Пьезокварцевый преобразователь температуры

ОК)3 СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИХЕСПУБЛИК О л,7/3 51)5 0 НОЕ ПАТЕНТНО ВЕДОМСТВО СССР(ГОС АТЕНТ СССР) ИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ оис ТУРЫый преобразователь темть изобретения: устройститель 1 на транзисторе 2, конденсатора 3, 4, многовствительный кварцевый ледовательный С-контур ель на транзисто е вклюЛГз 15-1 з 1) Ц, где 1 з 1 и 12нического и ангармоййчмногомодового термочувцевого резонатора; Сс идуктивность элементов 1емкость второго фазируюра 4, Вкл,макс 2 ю 1 р ./10,симально дОпустимоезамкнутого ключа; 1 Р = 1 з ТЕЛ (57) перво м з ректором, певключен мстора, мной кварцевы схеме с общим ко ы щий конденсат эмиттером тра рмочувствитель жду разностного колебания, 4 ил.мобазой довы ТЕМПЕРА езоквэрце ры. Сущнос ержит усил зирующих ый термочтор 5, посч 7. Усилит з 15-частоты гармоеского обертонов ствительногбквар-- емкость и ин- С - контура; С 4 щего конденсатогде Вкл.макс макс о и рот и еле ние" 15 - 1 з 11 - частота1793277 10 15 Рки:макс = 2 л 1 р/10 Изобретение относится к области температурных измеренйй, в частности к устройствам контроля температурных воздействий на исследуемый объект и является усовершенствованием известного пьеэоквэрцевого преобразователя температуры.Известен пьезокварцевый преобразоватЕль температуры, содержащий усилитель на транзисторе, включенный по схеме с общим коллектором, первый фазирующий конденсатор, включенный между базой и эмиттером транзистора, второй фазирующий конденсатор, многбмодоеый термочувствительный кварцевый резонатор, включенный между базой и коллектором транзистора, и последовательныйС-контур, включенный между эмиттером и коллектором транзистора, причем точка соедийения катушки индуктивности и конденСатора последовательного .С-контура связана с коллектором транзистора через второй фазирующий конденсатор, при этом параметры реактивных элементов выбраны из условия Сс =ЗС 4 3 16 л ( 1315 - тз 11 ) 1где тз 11 й тз 15 - частоты гармонйческого и ангармонического обертонов многомодового термочувствительного кварцевого резонатора;Сс. и- емкость и индуктивность элементов 1 С-контура;С 4 - емкость второго фазирующего конденсатора.К недостаткам этого устройства следует отнести то, чтозоны устойчивости двухчастотного режима колебаний по напряжению источника питания составляют 2,30 В, При этом, если возникает необходимость работы преобразователя температуры в одночастотйом режиме, например, в составе традиционных одночастотных измерителей температуры или при аттестации резонатора по основной моде колебаний, приходится уменьшать напряжение источника питания до 1.2 В, уменьшая иамплитуду выходного колебания. Это приводит к невозможвост 14 использования преобразователя без дополнительного усиления выходного колебания и, в конечном итоге, к сужению круга функциональных воэможностей.Целью изобретения является расширение функциональных возможностей.Цель достигается благодаря тому, что в пьезокварцевый преобразователь температуры, содержащий усилитель на транзисторе, включенный по схеме с общим коллектором, первый фазирующий конденсатор, включенный между базой и змиттером транзистора, второй фазирующий конденсатор, многомодовый термочувствительный кварцевый резонатор, включенный между базой и коллектором транзистора, и последовательныйС-контур, включенный между эмиттером и коллектором транзистора, причем точка соединения катушки индуктивнрсти и конденсатора последовательногоС-контура связана с коллектором транзистора через второй фазирующий конденсатор, при этом параметры реактивных элементов выбраны из условия С с = ЗС 4 3 16 К ( 1315 1311 )введен ключ, включенный между катушкойиндуктивности и коллектором транзистора,при этом сопротивление ключа в замкнутомсостоянии выбрано не превышающим где Йкл.макс - максимально допустимое сопротивление замкнутого ключа;тр = 1 З 15 - тз 11 - частота разностногоколебания;,Е - индуктивностьС-контура.Пьезокварцевый преобразователь температуры с частотным выходом представлен на фиг, 1; на фиг. 2 приведен типичныйспектр гармоникового многомодового кварцевого резонатора 1.С-среза; на рис, 3 приведены температурно-частотные характеристикиосновного 1111), гармонического (1 з 1 1) и наиболееинтенсивных ангармонических обертонов4 гармоникового многомодоаого кварцевогорезонатораС-среза; фиг, 4 иллюстрируетрезонансную характеристику реактивнойцепи, включенной между коллектором иэмиттером транзистора, и расположениегармоник и ангармоник кварцевого резонатора 1.С-среза на частотной оси.Пьезокварцевый преобразователь температуры содержит усилитель 1 на транзисторе 2, включенном по схеме с общимколлектором, первый фазирующий конденсатор 3, включенный между базой и змиттером транзистора, второй фазирующийконденсатор 4, многомодовый термочувствительный кварцевый резонатор 5, вклю-.ченный между базой и коллекторомтранзистора, и последовательный ЕС-контур 6, включенный между эмиттером и коллектором транзистора, а также ключ 7,включенный между катушкой индуктивности и коллектором транзистора.1793277 15 20 011 Зн осн као мон ква вып . вым трет рий мы .Пье 197 посл =12 Ю этонос к пос 5 3) этой енно 5Пьезокварцевый преобразователь температуры работает следующим образом.В преобразователе используется многомодовый термочувствительный гармони ковй кварцевый резонатор У-среза илиС-среза (например, сериййо выпускаемый в СССР кварцевый резонатор с Го = 26,5 МГц), Резонаторы этого типа, как и резонатор АТ-среза, принадлежат к пьезорезона тор м с локализацией толщинно-сдвиговых кол баний и являются мультимодовйми с инт нсивными ангармоническими модами. На иг. 2 приведен типичный спектр колебан й гармоникового кварцевого резонатораС- реза, где А - отношение динамических соп отйвлений на основном колебании и соо ветствующий гармонической или ангармонической моде; 1 л и р - частота моды кол баний; гп, и, р - число стоячих полуволн (ил колеблющихся сегментов пластины) вдо ь осей У, Х, Е кварцевого резонатора соо ветственно; 1111 - основное колебание; 11 з 1, 1115 ан гармонические обертоны вного колебания; з 11 - третья гармони новного колебания; тз 1 з, 1 зз 1, тз 15 - ангарческие обертоны третьей гармоники цевого резонатораС-среза, который лняется герметизированным с гелиезэполнением на частоту 26,5 МГц по 30 ьей гармонике (такие резонаторы сео выпускаются отечественной проленностью, см, книгу Малова В,В, орезонансные датчики, - М; Энергия с, 127 и статью Элементная база пье зонансных преобразователей мехэниих и тепловых параметров/ В,В.Малов, Симонов. - Электронная техника, Сер, одетали и радиокомпоненты, вып. , 1987, с, 35-40), 40 роведенные измерения температ рУ но-чстотних характеристик (ТЧХ) на осноанои 1111, гармонической 1 з 11 и ангармонических И 1 з, бз 1, 1115, 1 з 1 з, 1 зз 1, 1 з 15 обертонов гармоник ваго резонатора 1 С-среза показали, что ЧХ ангармонических колебаний, как и в р эонэторах АТ-среза, поворачиваются отн,сительно ТЧХ на основной моде или ТЧХна гармонике соответственно по часовой стрелке и имеют линейные ТЧХ. При этом, если основное колебание 011 и его бли айшие ангармонические моды 61 з, 11 з 1, а также гармоника тз 11 и ее ближайшие энга моники 1 з 1 з, 1 зз 1 имели положительный знак температурного коэффициента чувствительности (ТКЧ), то энгармонические моды 1115 и 615 соответственно, часто ты старых в 1,151,22 раза превышали част ты основного колебания 1111 и частоту трет ей гармоники соответственно, имели уже отрицательный знак ТКЧ (фиг. 3). Наиболее интенсивными ангэрмоническими колебаниями (с динамическими сопротивлениями в 310 раз большими, чем динамические сопротивления на основном колебании т 111 и третьей гармонике 1 з 11) с отрицательным ТКЧ были соответственно колебания 1115 и 1 з 15.В пьезокварцевом преобразователе температуры необходимо возбудить в двух- частотном режиме колебания некратных частот 11 и 2, близких к собственным резонансным частотам третьей гармоники 1 з 11 с положительным температурным коэффициентом частоты и ее ближайшей интенсивной ангар- моники 1 з 15 с отрицательным температурным коэффициентом частоты кварцевого резонатора 5 при наличии в нем также интенсивных мод основного колебания т 111 и ангармоник 511 з, 01 з 1, 615, Возможны замкнутое и разомкнутое состояния ключа 7, При этом при замкнутом состоянии актив. ное сопротивление Йкл замкнутого ключа должно быть как минимум на порядок меньше сопротивления Х = 2 л 11 коммутируемой катушки индуктивностиС- контура 6, т.е. Вкл не должно превышать максимально допустимого значения, Вкл.макс = 2 Л 1 О 10,При замкнутом ключе 7 устойчивость двухчастотйото режйма в предлагаемом преобразователе обеспечивается, во-первых; за счет подавления основного колебания 1111 и его энгармоник т 11 з, т 1 з 1, т 115 Осуществляется это подавление благодаря включению между коллектором измиттером транзистора 2 реактивной цепи, состоящей из последовательно соединенных конденсатора 1 С-контура 6, катушки индуктивности этого контура и конденсатора 4. Если частоты последовательного резонанса. еактивной цепи выбрать равной разЧаСтОт тра - тЗ 15 - тЗ 11, т.Е. а частоту параллельного резонанс активной цепи выбрать равной удвораЭНОСтИ ЧаетОт 1 ра - 1 З 15 - 1 З 11. т.В.1793277 Таким образом, при замкнутом ключе 7 и выборе параметров элементов реактивной цепи в соответствии с выражением (9) в предлагаемом пьезокварцевом преобразователе с частотным выходом возбуждаются некоторые частоты И 1 = 1 з 11 и 12 = 315, зависящие от измеряемой температуры следующим образом;(4) то резонансная характеристика такой реактивной цепи на частотной оси с модами термочувствительного кварцевого резонаторана частоту 1 о = 25,6 МГц выглядит согласнофиг. 4.Из фиг, 4 следует, что между частотами 101 рз и 21 рз, где расположенй основное колебание т 111 и его ангармоники 1113, т 1 з 1, т 115,реактивная цепь носит йндуктивный характер, следовательно, для этих частот в преобразователе на базе емкостного трехточечйого 15генератора не выполняются фазовые соотношения и. эти.частоты возбудиться не могут,Для.частот третьей гармоники 1311 и ее интенсивной ангармоники 5315, как видно из фиг, 4,указанная реактивная цепь носит емкостной 20характер, следовательно, для этих частотфазовые соотношения выполняются и необходимое условие обеспечения двухчастотных колебаний преобразователя имеетместо. Достаточное условие существования 25двухчастотных колебаний в преобразователе на частотах 1 з 11 и Гз 15 обеспечиваетсяподавлением на входе нелинейного актив-ного элемента - транзистора 2 разностнойЧаСтОтЫ рэ - З 15 - 1311 С ПОМОЩЬЮ ВСЕ тОй 30же реактивной цепи, состоящей иэ конденсатора 4 и элементов 1 С-контура 6,Соотношения (1)(4) позволяют связатьмежду собой параметры элементов реактивной цепи. Действительно, разделив выражение (4) на уравнение (2); получим где Т - температура в реперной точке, Ст 1 - . температурный коэффициент чувствительности моды 1311 (Ст 1 О); Ст 2 - температурный коэффициент чувствительности моды т 315 (Ст 2О). За счет нелинейности характеристики активного элемента - транзистора 2 в выходйом сигнале преобразователя помимо основных частот 1311 и 315 имеются комбинационные кОлебания 21 рз = 2 (тз 15 - 1311), рз = 1315 - 1311, В КаЧЕСтВЕ ВЫХОДНОГО колебания преобразователя используется вторая. гармоника разностной частоты 1 рз, которая зависит от температуры следующим образом; и которая эффективно выделяется параллельным койтуром, состоящим из катушки индуктивности и конденсатора 4. С учетом ого, что для кварцевых резонаторовС- среза справедливо следующее равенство:- Ц.Ц. -- 1 -, 5)т посл рзС 4т40отсюда 4 ----СЕС + С 4(6) 45 результирующий коэффициент температурйой чувствительности равен или СС "3 С 4. Ст,вых = 2 (СТ 2 СТ 1) - ,2 (-1,22 СТ 1 - СТ 1)== -4,44 Ст 1,50Для гармоникового термочувствительного кварцевого резонатора на частоту 26,5МГц по третьей гармонике температурныйкоэффициент чувствительности Ст 1 = 100055 ГцУс,С 4(8) Следовательно, в предлагаемом преобразователе температурный коеффициент чувствительности составит - 4440 Гц/с. 1Тпар =21 рэ =2 (315 1311) =2 гг 1. С 4 Определяя из выражения (4) С 4, получим 4 л (2 т )16 л ( 315 - 311) 1. Подставляя выражение (8) в уравнение (7),имеемСс - (9)316 л 2 (1315 - 311) б 1 = 311 = тоз 11+ Ст 1 (Т - Т,) Т 2 = т 315 = т 315.+ СТ 2 (Т То) 1 вых = 21 рз = 2(1315 311) = 2 1 315 + + СТ 2 (Т - То) т 311 СТ 1 (Т То = =2(т 315 - т 311) + (Ст 2 - Ст 1) (Т - То)3 = =2 (тз 15 - тоз 11) + 2 (Ст 2 - Ст 1) (Т - То)= = 2 рз + 2 Стрз (Т - То) = 1 вых + + Ст.вых (Т - То) Т 315 С Т 21311 . Ст 1- =(1,15 1,22 ),возможны режим многомодовых и режим одночастотных колебаний, следовательно.расширяются функциональные возможности устройства, оказывается возможным 5 испольэовать такой пьезокварцевыйпреобразователь температуры в одно- частотных и двухчастотных измерителях температуры с цифровым и частотным выходом,10 контура свяэайа с коллектором транзистора 15 через второй фазирующий кондейсатор;при этоммаксимальное сопротивление замкнутого ключа Й кл.макс.2 л 1 р 1 /10,апараметры реактйвных элементов удовлетворяют условию20 где 1 р - частота резонансного колебания;С 4 - емкость второго фазирующего кон- денсатора;. СсЯ. - емкость и индуктивность катушки 1 С-контура;з 1, тз 15 - гаРмонический и ангармониЗ 0. ческий обертоны многомодового термочувствительного кварцевого резонатора,При размыкании ключа 7 цепь, включенная между коллектором и эмиттером транзистора и содержащая конденсатор 4 ико денсаторС-контура 6, носит емкостныйха актер, и в устройстве возбуждается одн частотное колебание основной моды 1111кварцевого резонатора,Таким образом, в зависимости от состоя ия ключа 7 в предлагаемом устройствеФормула изобретенияПьезокварцевый преобразователь температуры, содержащий усилитель на транзисторе, включенном по схеме с общимколлектором, первый фазирующий конденсатор, включенный между базой и эмиттером транзистора, второй фазирующийконденсатор, многомодовый термочувствитеьный кварцевый резонатор, включенныймеждуэмиттером и коллектором транзистора, и последовательный ЕС-контур, включенный между эмиттером и коллекторомтр нзистора, отличающийся тем,что,с елью повышения точности и расширейияо ласти применения, в него введен ключ,включенный между коллектором транзистора и катушкой индуктивности, точка которойс конденсатором последовательногоС11793277 Составитель А.Леонов Техред М,Моргентал . Корректор Л,Лукач еда ктор роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101 аказ 497 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета 113035,Москва,ЖПодписноеизобретениям и открытиям при ГКНТ СССР