Пристрій термостатування п’єзорезонансних коливальних систем напівпровідниковими термостатуючими елементами

Реферат: Винахід належить до галузі генерування та формування радіотехнічних сигналів, а саме для підвищення температурної стабільності частоти п'єзоелектричних елементів коливальних систем, які працюють в широкому діапазоні температур навколишнього середовища, використовуючи термостатуючі пристрої. Суть винаходу: створення високоефективного компактного, простого по конструкції, технології виготовлення та ремонту, надійного і довговічного в експлуатації пристрою термостатування, в якому забезпечується реверсивний (інтелектуальний) спосіб автоматичне регулювання - пристрій з припливом і тепла і холоду, для забезпечення температурної стабілізації частоти п'єзоелектричного резонансного елемента електричної коливальної системи в широкому діапазоні частот. Технічний результат: пристрій забезпечує автоматичне підтримання температури термостатуючого об'єкта, регулювання пристрій з притоком тепла і холоду, температурну стабілізацію частоти п'єзоелектричного резонансного елемента електричної коливальної системи в широкому діапазоні частот, генерування та формування радіосигналів з допустимою похибкою при зміні температури навколишнього середовища і умов експлуатації. UA 107543 C2 (12) UA 107543 C2 UA 107543 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі генерування та формування радіотехнічних сигналів, а саме для підвищення температурної стабільності частоти п'єзоелектричних елементів коливальних систем, які працюють в широкому діапазоні температур навколишнього середовища, використовуючи термостатуючі пристрої. Відомі пристрої термостатування побудовані на основі регулювання з припливом лише тепла (або лише холоду) - нереверсивні. Вони мають в порівнянні з іншими менше енергоспоживання і габаритні розміри, більш високу надійність і точність роботи. Являють собою замкнену систему автоматичного регулювання температури термостатованого об'єкта, що розміщений в камері термостата та складається: з теплоізольованого кожуха; давача температури; камери; об'єкта термостатування; регулятора; прошарку; нагрівника. Залежно від термодавача: біметалевий термостат. Принцип роботи ґрунтується на різниці температурних коефіцієнтів лінійного розширення двох металів, які утворюють біметалеву пластину. У випадку зміни температури біметалева пластина викривляється, замикаючи або розмикаючи контакти. Точність регулювання температури порядку 1 °С, однак вони порівняно не надійні, мають малу вібростійкість і тому застосовуються обмежено. Аналогом пристрою є винахід (Ртутный электроконтактный термометр / Э.С. Кузнецов, М.Э. Кузнецов, С.Д. Колосенцев, Е.Ф. Соловьев // Патент РФ № 2144176, кл. G01K5/16. Опубл. 10.01.2000). Принцип дії ґрунтується на комутації контактів при зміні температури за рахунок об'ємного розширення ртуті. Ртутний термодавач являє собою ртутний термометр з двома контактами: один з них завжди має контакт з ртуттю, а другий контакт впаюється на деякій відстані від першого. При певній температурі ртуть замикає обидва контакти, тобто ртутні термоздавачі завжди працюють на замикання. Вони дозволяють отримати більш високі точності, ніж біметалеві давачі. Недоліками пристрою-аналога є низька надійність, інерційність, малостійкі до механічних впливів і непрацездатні за температурою нижче -40 °С, що обмежують їх застосування. Найближчим аналогом пристрою є винахід (Устройство для термостабилизации элементов радиоэлектроники большой мощности / Т.А. Исмаилов, О.В. Евдулов., X.М. Гаджиев,. Ш.А. Юсуфов // Патент РФ 2161385. МПК 7 Н05K7/20, G05D23/275. Опубл. 27.12.2000). Принцип дії ґрунтується на значних змінах об'єму кристалічних речовин при зміні фази речовини, наприклад, при переході з твердого стану в рідкий і навпаки. Вони мають високу точність регулювання температури (0,01-0,1 °С). Недоліком найближчого аналога є те, що для виготовлення кристалічних речовин існують технологічні складності, залежність температури плавлення від тиску, недостатня вібростійкість. В основу винаходу поставлено задачу створення високоефективного компактного, простого по конструкції, технології виготовлення та ремонту, надійного і довговічного в експлуатації пристрою термостатування, в якому забезпечується реверсивний (інтелектуальний) спосіб автоматичного регулювання - пристрій з припливом і тепла і холоду, для забезпечення температурної стабілізації частоти п'єзоелектричного резонансного елемента електричної коливальної системи в широкому діапазоні частот. Теоретичні передумови здійснення способу, що заявляється. Вимірювання струму та температури можна проводити будь-яким способом вимірювання, які забезпечують необхідну точність та швидкодію в області мікрострумів. Внаслідок малої швидкості процесів нагріву, охолодження та теплопередачі, швидкодія методів вимірювання може бути невеликою. За значенням струму, що протікає через кварцовий резонатор, розраховується зміна температури п'єзоелектричного елемента за виразом: 2 T  Z TR0I2 t   Z 2 R0 I4 t  , (1) T де R 0 - опір модуля при заданій температурі навколишнього середовища Т 0,  температурний коефіцієнт опору модуля [1/К], Z T - тепловий опір модуля. За значенням зміни температури розраховується значення зміни напруги живлення термоелектричного модуля Пельтьє за виразом:   2 UП  IRЕ  К Зб ПIRt X , (2) П де RЕ П - електричний опір елемента Пельтьє, I - електричний струм, що проходить через елемент Пельтьє, К Зб - коефіцієнт Зеебека, Rt X тепловий опір,  n - коефіцієнт Пельтьє. Винахід виконується наступним чином. Робота термостатуючої системи для забезпечення стабільності частоти коливальної системи проводиться за алгоритмом: 1) вимірюється температура на зовнішній поверхні корпусу, яка відповідає температурі кристала кварцового резонатора; 1 UA 107543 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2) змінюючи температуру всередині корпусу термостата шляхом нагріву чи охолодження, досягається необхідне значення температури корпусу кварцового резонатора, а отже і кристала; 3) підключається навантаження до синтезатора чи генератора частоти; 4) вимірюється зміна струму споживання у колі кварцового резонатора за невеликій проміжок часу; 5) вимірюється температура на поверхні корпусу кварцового резонатора; 6) розраховується зміна температури всередині корпусу; 7) формуються сигнали на зміну зовнішньої температури корпусу для досягнення постійності різниці температур на зовнішній та внутрішній поверхнях корпусу; 8) повернення до пункту 4. Пункти 1-3 запропонованого алгоритму відносяться до етапів виходу на стаціонарний режим. Пункти 4-8 відносяться до роботи пристрою у стаціонарному режимі. Для виходу на стаціонарний режим підтримання постійної температури необхідно підігрівати або охолоджувати корпус резонатора. Забезпечення нагрівання та охолодження відбувається термоелектричними напівпровідниковими модулями Пельтьє, які забезпечують обидва режими та дозволяють змінювати напрямок зміни температури, а також її величину шляхом зміни полярності живлення модуля. Для визначення напряму зміни температури порівнюється зовнішня температура корпусу (Т зовн) та температура термостатування (Т стат). Якщо температура корпусу більша за температуру термостатування, включається режим підігріву. Якщо температура корпусу менша за температуру термостатування, включається режим охолодження. Рекомендується вибирати робочу температуру устаткування більшою за температуру навколишнього середовища, для зменшення енергетичних витрат на охолодження, тому як енергетичні витрати на підігрів в три рази нижчі, ніж на охолодження. Закінчення етапів виходу на стаціонарний режим відбувається, коли модуль різниці температур корпусу (Тзовн) та термостатування (Т стат) не перевищує деяке значення ΔT, яке відповідає похибці встановлення температури. Приклад використання винаходу. Конструкція термостатуючої системи стабілізації частоти складається з термоізольованої камери, всередині якої встановлено кварцовий резонатор, на корпусі якого закріплено термоелектричний модуль Пельтьє. На фіг. 1 наведено блок-схему алгоритму етапу виходу на стаціонарний режим. Етап алгоритму стаціонарної роботи пристрою термостатування працює за алгоритмом нескінченого циклу. В середині циклу виконується лінійний алгоритм, який відповідає наведеним вище пунктам. На фіг. 2 наведено блок-схему алгоритму стаціонарного режиму роботи пристрою термостатування із передбаченням. Вимірювання струму та температури можна проводити будь-яким способом вимірювання, які забезпечують необхідну точність та швидкодію в області мікрострумів. Внаслідок малої швидкості процесів нагріву, охолодження та теплопередачі, швидкодія методів вимірювання може бути невеликою. Для реалізації даного способу пропонуються структурні схеми пристроїв. Узагальнена структурна схема термостатуючої системи із передбаченням може бути представлена наступним чином (фіг. 3). Дана структурна схема складається з наступних елементів: синтезатору частот (кварцового генератора частоти, кварцового резонатора), блока живлення, давача струму, пристрою вибірки та зберігання, пристрою віднімання, підсилювача, напівпровідникового термостатуючого елемента. Усі елементи схеми зв'язані наступним чином. Синтезатор частот підключено до блока живлення через давач струму. Вихід синтезатора частоти підключається до зовнішніх пристроїв. Сигнал з давача струму подається на пристрій вибірки та зберігання, а також до одного з входів пристрою віднімання. Вихід пристрою вибірки та зберігання підключено до другого входу пристрою віднімання. Вихід пристрою віднімання підключено до підсилювача, вихід якого підключено до входу напівпровідникового термостатуючого елемента. Робота пристрою відбувається наступним чином. Для визначення величини сигналів нагріву чи охолодження визначається приріст струму за деякий проміжок часу. Вимірювання струму відбувається за два періоди часу, який визначається часом запам'ятовування у пристрої вибірки та зберігання. Знаходячи різницю струму і, підсилюючи відповідно до виразу (1), формуються сигнали на охолодження чи нагрівання напівпровідникового термостатуючого елемента. Стабілізація температури кристала на постійному рівні дозволяє стабілізувати вихідну частоту синтезатора частоти чи генератора. Інший варіант термостатуючої схеми наведено на фіг. 4 (Структурна схема активної термостатуючої системи із передбаченням з давачем температури). Узагальнена структурна 2 UA 107543 C2 5 10 15 20 25 30 схема термостатуючої системи із передбаченим додатковим елементом - з давачем температури - може бути представлена наступним чином. Схема складається з наступних елементів: синтезатора частот (кварцового генератора частоти, кварцового резонатора), блока живлення, давача струму, давача температури, пристрою вибірки та зберігання, пристрою віднімання, підсилювача, суматора, напівпровідникового термостатуючого елемента. Усі елементи схеми зв'язані наступним чином. Синтезатор частот підключено до блока живлення через давач струму. Вихід синтезатора частоти підключається до зовнішніх пристроїв. Сигнал з давача струму подається на пристрій вибірки та зберігання, а також до одного з входів пристрою віднімання. Вихід пристрою вибірки та зберігання підключено до другого входу пристрою віднімання. Вихід пристрою віднімання підключено до підсилювача. Давач температури розміщено на зовнішній поверхні кварцового резонатора та генератора, вихід якого підключено до першого входу суматора. Другий вхід суматора підключено до виходу підсилювача. Вихід суматора підключено до входу напівпровідникового термостатуючого елемента. Робота пристрою (фіг. 4) відбувається наступним чином. Для визначення величини сигналів нагріву чи охолодження визначається приріст струму за деякий проміжок часу. Вимірювання струму відбувається за два періоди часу, який визначається часом запам'ятовування у пристрої вибірки та зберігання. Знаходячи різницю струму і підсилюючи відповідно до виразу (1), формується сигнал зміни внутрішньої температури кристала резонатора чи генератора. Давач температури вимірює зовнішню температуру корпусу кварцового резонатора або генератора. Сигнал на виході давача температури пропорційний температурам навколишнього повітря, сигналу напівпровідникового термостатуючого елемента, впливів температур від інших електрорадіоелементів, розташованих всередині корпусу радіоелектронного пристрою. Сигнали з підсилювачі від давача струму та з давача температури додаються і формується сигнал на охолодження чи нагрівання напівпровідникового термостатуючого елемента. Стабілізація температури кристала на постійному рівні дозволяє стабілізувати вихідну частоту синтезатора частоти чи генератора. Технічний результат: пристрій забезпечує автоматичне підтримання температури термостатуючого об'єкта, регулювання - пристрій з припливом тепла і холоду, температурну стабілізацію частоти п'єзоелектричного резонансного елемента електричної коливальної системи в широкому діапазоні частот, генерування та формування радіосигналів з допустимою похибкою при зміні температури навколишнього середовища і умов експлуатації. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 50 Пристрій термостатування п'єзорезонансних коливальних систем напівпровідниковими термостатуючими елементами шляхом використання термоізольованої камери, всередині якої розміщено п'єзорезонансний елемент коливальної системи із закріпленим пристроєм нагрівання та охолодження, а також закріплено давач температури, який відрізняється тим, що як елемент нагрівання та охолодження використовують напівпровідниковий термоелектричний модуль Пельтьє, зміна режиму підтримання постійного значення температури відбувається шляхом подавання на термоелектричний модуль напруги живлення, яка повинна бути тим більша, чим більшої різниці температур потрібно досягнути, при зміні режиму стабілізації температури з нагрівання на охолодження або навпаки, змінюється полярність напруги живлення, причому напруга живлення при забезпеченні режиму охолодження в три рази вища за напругу живлення в режимі нагрівання, для визначення необхідної різниці температури на нагрівання та охолодження як додатковий інформаційний параметр використовують значення струму, що протікає через п'єзорезонансний елемент, зміну температури T через проміжок 2 часу t визначають виразом: T  Z TR0I2 t   Z 2 R0 I4 t  , де R 0 - опір модуля при заданій T температурі навколишнього середовища T0 ,  - температурний коефіцієнт опору модуля, Z T тепловий опір модуля; напруга  UП визначається як: UП  IRЕ  К Зб ПIR t X П живлення  , де 2 термоелектричного модуля Пельтьє R Е - електричний опір елемента Пельтьє, I П електричний струм, що проходить через елемент Пельтьє, К Зб - коефіцієнт Зеєбека, Rt X тепловий опір,  П - коефіцієнт Пельтьє. 3 UA 107543 C2 4 UA 107543 C2 5 UA 107543 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6