размещаются на тестовых платах, обеспечивающих питание термостатов и генераторов, а также коммутацию сигнала выходной частоты для измерения частотомером. К недостаткам известного устройства разборного типа можно отнести высокую сложность, поскольку каждый из термостатов является технически сложным изделием, состоящим из множества деталей и элементов. Для установки температуры каждого термостата используется подстроечный резистор, требуется предварительное измерение ТЧХ резонатора и ручная настройка температуры термостата для каждого изделия, что достаточно трудоемко и не позволяет производить автоматизированное тестирование на различных температурах. Поскольку испытания на долговременную стабильность проводятся на температуре точки перегиба ТЧХ, использовать ускоренные методы оценки старения не представляется возможным. Кроме того, в описании известной конструкции по заявке CN 107991561 не приведены сведения о фактической стабильности температуры в термостате при изменении внешних условий, в этой связи невозможно оценить его применимость для изделий с требованиями к стабильности 1х10-7. При использовании индивидуальных термостатов, которые имеют размеры порядка 10х10 см, очевидно, что установка системы старения, например, на 4 тыс. штук изделий при обеспечении возможности доступа к каждой тестовой плате и наличии проходов будет иметь большие габариты на площади не менее 40 м2. In the known device, an individual air thermostat is used for each tested product. Thermostats are placed on test boards that provide power to thermostats and generators, as well as switching the output frequency signal for measurement by a frequency meter. The disadvantages of the known collapsible type device include high complexity, since each of the thermostats is a technically complex product, consisting of many parts and elements. To set the temperature of each thermostat, a tuning resistor is used, a preliminary measurement of the TFC of the resonator and manual adjustment of the thermostat temperature for each product are required, which is rather laborious and does not allow automated testing at different temperatures. Since long-term stability tests are performed at the PST inflection point temperature, it is not possible to use accelerated aging methods. In addition, the description of the well-known design according to the application CN 107991561 does not provide information about the actual temperature stability in the thermostat when external conditions change, in this regard, it is impossible to assess its applicability for products with stability requirements of 1x10 -7 . When using individual thermostats, which have dimensions of the order of 10x10 cm, it is obvious that the installation of an aging system, for example, for 4 thousand pieces of products, with access to each test board and the presence of passages, will have large dimensions on an area of at least 40 m2 .
Задачей группы изобретений является создание устройства, характеризующегося простотой и компактностью конструкции, обеспечивающей применение методов ускоренной оценки долговременной нестабильности частоты кварцевых резонаторов (при повышенной температуре +1250С), а также методов испытаний при ступенчатом росте температуры, что позволяет повысить не только скорость испытаний, но и точность прогнозирования. The task of the group of inventions is to create a device characterized by simplicity and compactness of design, providing the use of methods for accelerated assessment of the long-term instability of the frequency of quartz resonators (at an elevated temperature of +125 0 C), as well as test methods with a stepwise increase in temperature, which makes it possible to increase not only the speed of testing, but also forecasting accuracy.
Технический результат - повышение точности прогнозирования и скорости испытаний при простоте и малогабаритности конструкции. The technical result is an increase in the accuracy of prediction and the speed of testing with the simplicity and small size of the design.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту установка для контроля долговременной стабильности частоты кварцевых резонаторов и генераторов достигается в установке, которая содержит термостат, шкаф с выдвижными полками, стандарт частоты, источник питания, управляющий ПК, подключенный к операторскому блоку. Согласно изобретению в шкафу на каждой выдвижной полке, которая выполнена по типу док-станции, установлены, по меньшей мере, четыре термостата для тестируемых изделий. Каждый из термостатов оснащен блоком питания, который размещен на соответствующей выдвижной полке. При этом на передней панели каждой полки расположены дисплеи и выключатели соответствующих термостатов, установленных на полке. А на задней панели размещены разъемы интерфейсов для связи с управляющим ПК, разъемы входа опорной частоты и подачи питающего напряжения. При этом в шкафу под выдвижными полками размещены стандарт частоты, источник бесперебойного питания и закреплен управляющий ПК, который подключен ко всем установленным на полках термостатам, а операторский блок дополнительно оснащен настольной док-станцией, выполненной подобно выдвижной. The specified single technical result in the implementation of a group of inventions on the object of an installation for monitoring the long-term stability of the frequency of quartz resonators and generators is achieved in an installation that contains a thermostat, a cabinet with sliding shelves, a frequency standard, a power source, a control PC connected to the operator unit. According to the invention, at least four thermostats for the products to be tested are installed in the cabinet on each drawer, which is made in the form of a docking station. Each of the thermostats is equipped with a power supply, which is located on the corresponding drawer. At the same time, displays and switches of the corresponding thermostats installed on the shelf are located on the front panel of each shelf. And on the rear panel there are interface connectors for communication with the control PC, connectors for the reference frequency input and supply voltage. At the same time, a frequency standard, an uninterruptible power supply are placed in the cabinet under the sliding shelves and a control PC is fixed, which is connected to all thermostats installed on the shelves, and the operator unit is additionally equipped with a desktop docking station, made like a sliding one.
Заявляемое техническое решение имеет отличия от прототипа. В заявляемой установке шкаф с выдвижными полками представляет собой простой аппаратный шкаф и не является термошкафом, как в прототипе. Для тестирования изделий в аппаратном шкафу установлены не сами изделия, а термостаты для них. Термостаты установлены на выдвижных полках, а полки для них выполнены по типу док-станций. На каждой полке установлено, по меньшей мере, четыре термостата, а каждый термостат снабжен блоком питания, размещенным внутри док-станции. Причем для обеспечения работы каждого из термостатов на соответствующей полке расположены выключатель, разъемы подключения к сети напряжения, к управляющему ПК и к стандарту частоты, а для отражения параметров испытаний в каждом термостате на полке, на ней установлен дисплей соответствующего термостата. Отличительной особенностью является размещение стандарта частоты, источника бесперебойного питания и управляющего компьютера не вне шкафа, а в самом аппаратном шкафу. В заявляемом техническом решении источник бесперебойного питания обеспечивает работу всех подключенных компонентов установки в установившемся температурном режиме термостатов при перебоях в электроснабжении длительностью до 30 минут и более, а также обеспечивает защиту от высоковольтных импульсов, помех, повышенного или пониженного напряжения в сети.The claimed technical solution differs from the prototype. In the claimed installation cabinet with sliding shelves is a simple hardware cabinet and is not a heating cabinet, as in the prototype. To test products in the hardware cabinet, not the products themselves are installed, but thermostats for them. Thermostats are installed on sliding shelves, and the shelves for them are made like docking stations. Each shelf contains at least four thermostats, and each thermostat has a power supply housed inside the docking station. Moreover, to ensure the operation of each of the thermostats on the corresponding shelf, there is a switch, connectors for connecting to the voltage network, to the control PC and to the frequency standard, and to reflect the test parameters in each thermostat on the shelf, a display of the corresponding thermostat is installed on it. A distinctive feature is the placement of the frequency standard, uninterruptible power supply and control computer not outside the cabinet, but in the hardware cabinet itself. In the claimed technical solution, an uninterruptible power supply ensures the operation of all connected components of the installation in a steady temperature regime of thermostats during power outages lasting up to 30 minutes or more, and also provides protection against high-voltage impulses, interference, overvoltage or undervoltage in the network.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту термостат, содержащему разъемный корпус, основную плату, нагревательный элемент и оснастку для тестируемого изделия, плата которой элементами крепления соединена с основной платой и нагревательным элементом, достигается следующим образом. В этом термостате согласно изобретению в верхней части корпуса размещен нагревательный элемент Пельтье, горизонтально расположенный на стенке корпуса, и распределитель тепла в виде диска ступенчатой формы из металла высокой теплопроводности. Причем распределитель тепла, который оснащен термодатчиком, закреплен на теплоизолирующих втулках в контакте с нагревательным элементом Пельтье, а термодатчик расположен в непосредственной близости к свободной поверхности диска распределителя. А в нижней части корпуса в соответствии со свободной поверхностью диска распределителя на плате оснастки установлен диск сепаратора, выполненный из металла высокой теплопроводности и снабженный отверстиями, в которых установлены контактные устройства для тестируемых изделий. Причем на основной плате указанного термостата установлены стабилизаторы питания каждого изделия и многоканальный частотомер для измерения частот выходного сигнала тестируемых изделий. При этом поверхности дисков обеих частей корпуса плотно притянуты друг к другу, посредством стяжного болта, установленного в теплоизолированном канале, выполненном в основании корпуса, на котором расположен разъем для подключения термостата.The specified unified technical result in the implementation of a group of inventions on a thermostat object containing a detachable housing, a main board, a heating element and equipment for a tested product, the board of which is connected by fasteners to the main board and the heating element, is achieved as follows. In this thermostat according to the invention, in the upper part of the housing there is a Peltier heating element, horizontally located on the housing wall, and a heat distributor in the form of a stepped disc made of high thermal conductivity metal. Moreover, the heat distributor, which is equipped with a temperature sensor, is fixed on heat-insulating bushings in contact with the Peltier heating element, and the temperature sensor is located in close proximity to the free surface of the distributor disk. And in the lower part of the body, in accordance with the free surface of the distributor disk, on the equipment board, there is a separator disk made of high thermal conductivity metal and provided with holes in which contact devices for the tested products are installed. Moreover, on the main board of the specified thermostat, power stabilizers for each product and a multichannel frequency meter are installed to measure the frequencies of the output signal of the tested products . In this case, the surfaces of the disks of both parts of the housing are tightly attracted to each other by means of a coupling bolt installed in a heat-insulated channel made at the base of the housing, on which a connector for connecting a thermostat is located.
Заявляемый термостат конструктивно отличается от прототипа тем, что в нем на стенке корпуса в качестве нагревательного элемента установлен элемент Пельтье и в контакте с ним размещен теплораспределитель в виде диска ступенчатой формы из металла высокой теплопроводности. Отличительной особенностью является также и то, что в нижней части корпуса в соответствии со свободной поверхностью диска распределителя на плате оснастки установлен диск сепаратора, выполненный из металла высокой теплопроводности. При установке сепаратора в термостат имеется возможность тестировать не одно, а около 50 изделий. Важной особенностью является обеспечение теплового контакта на поверхностях дисков в обеих частей корпуса, при котором диск теплового распределителя и диск сепаратора плотно притянуты друг к другу.The inventive thermostat structurally differs from the prototype in that it has a Peltier element as a heating element on the housing wall and a heat distributor in the form of a stepped disk made of high thermal conductivity metal is placed in contact with it. A distinctive feature is also the fact that in the lower part of the housing, in accordance with the free surface of the distributor disk, on the equipment board, a separator disk made of high thermal conductivity metal is installed. When installing a separator in a thermostat, it is possible to test not one, but about 50 products. An important feature is the provision of thermal contact on the surfaces of the disks in both parts of the housing, in which the heat spreader disk and the separator disk are tightly attracted to each other.
Долговременная нестабильность частоты кварцевых резонаторов и генераторов является гарантируемым параметром со сроком нормирования до 10 лет, что требует применения развитых методов ускоренных оценок, обеспечивающих достоверность с требуемой доверительной вероятностью, но не позволяет провести фактический контроль данного параметра при производстве изделий. Потребность в реализации одного из новых подходов к производству и контролю кварцевых резонаторов и генераторов может быть решена при использовании изобретений заявляемой группы.The long-term instability of the frequency of quartz resonators and generators is a guaranteed parameter with a normalization period of up to 10 years, which requires the use of advanced methods of accelerated estimates that provide reliability with the required confidence level, but does not allow for the actual control of this parameter in the manufacture of products. The need to implement one of the new approaches to the production and control of quartz resonators and generators can be solved using the inventions of the claimed group.
Заявляемая установка для контроля долговременной стабильности частоты кварцевых резонаторов и генераторов характеризуется простотой и компактностью обеспечивает применение методов ускоренной оценки долговременной нестабильности частоты кварцевых резонаторов (при повышенной температуре +1250С) и при использовании позволяет повысить не только скорость испытаний, но и точность прогнозирования. В составе заявляемой установки предусмотрено наличие шкафа с выдвижными полками, который представляет собой аппаратный шкаф для размещения электронного оборудования и сам по себе не является термостатом, что свидетельствует об упрощении конструкции. Поскольку электронное оборудование, состоящее из источников питания, системы коммутации частоты выходного сигнала, частотомера, включая компьютер со специальным программным обеспечением для управления процессом испытаний, сохранения и обработки данных, расположено в аппаратном шкафу, а на каждой выдвижной полке шкафа размещено несколько термостатов для тестируемых изделий, очевиден вывод о малогабаритности заявляемой установки. Градиент температур, создаваемый тестируемыми изделиями в термостатах установки, на несколько порядков меньше, нежели в принятой за прототип установке фирмы PRA Inc. Model 2360. В момент открытия двери аппаратного шкафа резкий всплеск температуры не оказывает влияние на температурное поле внутри рабочего объема при измерении долговременной стабильности частоты тестируемых изделий, находящихся в закрытых термостатах установленных на выдвижных полках. Поскольку изменение тепловой нагрузки изделий отсутствует, благодаря конструктивному решению используемых термостатов, обеспечивающих проведение испытаний при повышенной температуре +1250С, следует сделать вывод о скорости получения на установке достоверного прогноза отклонений.The proposed installation for monitoring the long-term stability of the frequency of quartz resonators and generators is characterized by simplicity and compactness, provides the use of methods for accelerated assessment of the long-term instability of the frequency of quartz resonators (at an elevated temperature of +125 0 C) and, when used, can increase not only the speed of testing, but also the accuracy of prediction. The proposed installation includes a cabinet with sliding shelves, which is a hardware cabinet for placing electronic equipment and is not a thermostat in itself, which indicates a simplification of the design. Since the electronic equipment, consisting of power supplies, the switching system of the output signal frequency, the frequency meter, including a computer with special software for managing the testing process, storing and processing data, is located in an equipment cabinet, and several thermostats for tested products are placed on each drawer shelf of the cabinet , the obvious conclusion about the small size of the proposed installation. The temperature gradient created by the tested products in the thermostats of the setup is several orders of magnitude smaller than in the PRA Inc. setup adopted as a prototype. Model 2360. At the moment of opening the door of the equipment cabinet, a sharp temperature spike does not affect the temperature field inside the working volume when measuring the long-term stability of the frequency of the tested products located in closed thermostats installed on sliding shelves. Since there is no change in the thermal load of products, due to the design solution of the thermostats used, which ensure testing at an elevated temperature of +125 0 С, a conclusion should be made about the speed of obtaining a reliable forecast of deviations at the installation.
Известно, что изменение температуры ускоряет процессы старения экспоненциально, следовательно, увеличение температуры с +600С до +1250С при выполнении контроля позволяет сократить необходимое время контроля до 2 раз, что позволяет обеспечить термостат заявляемой конструкции. Возможность проведения измерений при повышенных температурах (до +1250С) обеспечивается высокой точностью поддержания температуры в термостате с помощью теплораспределительного диска ступенчатой формы. На долговременную нестабильность частоты одновременно оказывают влияние различные физические процессы с разной энергией активации, характеризующиеся различной длительностью во времени (дни–недели–месяцы–годы). Применение метода ступенчатого изменения температуры позволяет получить более точную математическую модель изделия для прогноза долговременных уходов частоты при температуре эксплуатации. При повышенных значениях температуры крутизна температурно-частотной характеристики (ТЧХ) кварцевых генераторов достаточно велика и характеризуется значением 1х10-6 на 10С. Для достижения точности измерений, характеризующейся значением 2х10-8, необходимо обеспечить высокую точность поддержания температуры до 0,020С, что обеспечивает возможность контроля изделий с требованиями к стабильности частоты на уровне 1х10-7. Такой результат достигается в заявляемом термостате за счет формы и материала теплораспределителя, который в контакте с элементом Пельтье функционально выполнен как твердотельный термостат. Последний при этом представляет собой толстый диск ступенчатой формы из металла высокой теплопроводности, закрепленный по центру на теплоизолирующих втулках, окруженный теплоизоляцией и снабженный термодатчиком, который расположен в непосредственной близости к свободной поверхности толстого диска распределителя. Важно то, что в конструкции термостата предусмотрена возможность обеспечения наилучшего теплового контакта свободной поверхности толстого диска теплораспределителя и поверхности диска сепаратора из металла высокой теплопроводности, установленного на плате оснастки для тестируемых изделий. Оба диска из металла высокой теплопроводности хорошо отшлифованы и плотно прижаты друг другу посредством стяжного болта, соединяющего разъемные части термостата. Конструкция термостата при наличии сепаратора позволяет тестировать не одно изделие, а группу изделий, что свидетельствует о компактности устройства. Термостат заявляемой конструкции для группы изделий позволяет обеспечить наилучшие температурные характеристики с учетом их собственного тепловыделения и того, что теплопроводность такого металла, как например, медь в 10 тыс. раз больше теплопроводности воздуха для случая применения воздушного термостата. It is known that a change in temperature accelerates the aging process exponentially, therefore, an increase in temperature from +600From to +1250C when performing control allows you to reduce the required control time up to 2 times, which allows you to provide a thermostat of the proposed design. Possibility of measurements at elevated temperatures (up to +1250C) is provided with a high accuracy of maintaining the temperature in the thermostat with the help of a heat-distributing disk of a stepped shape. Long-term frequency instability is simultaneously affected by various physical processes with different activation energies, characterized by different durations in time (days–weeks–months–years). The use of the temperature step change method allows one to obtain a more accurate mathematical model of the product for predicting long-term frequency drifts at the operating temperature. At elevated temperatures, the steepness of the temperature-frequency characteristic (TFC) of quartz oscillators is quite large and is characterized by a value of 1x10-6 for 10C. To achieve measurement accuracy, characterized by a value of 2x10-8, it is necessary to ensure high accuracy of maintaining the temperature up to 0.020C, which provides the ability to control products with requirements for frequency stability at the level of 1x10-7. This result is achieved in the inventive thermostat due to the shape and material of the heat distributor, which in contact with the Peltier element is functionally made as a solid-state thermostat. The latter in this case is a thick stepped disk made of high thermal conductivity metal, fixed in the center on heat-insulating bushings, surrounded by thermal insulation and equipped with a temperature sensor, which is located in close proximity to the free surface of the thick distributor disk. It is important that the design of the thermostat provides for the possibility of providing the best thermal contact between the free surface of the thick disk of the heat spreader and the surface of the separator disk made of high thermal conductivity metal, installed on the equipment board for the tested products. Both discs made of high thermal conductivity metal are well ground and tightly pressed to each other by means of a coupling bolt connecting the detachable parts of the thermostat. The design of the thermostat in the presence of a separator allows you to test not one product, but a group of products, which indicates the compactness of the device. The thermostat of the proposed design for a group of products allows you to provide the best temperature characteristics, taking into account their own heat release and the fact that the thermal conductivity of a metal such as copper is 10 thousand times greater than the thermal conductivity of air for the case of using an air thermostat.
Группа изобретений относится к объектам одного вида, один из которых установка для контроля долговременной стабильности частоты кварцевых резонаторов и генераторов с точки зрения решаемой задачи является главным, а термостат в достижении заявленного технического результата специально предназначен для использования в главном изобретении и является его частью. Заявляемая группа изобретений соответствует требованиям единства изобретения, поскольку группа однообъектных изобретений связаны между собой настолько, что образует единый изобретательский замысел. The group of inventions relates to objects of the same type, one of which is the main device for monitoring the long-term stability of the frequency of quartz resonators and generators from the point of view of the problem being solved, and the thermostat, in achieving the claimed technical result, is specially designed for use in the main invention and is part of it. The claimed group of inventions meets the requirements of unity of invention, since the group of one-object inventions are interconnected to such an extent that they form a single inventive concept.
Изобретения поясняются графическими материалами. На фигуре 1 представлена установка для контроля долговременной стабильности частоты кварцевых резонаторов и генераторов; фиг. 2 – шкаф с выдвижными полками; фиг. 3 - выдвижная полка, вид спереди; фиг. 4 – выдвижная полка, вид сзади; фиг. 5 – термостат; фиг. 6 – выносной элемент I на фиг. 5; фиг. 7 – сепаратор; фиг. 8 – сепаратор при установке тестируемого изделия.The inventions are illustrated by graphic materials. The figure 1 shows an installation for monitoring the long-term stability of the frequency of quartz resonators and generators; fig. 2 - cabinet with sliding shelves; fig. 3 - sliding shelf, front view; fig. 4 – sliding shelf, rear view; fig. 5 - thermostat; fig. 6 - remote element I in Fig. five; fig. 7 - separator; fig. 8 - separator when installing the tested product.
Установка для контроля долговременной стабильности частоты кварцевых резонаторов и генераторов содержит металлический шкаф 1 для электронного оборудования с выдвижными полками 2, стандарт частоты 3 рубидиевый, источник бесперебойного питания 4, управляющий ПК 5, подключенный к операторскому блоку с монитором, мышью и клавиатурой, который расположен вне шкафа 1. При этом на каждой полке 2, которая установлена на телескопических направляющих и выполнена по типу док-станции, установлены, по меньшей мере, четыре термостата 6 для тестируемых изделий 7. Каждый термостат 6 на соответствующей полке 2 оснащен блоком питания, установленным внутри док-станции 2. На передней панели каждой полки 2 расположены дисплеи 8 и выключатели 9 соответствующих термостатов 6, установленных на полке 2, а на задней панели (фиг. 4) размещены разъемы 10, 11 подключения к сигналу опорной частоты, подачи питающего напряжения и разъем 12 подключения к интерфейсу RS-485 для связи с управляющим ПК 5. При этом в шкафу 1 под выдвижными полками 2 закреплен стандарт частоты 3, установлен источник бесперебойного питания 4, а также управляющий ПК 5 (фиг.2). Стандарт частоты 3 подключен к полкам 2 и через них ко всем термостатам 6. На передней панели стандарта частоты 3 расположены выход опорной частоты 10 МГц, используемой для измерения выходной частоты изделий электронно-счетным методом, индикатор «Работа» и выключатель питания. На задней панели расположен разъем питания 220 В и клемма заземления. Аналогично управляющий ПК 5 подключен к каждому из термостатов 6, установленных на полках 2. При этом блок оператора оснащен настольной док-станцией 13, предназначенной для проверки каждого из термостатов 6 в отношении правильности установки в термостат изделий 7 и оценки их работоспособности. На настольной док-станции 13, выполненной подобно выдвижной док-станции 2, допускается проведение контроля долговременной стабильности изделий.The installation for monitoring the long-term stability of the frequency of quartz resonators and generators contains a
Термостат 6 содержит разъемный корпус 14, основную плату 15, нагревательный элемент 16 и оснастку 17 для тестируемого изделия 7, при этом плата оснастки 17 элементами крепления 18 соединена с основной платой 15 и нагревательным элементом 16. В верхней части корпуса 14 размещены нагревательный элемент 16 - элемент Пельтье и теплораспределитель 19, который выполнен в виде диска ступенчатой формы из металла высокой теплопроводности. Элемент Пельтье 16 горизонтально расположен на стенке корпуса 14, а диск 19 закреплен на теплоизолирующих втулках 20 в контакте с нагревательным элементом 16, при этом в непосредственной близости к свободной поверхности диска 19 размещен термодатчик 21. Помимо этого в нижней части корпуса 14 в соответствии со свободной поверхностью диска 19 на плате оснастки 17 установлен диск сепаратора 22, выполненный из металла высокой теплопроводности и снабженный отверстиями. В отверстиях сепаратора 22 установлены контактные устройства 23 для тестируемых изделий 7 (фиг. 6, 8). Контактные устройства 23 могут быть выполнены по типу штекерных или могут иметь основу из термостойкого пластика с подпружиненными контактами, обеспечивающими как подключение к контактным площадкам корпусов изделий, так и равномерный прижим изделий к диску теплораспределителя 19 для надежного теплового контакта. На основной плате 15 установлены стабилизаторы питания каждого изделия и многоканальный частотомер (патент на полезную модель №156557, не показаны) для измерения частот выходного сигнала тестируемых изделий 7. При этом поверхности дисков 19, 22 обеих частей корпуса 14 плотно притянуты друг к другу, посредством стяжного болта 24, установленного в теплоизолированном канале 25, выполненном в основании корпуса 14, на котором расположен разъем 26 для подключения термостата 6 к любой из док-станций, как выдвижной 2, так и настольной 13.The
Установка работает следующим образом. Управляющий компьютер 5 через полки 2 подключается ко всем термостатам 6 по интерфейсу RS-485. Для запуска установки и программного обеспечения управляющего ПК 5 необходимо открыть переднюю дверь шкафа 1, включить питание установки кнопкой на передней панели источника бесперебойного питания 4, на который подается напряжение сети 220 В. От источника бесперебойного питания 4 напряжение подается на управляющий компьютер 5, стандарт частоты 3 и полки 2. На управляющем компьютере 5 запускается программа тестирования. Перед этим тестируемые изделия 7 загружаются в каждый из термостатов 6 с соответствующей типоразмеру корпусов изделий 7 оснасткой 17, для которых в отверстиях сепаратора 22 размещены контактные устройства 23 того или иного вида. В установке одновременно могут использоваться термостаты с разными видами оснастки. Для загрузки изделий 7 термостат 6 должен быть разобран. Изделия 7 осторожно укладываются в контактные устройства 23, установленные в отверстиях сепаратора 22, с помощью пинцета (фиг. 8), для кончиков которого в стенках каждого контактного устройства 23 имеются прорези. Обе части термостата - верхняя и нижняя соединяются посредством стяжного болта 24, установленного в теплоизолированном канале 25, так, чтобы поверхности дисков 19, 22 обеих частей корпуса 14 были плотно притянуты друг к другу. Собранный термостат 6 с установленными изделиями 7 перед установкой на док-станцию 2 аппаратного шкафа 1 необходимо установить на настольную док-станцию 13, размещенную на столе оператора и произвести проверку правильности установки изделий 7. Для этого с помощью пользовательской программы в ручном режиме выполняется измерение частот и потребляемого тока изделий. Неправильно установленные в контактные устройства 23, или неработоспособные изделия 7 будут иметь характеристики, например, высокий ток потребления или нулевая генерируемая частота, значения которых заметно отличаются от нормальных значений. Проверка на настольной док-станции позволяет выявить неправильно установленные и неработоспособные изделия еще до начала полного цикла тестирования. Если какие-то из установленных изделий 7 были неработоспособны или установлены неправильно, то термостат 6 должен быть разобран в порядке, обратном сборке. Неправильно установленные изделия 7 устанавливаются заново, а неработоспособные изделия заменяются следующими изделиями, которые требуется протестировать. Термостат 6 с установленными изделиями 7 заново собирается и проверяется, пока все установленные изделия не окажутся работоспособными и установленными правильно. После этого термостат 6 устанавливается в док-станцию 2, при этом разъем 26 термостата 6 совмещается с разъемом посадочного места док-станции 2. После установки термостата 6 включают для него блок питания. При заполнении выдвижных док-станций 2 термостатами 6 полки 2 задвигаются в шкаф 1 до защелкивания в стопор телескопических направляющих. В процессе тестирования управляющий компьютер 5 осуществляет управление работой термостатами, измерение параметров изделий 7, обработку и вывод этой информации. Так в соответствии с заданной на управляющем компьютере 5 программой поддерживается температура и непрерывно измеряется частота выходного сигнала изделий 7. Информация о температурах тестирования и времени выдержки на заданных температурах фиксируется. Когда тестирование завершается, термостат 6 с помощью ручки 27 снимается с посадочного места полки 2, которая выдвигается из шкафа 1. Для снятия термостата 6 с посадочного места на полке 2 сначала выключается его блок питания. После снятия с полки 2 термостат 6 разбирается, затем изделия 7 аккуратно вынимаются пинцетом из контактных устройств 23. А на основании полученных данных составляется прогноз долговременной нестабильности частоты изделий и принимается решение об их пригодности к эксплуатации.The installation works as follows. The
При реализации группы заявляемых технических решений могут быть использованы известные применяемые в указанной области техники средства, конструктивные узлы, комплектующие детали, элементы и материалы. В промышленном исполнении установка занимает площадь размером 0,6х0,6 м.When implementing the group of claimed technical solutions, known means used in the specified field of technology, structural components, components, elements and materials can be used. In industrial version, the installation occupies an area of 0.6x0.6 m.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020138619A RU2767302C1 (en) | 2020-11-25 | 2020-11-25 | Installation and thermostat for monitoring long-term stability of frequency of quartz resonators and generators |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020138619A RU2767302C1 (en) | 2020-11-25 | 2020-11-25 | Installation and thermostat for monitoring long-term stability of frequency of quartz resonators and generators |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2767302C1 true RU2767302C1 (en) | 2022-03-17 |
Family
ID=80737090
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020138619A RU2767302C1 (en) | 2020-11-25 | 2020-11-25 | Installation and thermostat for monitoring long-term stability of frequency of quartz resonators and generators |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2767302C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2789223C1 (en) * | 2022-09-20 | 2023-01-31 | Даниль Олегович Даниленко | Resonator temperature control system |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2349025C1 (en) * | 2007-05-16 | 2009-03-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие Омский научно-исследовательский институт приборостроения | Production method of minuature quartz generator (resonator)-thermostat |
| US20100207638A1 (en) * | 2009-02-17 | 2010-08-19 | Quanta Computer, Inc. | Testing System and Testing Method |
| EP2228903A1 (en) * | 2009-03-09 | 2010-09-15 | Micro Crystal AG | Oscillator device comprising a thermally-controlled piezoelectric resonator |
| US20150023388A1 (en) * | 2012-09-21 | 2015-01-22 | Masato Tanabe | Quartz-temperature-measurement probe and quartz-temperature-measurement device |
| CN107991561A (en) * | 2017-11-29 | 2018-05-04 | 北京无线电计量测试研究所 | A kind of ageing properties test device and method for quartz-crystal resonator |
-
2020
- 2020-11-25 RU RU2020138619A patent/RU2767302C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2349025C1 (en) * | 2007-05-16 | 2009-03-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие Омский научно-исследовательский институт приборостроения | Production method of minuature quartz generator (resonator)-thermostat |
| US20100207638A1 (en) * | 2009-02-17 | 2010-08-19 | Quanta Computer, Inc. | Testing System and Testing Method |
| EP2228903A1 (en) * | 2009-03-09 | 2010-09-15 | Micro Crystal AG | Oscillator device comprising a thermally-controlled piezoelectric resonator |
| US20150023388A1 (en) * | 2012-09-21 | 2015-01-22 | Masato Tanabe | Quartz-temperature-measurement probe and quartz-temperature-measurement device |
| CN107991561A (en) * | 2017-11-29 | 2018-05-04 | 北京无线电计量测试研究所 | A kind of ageing properties test device and method for quartz-crystal resonator |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2789223C1 (en) * | 2022-09-20 | 2023-01-31 | Даниль Олегович Даниленко | Resonator temperature control system |
| RU2816553C1 (en) * | 2023-07-10 | 2024-04-01 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электронной техники" (АО "НИИЭТ") | Test bench of electronic component base for reliability |
| RU222194U1 (en) * | 2023-10-11 | 2023-12-14 | Акционерное общество "Государственный Рязанский приборный завод" | Thermostat for testing the electrical strength of solid dielectrics at elevated temperatures |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Simpson et al. | Load-pull+ NVNA= enhanced X-parameters for PA designs with high mismatch and technology-independent large-signal device models | |
| TWI386652B (en) | Method and system for recognizing status of electric appliances, and computer program product thereof | |
| CN108375706A (en) | The method that temperature rises Auto-Test System and tests Wen Sheng | |
| CN102621381A (en) | Automatic temperature-frequency characteristic measuring instrument for thermostatic crystal oscillators | |
| Fairweather et al. | Modelling of VRLA batteries over operational temperature range using pseudo random binary sequences | |
| CN105607027A (en) | High-low temperature weather effect testing device for electric energy meter | |
| CN109946536A (en) | A kind of comprehensive reliability test system based on OPC technology | |
| CN102435352B (en) | Control and acquisition device of microwave power calorimeter | |
| Tufts et al. | The threshold analysis of SVD-based algorithms | |
| RU2767302C1 (en) | Installation and thermostat for monitoring long-term stability of frequency of quartz resonators and generators | |
| US8272780B1 (en) | Multiple-unit thermal test apparatus for electrical devices | |
| Brunetti et al. | A new microcalorimeter for measurements in 3.5-mm coaxial line | |
| CN211372867U (en) | Refrigerator monitoring device | |
| CN206990690U (en) | Low frequency noise measurement device | |
| CN112763931A (en) | Secondary power supply automatic test system, method and storage medium | |
| Brunetti et al. | Comparison among coaxial microcalorimeter models | |
| CN115236436A (en) | Detection method, device and system for opening and closing drawer and storage medium | |
| CN205139217U (en) | Take residual current circuit breaker testing capabilities's novel complex function universal meter | |
| Randa et al. | Stability measurements on noise sources | |
| CN111477263A (en) | Server hard disk thermal aging testing device | |
| US20050187743A1 (en) | Method of determining measurment uncertainties using circuit simulation | |
| CN206400065U (en) | Temperature refrigerant Surface Mount piece PCB test tool | |
| CN101826047B (en) | Mainboard measuring device for stimulating central processing unit | |
| CN215116506U (en) | Automatic detection equipment | |
| CN212459892U (en) | Electric product temperature rise testing arrangement |