Термошумовий спосіб вимірювання опорів високоомних об’єктів

Термошумовий спосіб вимірювання опорів високоомних об'єктів, при якому з досліджуваного об'єкта знімають шумову напругу, вимірюють постійну напругу, за значенням якої визначають опір досліджуваного об'єкта, який відрізняється тим, що шумову напругу розгалужують на дві напруги, одну з яких періодично інвертують з низькою частотою, порівнюють інвертовану напругу з неінвертованою, отримують різницеву модульовану напругу, яку підсилюють в смузі частот високочастотних теплових шумів та квадратично детектують, виділяють із детектованої напруги змінну складову з низькою частотою інвертування, вибірково підсилюють низькочастотну змінну напругу, синхронно її детектують та усереднюють. Корисна модель відноситься до вимірювальної техніки і може бути використана для визначення опорів високоомних об'єктів, таких як електрична ізоляція, високоомні резистори, електричний опір різноманітних речовин і матеріалів, опір втрат, тощо за дисперсією теплових шумів високоомного об'єкту без зовнішньої напруги. В будь-якому фізичному об'єкті, який має активні втрати електричної енергії, присутні теплові шуми. Тепловий шум або теплові електричні флуктуації - як наслідок теплового хаотичного руху носіїв струму, що знаходяться в тепловій рівновазі з молекулами речовини об'єкту. Такими носіями струму є вільні електрони, іони та дірки в напівпровідникових матеріалах. В загальному випадку тепловий шум обумовлений появою термозбуджених поляризуємих молекул, що утворюють елементарні флуктуючі диполі [див. Ван-дер-Зил А. Шум. Источники, описание, измерение. / Пер. с англ. М.: Сов. радио, 1975 - с.27-30]. Відомий термошумовий спосіб вимірювання опорів високоомних об'єктів [див. а.с. №195161, МПК G01K7/01, бюл. №9, 1967], що заснований на вимірюванні дисперсії теплових шумів об'єкту, що досліджується: U 2 4kT fR , Т - термодинамічна температура; Δf - смуга частот вимірюємого теплового шу де U 2 - середній квадрат напруги (дисперсія) теплового шуму; k - постійна Больцмана; (13) 14264 (11) UA (19) R - опір досліджуваного об'єкту. В відповідності з приведеним співвідношенням (формулою Найквіста) дисперсія теплового шуму пропорційна електричному опору R і зростає зі збільшенням опору. Складність виділення і вимірювання теплових шумів на фоні апаратурних шумів, як теплового, так і шумів інших типів (дробових, контактних, флікер-шумів, тощо), не дозволяє отримати достатню точність вимірювання опорів. Відомий термошумовий спосіб вимірювання опорів високоомних об'єктів [див. Карба Л.П. Установка для измерения коэффициента шума и активного сопротивления двухполюсников на радиочастотах // Известия ЛЭТИ им. В.И. Ульянова (Ленина). - 1969. - вып.80, с.57-60], в якому шумову напругу, що знімається з досліджуваного об'єкту, фільтрують, виділяють високочастотні теплові шуми і пригнічують низькочастотні шуми нетеплового характеру. Однак високочастотні теплові шуми підсилюючих елементів вимірювальної схеми сумуються з тепловими шумами досліджуваного об'єкту, що спотворює результати вимірювання опорів і знижує їх достовірність. Відомий також термошумовий спосіб вимірювання опорів високоомних об'єктів [див. Скрипник Ю.О., Курко В.Р., Скрипник В.Й. Шумова кондукто U му; 3 14264 4 метрія / Сучасні інформаційні та енергозберігаючі високоомних об'єктів. технології життєзабезпечення людини. Збірник На Фіг. зображено вимірювальну схему, за донаукових праць. - К.: 2002, вип.12, с.109-112], при помогою якої реалізується запропонований спосіб якому з об'єкту, що досліджується знімають шумотермошумового вимірювання опорів високоомних ву напругу, вимірюють постійну напругу, за знаоб'єктів. ченням якої визначають опір досліджуваного об'єПозицією 1 позначено досліджуваний висококту. омний об'єкт з опором RХ. В вимірювальну схему Крім того, шумову напругу підсилюють і звовходять інвертор 2, що шунтується за допомогою дять до квадрату. автоматичного ключа 3, диференціальний підсиСкладністю відомого способу є розділення вилювач 4, до виходу якого підключені послідовно мірюємого інформаційного теплового шуму об'єкту з'єднані смуговий фільтр 5, підсилювач високої і власних шумів вимірювальної апаратури. Справа частоти 6, квадратичний детектор 7, фільтр нижніх в тім, що корисний шумовий сигнал і шуми апарачастот 8, вибірковий підсилювач низької частоти 9, тури - статистично нерозрізнені випадкові процеси, синхронний детектор 10, другий фільтр нижніх що перекривають один одного. Крім того, корисний частот 11 і вольтметр 12. Позицією 13 позначено сигнал нищівно малий (близько одиниць та долей мультивібратор, який з'єднано з керуючим входом мікровольта за напругою і близько 10-18-10-16 за автоматичного ключа 3 і керуючим входом синхпотужністю). Тому після необхідного підсилення ронного детектора 10. шумового сигналу досліджуваного об'єкту відноСпосіб здійснюється наступним чином. шення сигнал-завада стає набагато меншим за Шумовий інформаційний сигнал UХ(t), який одиницю. В цих умовах вимірювання дисперсії знімається з опору RХ високоомного об'єкту 1, розтеплових шумів об'єкта супроводжується великими галужується на дві одинакові напруги похибками, що знижує точність визначення опорів U1(t)=U2(t)=UХ(t). Одна з розгалужених напруг U1(t) високоомних об'єктів. періодично інвертується за допомогою інвертора 2 В основу корисної моделі поставлена задача і автоматичного ключа 3, який періодично шунтує створити такий термошумовий спосіб вимірювання інвертор 2. Якщо шумовий сигнал UХ(t) представи опорів високоомних об'єктів, в якому введення ти в комплексному вигляді як UX , то періодично нових операцій забезпечило би підвищення точноінвертований сигнал U1(t) можливо представити як сті термошумового вимірювання опорів високоом часову послідовність комплексних напруг U1 і них об'єктів. Поставлена задача вирішується тим, що в  U1 . термошумовий спосіб вимірювання опорів високо Неінвертовану напругу U2 порівнюють з періомних об'єктів, при якому з об'єкту, що досліджується знімають шумову напругу, вимірюють пос  одично інвертованою напругою U1 і U1 , за дотійну напругу, за значенням якої визначають опір помогою диференціального підсилювача 4, власні досліджуваного об'єкту, згідно корисної моделі, шуми якого зазвичай перевищують інформаційний шумову напругу розгалужують на дві напруги, одну  шум UX . При замкненому автоматичному ключі 3 з яких періодично інвертують з низькою частотою, порівнюють інвертовану напругу з неінвертованою, інвертування інформаційного шуму відсутнє і різотримують різницеву модульовану напругу, яку ницева напруга на виході диференціального підпідсилюють в смузі частот високочастотних тепло  силювача ( U1 U2 0 ) визначається тільки його вих шумів та квадратично детектують, виділяють із власними шумами детектованої напруги змінну складову з низькою    частотою інвертування, вибірково підсилюють ниU3 UH UB , (1) зькочастотну змінну напругу, синхронно її детек - напруга низькочастотних шумів, приде UH тують та усереднюють. ведена до виходу диференціального підсилювача; Введення в термошумовий спосіб вимірюван ня опорів високоомних об'єктів операцій по розгаUB - напруга високочастотних шумів, привелуженню шумової напруги, що знімається з дослідена до виходу диференціального підсилювача. джуваного об'єкту, на дві напруги, одну із яких В розімкнутому стані автоматичного ключа 3 періодично інвертують з низькою частотою, порівна прямий вхід диференціального підсилювача 4 нянню періодично інвертованої напруги з неінвер діє інвертована напруга - U1 . На інверсний вхід тованою, підсиленню різницевої модульованої диференціального підсилювача продовжує постунапруги в смузі частот високочастотних теплових  шумів, квадратичному детектуванню підсиленої пати напруга U2 , яка інвертується в самому підвисокочастотної напруги, виділенню із детектовасилювачі. При підсиленні в диференціальному ної напруги змінної складової з низькою частотою   підсилювачі двох інвертованих напруг ( U1 і U2 ) інвертування, вибірковому підсиленню низькочастотної змінної напруги, яку синхронно детектують і на його виході формується сумарна напруга інфоусереднюють, дозволяє відокремити сигнал, що рмаційних шумів на фоні власних шумів підсилюпропорційний дисперсії високочастотного теплововача: го шуму, від високочастотних апаратурних шумів в     U4 UH UB 2k1UX , (2) смузі підсилення модульованого сигналу і низькоде k1 - коефіцієнт підсилення диференціальночастотних шумів детектора в смузі підсилення ниго підсилювача. зькочастотного сигналу, що забезпечує підвищенАвтоматичний ключ 3 керується мультивібраня точності термошумового вимірювання опорів 5 14264 6 тором 13, частоту перемикань якого обирають в мів, що потрапляють в смугу пропускання вибіркообласті низьких частот (50-300Гц). В результаті вого підсилювача.  періодичних замикань-розмикань автоматичного Потрібно врахувати, що теплові шуми UX виключа на виході диференціального підсилювача 4  сокоомного об'єкту і високочастотні шуми UB дивиникає різницева модульована напруга, що складається із пакетів нерівних напруг (1) і (2). Модуференціального підсилювача між собою некорельована частотою інвертування напруга підсилюльовані. Тому їх усереднений добуток буде рівним: ється підсилювачем високої частоти 6 в смузі   (9) UBU X 0 . частот смугового фільтру 5, який подавляє низьВ той же час середній квадрат шумової напрукочастотну шумову напругу і пропускає високочастотну шумову напругу.  ги U2 представляє собою дисперсію теплових В смугу частот підсиленої напруги в основному X попадають високочастотні теплові шуми опору 1 шумів, яка в відповідності з формулою Найквіста високоомного об'єкту, теплові та дробові шуми визначається виразом: диференціального підсилювача 4. Тому складові (10) U2 4kT fRX , підсиленої модульованої напруги можна предстаX вити в вигляді пакетів тільки високочастотних наде k - постійна Больцмана; пруг: Т - термодинамічна температура об'єкту шуму;   Δf - смуга частот, що задається смуговим фіU5 k 2UB , (3) льтром 5; RX - опір 1 досліджуваного об'єкту.   ˆ (4) U6 k 2(UB 2k1UX ) , З урахуванням виразу (9) низькочастотна напруга (8) пропорційна дисперсії теплових шумів: де k1 - коефіцієнт підсилення підсилювача високої частоти. 16 2 2 U11 k k k 3k 4S1U 2Sin2 Ft UH( t ) . (11) Складові модульованої напруги (3) і (4) квад1 2 X ратично детектуються в блоці 7 і усереднюються в Низькочастотну напругу (11) синхронно детекфільтрі нижніх частот 8. Продетектовані і усередтують детектором 10, що керується мультивібранені напруги представимо як постійні складові натором 13, і усереднюють другим фільтром нижніх пруг, які слідують з частотою інвертування: частот 11. В результаті усереднення пригнічується на інтервалі вплив низькочастотних шумів ΔUH(t) і згладжується 1  синхронно детектована напруга. Постійна складоU7 k3S1 k 2UB на інтервалі 0 t , (5) 2F ва цієї напруги, що вимірюється вольтметром 12, пропорційна тільки дисперсії високочастотних теплових шумів:   U8 k3S1 k 2 UB 2k1UX на інтервалі 16 2 2 U12 k k k 3k 4S1S2k 5 U 2 , (12) (6) 1 2 X 1 1 , t де S2 - крутизна перетворення синхронного 2F F детектора; k5 - коефіцієнт передачі другого фільтра нижде S1 - крутизна квадратичного детектування; ніх частот. k3 - коефіцієнт передачі фільтра нижніх частот; З урахуванням значення дисперсії теплових F - частота періодичного інвертування; шумів (10) отримаємо: - означає операцію усереднення. U13=SORX, (13) В часовій послідовності усереднених напруг 64 2 2 де SO kk k k 3k 4S1S2T f - результуюча (5) і (6) присутня напруга низькочастотної огинаю1 2 чої модульованої напруги: крутизна перетворення опору в напругу [В/Ом]. U9 U8 U7 sign sin 2 Ft UH( t ) , 2 (7) де sign sin 2πFt - низькочастотна напруга прямокутної форми; UH(t) - низькочастотні шуми квадратичного детектора. Вибірковим підсилювачем 9, налаштованим на частоту F перемикань мультивібратора 13, виділяється і підсилюється основна гармоніка низькочастотної огинаючої (7). З урахуванням значень напруг (5) і (6) низькочастотна напруга на виході вибіркового підсилювача 9 буде такою: 16     U10 k 4k3S1 k1U2 UBUX sin 2 Ft UH ,(8) X де k4 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача;  UH - частина напруги низькочастотних шу Таким чином, постійна напруга, що вимірюється пропорційна опору досліджуваного об'єкту і не залежить від рівня власних шумів диференціального підсилювача, які визначають низьке відношення інформаційний шум - власний шум на його виході. Вплив низькочастотних шумів нетеплового характеру пригнічено підсиленням шумової напруги в смузі частот високочастотних теплових шумів, а також вибірковим підсиленням низькочастотної змінної напруги на частоті періодичного інвертування з послідуючим синхронним детектуванням і усередненням. Завдяки цьому забезпечується можливість вимірювання великих опорів за рівнем їх теплових шумів без зовнішньої напруги. При цьому знімаються обмеження на відношення сигнал-завада на вході вимірювальної апаратури. Дослідження показали можливість вимірювання великих опорів в діапазоні 1-100МОм та вище при підсиленні на 80дБ в смузі пропускання 7 14264 8 Δf=100кГц відносно частоти f=1 МГц та температунапруги обрано не більше, як 3 с. Відносна похибрі довкілля T=290-300 К. Частота періодичного ка вимірювання опорів високоомних об'єктів не інвертування теплового шуму обрана рівною 75Гц, перевищує ±1,5%. При збільшенні часу усередщо виключає вплив завад від промислової мережі нення до 5-10с похибку вимірювання можливо (50Гц). Час усереднення синхронно детектованої зменшити до ±0,5%. Комп’ютерна верстка М. Мацело Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601