Устройство термостатирования пьезоэлемента

 

Изобретение относится к радиотехнике и расширяет диапазон рабочих частот в сторону верхних частот в диапазоне рабочих температур. Устройство содержит микротермостат (МТ) 1, пьезоэлемент 2, нагреватель (Н) 3, регулятор температуры 4, регулируемый у-ль мощность 5, датчик температуры 8. Вновь введены МТ 6 и дополнительный Н 7. Исключение датчика температуры из конструкции пьезоэлемента позволяет применить устройство быстрого нагрева для ВЧ пьезоэлементов, размеры к-рого соизмеримы с размерами нагревателя и терморезистора. Это позволяет применить устройство для кварцевых пьезоэлементов, возбуждаемых на высших механич.гармониках. Термостатированный пьезоэлемент, используемый в устр-ве имеет меньшее кол-во выводов, что уменьшает теплопотери конструкции. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано, например, при разработке высокостабильных кварцевых генераторов. Цель изобретения расширение диапазона рабочих частот в сторону верхних частот в диапазоне рабочих температур. На фиг.1 приведена структурная схема предложенного устройства; на фиг.2 принципиальная схема одного из возможных вариантов его реализации. Устройство термостатирования пьезоэлемента содержит первый микротермостат 1, пьезоэлемент 2, нагреватель 3, регулятор температуры 4, регулируемый усилитель мощности 5, второй микротермостат 6, дополнительный нагреватель 7, датчик температуры 8. Устройство термостатирования пьезоэлемента работает следующим образом. Во втором микротермостате 6 с помощью регулятора температуры 4 устанавливают температуру Т_о, соответствующую температуре стабилизации пьезоэлемента 2. Настройка производится по экстремальному значению частоты пьезоэлемента 2 при регулировке температуры регулятором температуры 4. Контроль частоты производится с помощью частотомера (на схеме не показан), подключаемого к внешней схеме возбуждения, ко входу которой подключаются электроды пьезоэлемента 2. Затем температуру окружающей среды t₁ изменяют до значения t₂ и, регулируя коэффициент усиления регулируемого усилителя мощности 5 (вход. рег. К_у, фиг. 1), устанавливают прежнее значение частоты, соответствующее экстремальному ее значению при температуре окружающей среды t₁. При этом настройка устройства заканчивается и проверяется изменение резонансной частоты пьезоэлемента 2 в рабочем интервале температур. При обеспечении условия совпадения закона изменения сигнала на выходе регулятора температуры 4, подключенном к входу регулируемого усилителя мощности 5, с законом изменения управляющего сигнала, подаваемого на нагреватель 3, обеспечивающего линейное изменение мощности, рассеиваемой на нагревателе 3, обеспечивается термостабилизация резонансной частоты пьезоэлемента 2 в рабочем интервале температур. При размещении нагревателя 3 непосредственно на пьезоэлементе 2 в последнем возникают температурные градиенты, влияющие на температурно-частотные характеристики. При использовании предложенного технического решения составляющая нестабильность частоты пьезоэлемента 2, обусловленная влиянием градиентов температуры, может быть легко устранена, поскольку настройка устройства производится по рабочей частоте пьезоэлемента 2 с учетом влияния указанного эффекта. Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить стабильность резонансной частоты устройства, устраняя влияние неоптимальной топологии нагревателя 3 или технологический разброс конструктивных параметров пьезоэлемента 2. Работа устройства основана на известном факте, что в интервале рабочих температур (например от -60 до +80^оС) в первом приближении мощность Р нагревателя термостатирующего устройства (при условии постоянства температуры термостатирующего объекта) изменяется по линейному закону P R -Δt, (1) где R тепловое сопротивление первого микротермостата 1; Δt отклонение температуры окружающей среды от температуры стабилизации (Т_o). Для второго микротермостата 6 имеет место аналогичное равенство: P_м R_м˙ Δt, (2) где R_м тепловое сопротивление второго микротермостата 6. При использовании в качестве нагревателя 3 пленочного резистора, мощность, рассеиваемая на нагревателе 3 при изменении температуры окружающей среды, определяется соотношениями: P_н I²(t)·R_н (3) где U(t) и I(t) соответственно напряжение и ток нагревателя 3; R_н омическое сопротивление нагревателя 3. Аналогично имеем для дополнительного нагревателя 7: P_нм I²_м(t)·R_нм (4) Исходя из (1) и (3), напряжение на нагревателе 3 изменяется при изменении температуры по закону U(t)= (5) Из (2) и (4) имеем зависимость Δt=U²_м(t) (6) Подставляя (6) в (5), получим U(t)=U_м(t) (7) Таким образом, для обеспечения стабилизации температуры пьезоэлемента 2 можно напряжение, которое формируется на дополнительном нагревателе 7, подать через регулируемый усилитель мощности 5, который должен обеспечивать коэффициент передачи, равный K_у= (8) В этом случае регулируемый усилитель мощности 5 должен обеспечивать линейное усиление входного сигнала во всем интервале рабочих температур, причем коэффициент передачи во всем интервале рабочих температур должен быть неизменен, а его величина определяется равенством (8). В рассмотренном случае второй выход регулятора температуры 4, подключаемый к входу регулируемого усилителя мощности 5, организуется параллельно включенным первому его выходу, соединенному с дополнительным нагревателем 7. При использовании другого выхода, например тем, где сигнал пропорционален току дополнительного нагревателя 7, достигается тот же эффект стабилизации температуры пьезоэлемента 2 при соответствующей перестройке коэффициента усиления регулируемого усилителя мощности 5. Исключение датчика температуры из конструкции пьезоэлемента позволяет применить устройство быстрого нагрева для высокочастотных пьезоэлементов, размеры которого соизмеримы с размерами нагревателя и с размерами терморезистора. Это позволяет расширить диапазон использования такого конструктивного решения и применить его для кварцевых пьезоэлементов, возбуждаемых на высших механических гармониках. Кроме того, термостатированный пьезоэлемент, используемый в предложенном устройстве, имеет меньшее количество выводов, что позволит уменьшить теплопотери конструкции и, следовательно, сокращает энергопотребление.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТА, содержащее первый микротермостат, в который помещен пьезоэлемент, на котором размещен нагреватель, последовательно соединенные регулятор температуры и регулируемый усилитель мощности, выход которого подключен к нагревателю, датчик температуры, выходы которого подключены к соответствующим входам регулятора температуры, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона рабочих частот в сторону верхних частот в интервале рабочих температур, введен второй микротермостат, в который помещен введенный дополнительный нагреватель, первый и второй входы которого подключены к соответствующим дополнительным выходам регулятора температуры, при этом датчик температуры помещен во второй микротермостат и связан тепловой связью с дополнительным нагревателем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000

Извещение опубликовано: 27.12.2000        

---