Пьезокварцевый преобразователь температуры

. СОЦИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК САНИЕ ИЗОБРЕТг,"К АВТОРСКОМ ВИДЕТЕЛЪСТВУ ОСУДАРСТВЕННЪЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР 1(56) Авторское свидетельство СССР М 1239532, кл, 6 01 К 7/32, 1986.. Авторское свидетельство СССР Ь 163395, кл, 6 01 К 7/32, 1987, (54) ПЬЕЗОКВАРЦЕВЫЙ ПРЕОБРАЗОВА. ТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ(57) Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерения путем увеличения крутизны преобразова(51)5 0 01 К 7/32е) " л 2."111 Лц ния, Пьезокварцевый преобразователь температуры (ППТ) с частотным выходом содержит усилитель 1, выполненный на транзисторе 2; включенном по схеме с общим коллектором, многомодовый термочувстви. тельный кварцевый резонатор 7, последова. тельныйС-контур, включенный между эмиттербм-и коллектором"тра йзистора. Средняя точкаС-контура через второй фазирующий конденсатор 4 соединена с кол- лектором транзистора 2. Параметры реактивных элементов связань определенным соотношением. Это позволяет обеспечить в ППТдвухчастотйый режим и йовысить крутизну преобразования, 4 ил,Изобретение относится к технике температурных измерений,Цель изобретения - повышение точности измерения путем увеличения крутизныпреобразования. 5На фиг,1 представлен пьезокварцевыйпреобразователь температуры с частотнымвыходом; на фиг.2 - типичный спектр гармоникового многомодового кварцевогорезонатора 1.С-среза; на фиг,З - темпера(т 111), гармонического (1311) и наиболее ин-,тенсивйых ангармонических обертонов гармоникового многомодового кварцевогорезонатора ЕС-среза; на фиг,4 - резонансная характеристика реактивной цепи, включенной между коллектором и эмиттеромтранзистора, и расположение гармоник иангармоник кварцевого резонатораС-среза на частотной оси, 20. Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом содержитусилитель 1, выполненный на транзисторе 2с общим коллектором, первый фазирующийконденсатор 3; включенный между базой и 25эмиттером транзистора, второй фазирую. щий конденсатор 4, подключенный междуколлектором транзистора и точкой соединения катушки 5 индуктивности и конденсатора 6, которые подключены соответственно к ЗОколлектору и эмйттеру транзистора; многомодовый термочувствительный кварцевыйрезонатор 7, включенный между базой иколлектором транзистора, нагрузочный резистор 8, резистивный делитель, состоящий 35из резисторов 9 и 10, и блокировочный конденсатор 11.Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом работаетследующим образом 40: В преобразователе используетсяф многомодовый термочувствительный гармониковый кварцевый резонатор У-срезаили 1 С-среза. Резонаторы этого типа, каки резонаторы АТ-среза, принадлежат к 45пьезорезонаторам с локализацией толщинно-сдвиговых колебаний Й являютсямультимодными с интенсивными ангармо. ническими модами, На фиг 2 приведен типичный спектр колебаний гармоникового 50кварцевого резонатора 1.С-среза, где А -отношение динамических сопротивленийна основном колебании и соответствующийгармонической или ангармонической моде;Ьппр - частота моды колебаний, а,п,р - 55число стоячих полуволн (или колеблющихсясегментов пластины) вдоль осей у,х,а кварцевого резонатора соответственно; 011 -основное колебаниие; т 113, т 131, 1115 - ангармонические обертойц основного колеба посл = 1/2 К вной разктивной цепиСТОТ трз = 1315 =трз=т 315 тз1 этой реа ности ча выбрать(2 а частоту а араллельн езон тпзр = -2 у 1 С 2активной цепи выбрать равнойаЗНОСтИ ЧаетОт трз = ТЗ 15 - т 311.1пар 21 рз = 2(315 311) = - )файфлСто резонансная характеристика такойтивнойцепи на частотной оси с модаммочувствительного кварцевого резонна частоту , - 26,5 МГц будет выглсогласно фиг,4,Из фиг.4 следует, что между част1 рз и 2 трз, где расположены основныебание т 111 и его ангармоники б 1 з, 631 этой ре еньгой р во(4) еак- тертора деть отами колет 115 ния; 1311 - третья гармоника основного колебания; 1313, тзз 1, 1315 - ангармонические обертоны третьей гармоники кварцевого резонатора С-среза, который выполняется герметизированным с гелиевым заполнением.В описываемом пьезокварцевом преобразователе температуры с частотным выходом необходимо возбудить в двухчастотном режиме колебания некратных частот 11 и 2, близких к собственным резонансным частотам третьей гармоники тз 11 с положительным температурным коэффициентом частоты и ее ближайшей интенсивной ангармоники тз 15 с отрицательным температурным коэффициентом частоты кварцевого: резонатора 7 при наличии в нем такжеин- тенсивных мод основного колебания т 111 и ангармоник 111 з, 1131, 1115, Устойчивость двухчастотного режима в преобразователе обеспечивается за счет подавления основного колебания 1111 и его ангармоник т 11 з, 1131, т 115. Это осуществляется подавление благодаря включению между коллектором и эмиттером транзистора 2 реактивной цепи, состоящей из последовательно соединенных конденсатора 6 и параллельного контура, включающего катушку 5 индуктивности и конденсатор 4, Если частоту последовательного резонанса17479475 реактивная цепь носит индуктивный характер, и, следовательно, для этих частот в преобразователе на базе емкостного трехточечного генератора не будут выполняться 5фазовые соотношения и эти частоты возбудиться не смогут. Для частот третьей гармо-ники 1311 и ее интенсивной ангармоники 1315,как видно из фиг,4, указанная реактивнаяцепь носит емкостный характер, й следова . тельно, для этих частот фазовые соотношения выполняются и необходимое условиеобеспечения двухчастотных колебаний преобразователя имеет место, Достаточноеусловие существования двухчастотных колебаний в преобразователе на частотах1311 и 1315 обеспечивается подавлением навходе нелинейного активного элемента -транзистора. 2 разностной частоты=1315- 1311 с помощью все той же реактивной 20цепи, состоящей из конденсаторов 4 и 6 и " катушки 5 индуктивности.Соотношения (1) - (4) позволяют связатьмежду собой параметры элементов реактивной цепи. Действительно, разделив(4) на(2), 25получают 1 пар 2 тра1.С + 2(5)тпосл тра С 230отсюда"(6) 35 Для гармоникового термочувствительного кварцевого резонатора на частоту26,5 МГц по третьей гармонике температурный коэффициент чувствительности Ст 1 = 40 =1000 Гц/ССледовательно, в предлагаемом преобразователе температурн ый коэффициент чувствительности составляет = 4440 Гц/С.Таким образом, существенно повышена45 крутизна характеристики преобразованияблагодаря использованйю лишь одного. кварцевого резонатора, уменьшаетсядрейф нуля и улучшается долговременная нестабильность частоты; определяемая, 50 главным образом, старением кварцевогорезонатора, старение приводит к примерно идентичным уходам частот 1311 и 1315 и к компенсации этих уходов в выходной частоте, используется двухчастотный режим, что 55 резко улучшаетспектральный состав на вы-.ходе устройства.Формула изобретенияПьезокварцевый преобразователь температуры, содержаЩий усилитель на транзисторе, включенном по схеме с общим . Сс =316 л 2315 - 131 1)С - . (8) 4 л 2(21 рэ)- 16 л 2(315 - 311) 1 Подставляя (8) в (7), получают Таким образом, при выборе параметровэлементов реактивной цепи в соответствии с (9) в предлагаемом пьезокварцевом преобразователе с частотным выходом возбуждаются некоторые частоты б = 1 з 11 и 6 = 1 з 15, зависящие от измеряемой температуры следующим образом;Х 1ЮЗ 11= 1 311+ Ст 1(Т.-То); (10) т 2 т 315 = т 315+ Ст 2 (Т-То), (11) , где То - температура в реперной точке;Ст 1 - тЕМПЕратурНЫй КОЭффИцИЕНт ЧуаСтВИтЕЛЬНОСтИ МОДЫ 1311(Ст 10);Ст 2 - температурный коэффициент чувСтВИтЕЛЬНОСтИ МадЫ 1315(Ст 20). 6За счет нелинейности характеристики активного элемента - "транзистора 2 в выходном сигнале" преобразователя, помимо основных частотз 11 и 1315, имеются комби- НацИОННЫЕ КОЛЕбаНИя 21 ра = 2(1 З 15 - 1311), 1 ра = 1315- ТЗ 11, В качестве выхоДного колебания преобразователя используется втбрая гармоника разностной частоты Грз, которая зависит от температуры следующим образом; твых = 2 трз = 2315 - т 311) = 2(1 315.++ 2(Ст 2 - Ст 1) (Т-То) = 2 т рз +2 Стрз (Т-То) = 1 вых + Ствых (Т-То) (12) и которая эффективно выделяется параллельным контурбм; состоящим из катушки 6 индуктивностии конденсатора 5, С учетом того, что для кварцевых резонаторов ЕС- среза справедлйво следующее равенство: 315 т 2 (1 15 1 22) (13)311 Ст 1 результирующий коэффициент темпеоатурной чувствительности Ств 1 х равен Ствых =2(Ст 2- Ст 1) =2(-1,22 Ст 1тз 11) 16 л 2 5 - 1 где з 11 и Ь 5 - гармонический и а ческий обертоны многомодового ствительного кварцевого резонат Сс и 1 - емкость и индуктив ментов 1 С-контура; С 2- емкость второго фазирую денсатора. 15НГЭРМОНИтермочувора;НОСть ЗЛВщЕгс кОН Гг Ф оставитель В, Ярыч ехред М;Моргентал 4 Редакб ор Н ргТираж . Подписн рственного комитета по изобретениям и откр113035, Москва, Ж, Раушская йаб., 4/5 Заказ ВСССР ГК 10 водственно-издательский комбинат "П жгород, ул. Гагари 1747 коллектором, первый фазируащий конденсатор, включенный между базой й змиттером транзистора, второй фазирующий конденсатор, многомодовый термочувствительный кварцевый резонатор, включенный между базой и коллектором транзистора, и последовательный 1.С-койтур; включенный между змиттером и.коллектором трайзисторэ; о т л. и ч ающ ий С я тем, что, с целью пбвыаения точности измерегнйя путем увеличения крутизны йреобразовэния; точка соединения катушки индуктивности й кон-. денсатора последовательного 1.С-контура связайа с кбллектором транзистора через6 второй фазирующий конденсатор, при этом параметры реактивных элементов. выбраны из условияСк=3 Ср=