Шумовий вимірювач температури

Шумовий вимірювач температури, що містить термошумовий резистивний перетворювач, два смугових фільтри, два підсилювачі напруги, перемножувач, входи якого з'єднані через підсилювачі напруги з виходами смугових фільтрів, фільтр нижніх частот, підключений до виходу перемножувача, аналого-цифровий перетворювач, мікро-ЕОМ, вхід якої з'єднаний з аналого-цифровим перетворювачем, і цифровий індикатор, підключений до виходу мікро-ЕОМ, який відрізняється тим, що до нього введені термостат, зразковий резистор, розміщений в термостаті, зразковий конденсатор, диференційний підсилювач, два розподільних конденсатори, розв'язувальний блок на операційному підсилювачі і з резистором в ланцюзі негати U 2 (19) 1 3 25389 також через важкість збереження на заданому рівні опору зразкового резистора. Відомий також шумовий вимірювач температури [авт. свід. СРСР №1732186, МПК G01K7/30, 1992], що містить термошумовий резистивний перетворювач, два смугови х фільтри, два підсилювачі напруги, перемножувач, входи якого з'єднані через підсилювачі напруги з виходами полосових фільтрів, фільтр нижніх частот, підключений до виходу перемножувача, аналого-цифровий перетворювач, вхід якого з'єднаний з аналогоцифровим перетворювачем, мікро-ЕОМ і цифровий індикатор, підключений до виходу мікро-ЕОМ. Крім того, у склад шумового вимірювача температури входять перетворювач струм у в напругу, джерело еталонної постійної напруги, цифровий суматор та формувач керуючих сигналів. Одночасне підключення до термошумового резистивного перетворювача підсилювача напруги з високоомним входом і перетворювача струму в напругу з низькоомним входом викликає великі викривлення в значеннях шумового струму та напруги, що не дозволяє одержати високу точність виміру температури. Крім того, перемножувач у відомій схемі не виключає впливу корельованих шумів підсилювачів напруги і смугових фільтрів на результат вимірювання температури, що також знижує достовірність контролю температури. Джерелом похибки залишається часова та температурна нестабільність параметрів підсилювачів і смугових фільтрів, що обумовлюють крутизну перетворення температури, яка вимірюється, в цифровий код. В основу корисної моделі поставлена задача створення такого шумового вимірювача температури, в якому шляхом введення нових елементів та зв'язків між ними забезпечило б виключення похибок, що в свою чергу дозволить з більш високою точністю вимірювати температуру в умовах деградації опору термошумового резистивного перетворювача і нестабільності параметрів підсилювачів, фільтрів та самого перемножувача. Поставлена задача досягається тим, що в шумовий вимірювач температури, що містить термошумовий резистивний перетворювач, два смугових фільтри, два підсилювачі напруги, перемножувач, входи якого з'єднані через підсилювачі напруги з виходами смугових фільтрів, фільтр нижніх частот, підключений до виходу перемножувача, аналого-цифровий перетворювач, мікро-ЕОМ, вхід якої з'єднаний з аналогоцифровим перетворювачем і цифровий індикатор, підключений до виходу мікро-ЕОМ, згідно корисної моделі, в нього введені термостат, зразковий резистор, розміщений в термостаті, зразковий конденсатор, диференційний підсилювач, два розподільних конденсатора, розв'язуючий блок на операційному підсилювачі і з резистором в ланцюзі негативного зворотного зв'язку, триканальний і двоканальний мультиплексори та цифроаналоговий перетворювач, вхід якого з'єднано з другим виходом мікро-ЕОМ, вихід з'єднано з виводами термошумового резистивного перетворювача, зразкового резистора, зразкового конденсатора, що в свою чергу з'єднані разом, та з одним із 4 входів ди ференційного підсилювача через один розподільний конденсатор, інші виводи термошумового резистивного перетворювача, зразкового резистора і зразкового конденсатора, з’єднані кожен окремо з входами триканального мультиплексора, вихід якого з'єднано з другим входом диференційного підсилювача через другий розподільний конденсатор і безпосередньо з входом розв'язуючого блока, вихід якого з'єднано з одним із входів двоканального мультиплексора, другий вхід якого з'єднано з виходом фільтра нижніх частот, а вихід з'єднано з входом аналогоцифрового перетворювача, керуючі входи триканального і двоканального мультиплексорів підключені до третього і четвертого виходів мікро-ЕОМ, а вихід ди ференційного підсилювача з'єднаний з входами смугових фільтрів. Введення в схему шумового вимірювача температури зразкового резистора,розміщеного в термостаті, зразкового конденсатора, диференційного підсилювача, двох розподільних конденсаторів, розв'язуючого блока на операційному підсилювачі і резистором в ланцюзі негативного зворотного зв'язку, триканального і двоканального мультиплексорів, цифро-аналогового перетворювача, з'єднаних вказаним способом, дозволяє в різні цикли роботи сформувати на виході перемножувача додаткові напруги, почергова подача яких на розв'язуючий блок через термошумовий резистивний перетворювач, зразковий резистор, зразковий конденсатор і подальша математична обробка в мікро-ЕОМ дозволяє одержати значення температури, яка вимірюється, в цифровому вигляді, скоректоване від дії шумів і перешкод, які діють в підсилювально-перетворюючому тракті, а також дії несталості параметрів підсилювачів, фільтрів, перемножувача і нестабільності опору як самого термошумового перетворювача, так і зразкового, що дозволяє з більш високою точністю вимірювати температуру в умовах деградації параметрів термошумового резистивного перетворювача і нестабільності параметрів вимірювальної схеми. На кресленні представлена функціональна схема шумового вимірювача температури. Шумовий вимірювач температури містить термошумовий резистивний перетворювач 1, зразковий резистор 2, розміщений в термостаті 3, триканальний мультиплексор 4, зразковий конденсатор 5, два розподільних конденсатора 6 і 7, диференційний підсилювач 8, розв'язуючий блок 9 на операційному підсилювачі 10 з резистором 11 в ланцюзі негативного зворотного зв'язку, два смугові фільтри 12 і 13, два підсилювача напруги 14 і 15, перемножувач 16, фільтр 17 нижніх частот, двоканальний мультиплексор 18, аналого-цифровий перетворювач 19, цифро-аналоговій перетворювач 20, мікро-ЕОМ 21 і цифровий індикатор 22. Виводи термошумового резистивного перетворювача 1, зразкового резистора 2 і зразкового конденсатора 5 з'єднані разом і через розподільний конденсатор 6 з'єднані з одним із входів диференційного підсилювача 8. Другі виводи термошумового резистивного перетворювача 1, зразкового резистора 2 і зразкового конденсатора 5 25389 5 з'єднані кожен окремо з входами триканального мультиплексора 4. Вихід мультиплексора 4 з'єднано з другим входом диференційного підсилювача 8 через розподільний конденсатор 7 і безпосередньо з входом розв'язуючого блока 9 на операційному підсилювачі 10 з резистором 11 в ланцюзі негативного зворотного зв'язку. Вихід диференційного підсилювача 8 з'єднано з входами смугових фільтрів 12 і 13, виходи яких через підсилювачі напруги 14 і 15 з'єднані з входами перемножувача 16. Вихід перемножувача 16 з'єднано через фільтр 17 нижніх частот з одним входом двоканального мультиплексора 18, другий вхід якого з'єднаний з виходом розв'язуючого блока 9. Вихід двоканального мультиплексора 18 з'єднаний через аналого-цифровий перетворювач 19 з входом мікро-ЕОМ 21, до першого виходу якої підключено цифровий індикатор 22. До другого виходу мікро-ЕОМ 21 підключено вхід цифроаналогового перетворювача 20, вихід якого з'єднано із з'єднаними разом виводами термошумового резистивного перетворювача 1, зразкового резистора 2 та зразкового конденсатора 5. Третій та четвертий виходи мікро-ЕОМ 21 з'єднані з керуючими входами двоканального мультиплексора 18 і триканального мультиплексора 4. Шумовий вимірювач температури діє таким чином. В термошумовому резистивному перетворювачі 1, розміщеному в зоні температури Т х, яка вимірюється, виникає електрична напруга теплових шумів, пропорційна цій температурі. В зразковому резисторі 2, розміщеному в термостаті 3, виникає також електрична напруга теплових шумів, пропорційна фіксованій температурі Т0 термостату 3. Вимірювання температури Т здійснюється на протязі шести циклів роботи мікро-ЕОМ 21. Підчас першого циклу роботи мікро-ЕОМ 21 триканальним мультиплексором 4 підключається до входів ди ференційного підсилювача 8 першим каналом термошумовий резистивний перетворювач 1 з опором R1. Підсилена напруга, яка складається з теплових шумів Uш(t) та перешкод Uп(t), включаючи власні шуми диференційного підсилювача 8, надходить на входи смугови х фільтрів 12 і 13. Відфільтровані від низькочастотних та високочастотних перешкод складові шумової напруги підсилюються підсилювачами напруги 14, 15 і перемножуються у перемножувачі 16. Постійна складова перемножених напруг з урахуванням усереднення в фільтрі 17 нижніх частот визначається виразом: U1 = K 2K 2K 3m(U2 + U2 ) + Uc ш п 1 , (1) де K1, - коефіцієнт підсилення диференційного підсилювача 8; K2 і K3 - коефіцієнти підсилення підсилювачів напруги 14 і 15; m - масштабний коефіцієнт перетворення перемножувача 16 з урахуванням фільтра 17 нижніх частот; U2 ш - дисперсія теплових шумів термошумового резистивного перетворювача 1; 6 U2 - дисперсія перешкод та власних шумів п диференційного підсилювача 8; Uc - напруга зміщення нуля перемножувала з урахуванням корельованих шумів підсилювачів напруги 14 і 15. Напруга U1 перетворюється в цифровий код за допомогою аналого-цифрового перетворювача 19. Код першого циклу перетворення K2K 2K3m(U2 + U2 ) + Uc U ш п (2) N1 = 1 = 1 q1 q1 де q1 - одиниця молодшого розряду аналогоцифрового перетворювача 19. Код N1, запам'ятовується і зберігається в пам'яті мікро-ЕОМ 21. На час другого циклу роботи мікро-ЕОМ 21 триканальним мультиплексором 4 підключається до диференційного підсилювача 8 другим каналом зразковий резистор 2 з опором R2=R1, напруга теплового шуму якого – U0(t). Внаслідок виконання аналогічних операцій на виході фільтра 17 нижніх частот формується друга постійна напруга U2 = K 2K2K 3m(U2 + U2 ) + U c п 1 0 , (3) 2 де U0 - дисперсія теплових шумів зразкового резистора 2. Код другого циклу перетворення 2 K2K2K 3m(U2 + Uп ) + Uc U (4) 0 N2 = 2 = 1 q1 q1 Код N2 також запам'ятовується і зберігається в пам'яті мікро-ЕОМ 21. Підчас третього циклу роботи мікро-ЕОМ 21 триканальним мультиплексором 4 підключається до диференціального підсилювача 8 третім каналом зразковий конденсатор 5, який практично не має дисипативних втрат. Значення ємності зразкового конденсатора вибирається за умови 1 C0 = (5) 2pfR2 де f - центральна частота смугових фільтрів 12 і 13. Завдяки тому, що зразковий конденсатор 5 не має втрат, він сам не створює теплового шуму, а по повному опору (імпедансу) в смузі використовуємих частот теплового шуму зразковий конденсатор 5 є еквівалентом опору термошумового резистивного перетворювача 1 і зразкового резистора 2 1 = R1 = R2 (6) 2p fC0 Тому підчас третього циклу роботи мікро-ЕОМ 21, коли триканальним мультиплексором 4 підключається до диференційного підсилювача 8 третім каналом зразковий конденсатор 5 - безшумовий еквівалент зразкового резистора на виході диференційного підсилювача 8, рівень перешкоди та шумів не змінюється, а корисний сигнал відсутній. Постійна складова перемножених шумових напруг з урахуванням усереднення в фільтрі 17 нижніх частот в третьому циклі роботи мікро-ЕОМ 7 25389 21 визначається тільки власними шумами і пере2 шкодами (U0 = 0 ) : U3 = K 2K 2K3 mU2 + Uc п 1 Код третього циклу перетворення (7) K 2K 2K3mU2 + Uc U п (8) N3 = 3 = 1 q1 q1 Код N3 також запам'ятовується і зберігається в пам'яті мікро-ЕОМ 21. На час четвертого циклу роботи мікро-ЕОМ 21 трихканальним мультиплексором 4 знову підключається до входів ди ференційного підсилювача 8 першим каналом термошумовий резистивний перетворювач 1 з опором R1. При цьому двоканальний мультиплексор 18 підключає вхід аналогоцифрового перетворювача 19 до виходу розв'язуючого блоку 9. На вхід розв'язуючого блоку 9 через термошумовий резистивний перетворювач 1 надходить постійна напруга з виходу ци фро-аналогового перетворювача 20. Значення цієї напруги визначається різницевим кодом N1=N3, який виробляється в процесорі мікро-ЕОМ 21: 2 2 K1 K 2K 3mUш (9), q2 q1 де q2 - одиниця молодшого розряду цифроаналогового перетворювача 20. Коефіцієнт передачі розв'язуючого блоку 9, як відомо, визначається відношенням опору резистора 11 в ланцюзі негативного зворотного зв'язку операційного підсилювача 10 і послідовним опором резистора на вході операційного підсилювача 10. Опір резистора 11 має фіксоване значення R 0, при цьому коефіцієнт підсилення розв'язуючого блоку 9 K4 стає зворотно пропорційним опору термошумового резистивного перетворювача 1: R0 K4 = (10) R1 + DR де DR неконтрольовані зміни опору термошумового резистивного перетворювача 1 підчас експлуатації. Вихідна напруга розв'язуючого блоку 9 з урахуванням виразів (9) і (10) досягає значення: R0 q2 2 U5 = K 4U4 = K1 K 2K 3mU2 (11) ш R1 + DR q1 Напруга U5 перетворюється в цифровий код за допомогою аналого-цифрового перетворювача 19. Код четвертого циклу перетворення U R0 q2 2 2 N4 = 5 = K K K mUш (12) 2 1 2 3 q1 R1 + DR q1 також запам'ятовується і зберігається в пам'я ті мікро-ЕОМ 21. На час п'ятого циклу роботи мікроЕОМ 21 триканальним мультиплексором 4 підключається до виходу цифро-аналогового перетворювача 20 другим каналом зразковий резистор 2. Двоканальний мультиплексор 18 залишається в попередньому стані. На вхід розв'язуючого блоку 9 через зразковий резистор 2 надходить постійна напруга з ви ходу цифро-аналогового перетворю U4 = (N1 - N3 )q2 = 8 вача 20. Значення цієї напруги визначається різницевим кодом N2–N3, який виробляється мікроЕОМ 21: 2 K1 K2K 3mU2 0 (13) q2 q1 . Коефіцієнт передачі розв'язуючого блоку 9 при підключенні до входу зразкового резистора 2 з опором R2 визначається виразом: R K5 = 0 (14) R2 Вихідна напруга розв'язуючого блоку 9 з урахуванням виразів (13) і (14) прийме значення: R q 2 U7 = K5U6 = 0 2 K1 K2K 3mU2 (15) 0 R2 q1 Напруга U7 перетворюється у цифровий код за допомогою аналого-цифрового перетворювача 19. Код п'ятого циклу перетворення U R q 2 N5 = 7 = 0 2 K1 K 2K 3mU 2 (16) 0 2 q1 R 2 q1 також запам'ятовується і зберігається в пам'я ті мікро-ЕОМ 21. Підчас шостого циклу роботи в мікро-ЕОМ 21 визначається відношення кодів N4 і N5 U6 = (N2 - N3 )q2 = R0 q2 2 K K K mU2 R1 + D R q2 1 2 3 ш 2 N4 R2 Uш (17 1 = = R0 q2 2 N5 R1 + DR 2 ) K K K mU2 U0 R2 q2 1 2 3 0 1 Згідно з формулою Найквиста середній квадрат напруги теплових шумів термошумового резистивного перетворювача визначається виразом: (18), U2 = 4KDf(R 1 + D R )Tx ш де К - стала Больцмана; Df - смуга частот, в якій вимірюються теплові шуми; R1 + DR - реальний опір термошумового резистивного перетворювача; Tx - температура термошумового резистивного перетворювача по термодинамічній шкалі в градусах Кельвіна. Аналогічно, дисперсія теплових шумів зразкового резистора при термодинамічній температурі Т0 (19) U2 = 4K DfR 2 T0 0ш Підставляючи (18) і (19) в вираз (17), одержуємо N4 R2 4K Df (R1 + DR)Tx Tx = = (20) N5 R1 + DR 4KD fR2T0 T0 звідки температура, яка вимірюється, в градусах Кельвіна: N Tx = 4 T0 (21). N5 На цифровий індикатор 22 виводиться температура, що вимірюється, в градуса х Цельсія: N t x = ( 4 T0 - 273)°C (22). N5 9 25389 Із виразів (21) і (22) бачимо, що результат вимірювання не залежить від ступеня деградації термошумового резистивного перетворювача (DR), від фактичної нерівності опорів термошумового резистивного перетворювача і зразкового резисторов (R1»R2), а також нестабільності опору самого зразкового резистора. Крім цього, на результат вимірювання не впливає нестабільність коефіцієнту підсилення диференційного підсилювача (K1), обох підсилювачів напруги (K1, і K3), масштабного коефіцієнту перемножувача (m), а також рівень їх власних шумів і перешкод. Не впливає також нестабільність смуги пропускання смугових фільтрів (Df), а також обмежена розв'язувальна здатність аналого-цифрового (q1) і цифро-аналогового (q2) перетворювачів. Результат вимірювання визначається тільки стабільністю температури зразкового резистора (Т0) і розрядністю мікро-ЕОМ. Таким чином, запропоноване схемо-технічне рішення шумового вимірювача температури забезпечує високу точність вимірювання і забезпечує зниження вимог до стабільності термошумового резистивного перетворювача, зразкового резистора і до електронних елементів вимірювальної схеми. Моделювання запропонованої структури шумового вимірювача температури на ЕОМ підтвер Комп’ютерна в ерстка Л.Литв иненко 10 дило виключення прогресуючої похибки вимірювання від неконтрольованих змін опору термошумового резистивного перетворювача в межах до ±30% при номінальному значенні опору в 1кОм. Аналогічні наслідки одержані і від нестабільності коефіцієнту підсилення на ±25%. При цьому приймалась центральна частота смугового фільтра рівною 75кГц зі смугою пропускання теплових шумів ±25кГц. Діапазон вимірюємих температур при моделюванні приймався від 300 до 1500К. Для зменшення випадкової складової похибки від статистичних властивостей теплового шуму час усереднення на виході перемножувача вибирався до 3 секунд, що знизило вказану похибку до ±0,1К. Інваріантність до власних шумів дозволяє реалізувати вимірювальну схему на недорогих широкополосних операційних підсилювачах типу 140 УД1, а перемножувач реалізувати на мікросхемі КМ525 ПСЗА. Підвищення перешкодозахищеності забезпечено аналого-цифровим перетворювачам інтегруючого типу на мікросхемі КР572ПВ2. Обробка результатів проміжних перетворень і одержання цифрового відліку температури проводилися на персональній ЕОМ в пакеті програм "Mat C AD". Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601