Шумовий спосіб вимірювання температури

1. Шумовий спосіб вимірювання температури, при якому встановлюють резистивний елемент у зоні вимірювання температури, отримують його шумову напругу, яку перетворюють в постійну складову усередненої напруги шля хом підсилення в смузі частот теплових флуктуацій разом з власними шумами підсилювального тракту, квадратичного детектування, усереднення і запам'ятовування, який відрізняється тим, що резистивний елемент встановлюють в зоні вимірювання температури шляхом включення в вимірювальне плече мостової схеми за допомогою двопровідної з'єднувальної лінії, одну із діагоналей мостової схеми періодично закорочують, з другої діагоналі мостової схеми почергово з шумовою напругою отримують додаткову шумову напругу, яку перетворюють в постійну складову усередненої напруги, порівнюють дві постійні складові усереднених напруг між собою, при цьому їх різницю приводять до нуля зміною співвідношення опорів плечей мостової схеми, вимірюють одну із усереднених напруг та визначають температуру за формулою Корисна модель відноситься до шумової термометрії і може бути використана для дистанційного вимірювання температури за рівнем теплового шуму резистивного елемента, що розташований на віддаленому об'єкті в агресивному середовищі. Відомий шумовий спосіб вимірювання температури [див. Геращенко О.А., Гордов Н.А., Лах В.И., Стадник Б.О., Ярышев Н.А. Температурные измерения: Справочник. - К.: Наукова думка, 1984. - с.21-22], оснований на вимірюванні середнього квадрату напруги теплового шум у резистивного елементу, що розташований на віддаленому об'єкті, і визначенні температури за формулою 2 U (1) , Tx = 4kR Df 2 де U - середній квадрат (дисперсія) напруги теплового шум у; k - постійна Больцмана; R - опір резистивного елемента; Df - смуга частот, в якій виділяється шумова напруга. При визначенні температури за вказаною формулою необхідно враховувати опір R резистивного елемента, який знаходиться на віддаленому об'єкті і працює в агресивному середовищі. Через незворотні зміни опору резистивного елементу від дії агресивного середовища виникає велика похибка, яку важко врахувати або зкомпенсувати. Відомий шумовий спосіб вимірювання температури [див. Саватеев А.В. Шумовая термометрия. Л.: Энергоатомиздат. Tx (r2 + r3 )2 × U0 , = r2r3 r4 Sн де r2, r3, r 4 - опори плечей моста при нульовій різницевій напрузі; U0 - виміряна одна із усереднених напруг; Sн - нормована крутизна перетворення. 2. Шумовий спосіб вимірювання температури за п. 1, який відрізняється тим, що після вимірювання однієї із усереднених напруг закорочують вимірювальне плече мостової схеми, знову вимірюють одну із усереднених напруг, на значення якої зменшують раніше виміряну одну з U (13) U - виміряна напруга при закороченому плечі мостової схеми. 28449 - початкова виміряна напруга; '' 0 (11) U'0 UA де U0 = U'0 - U'0' , (19) усереднених напруг: 3 28449 4 Ленинградское отделение, 1987. - с.96-97], при складову усередненої напруги шля хом підсилення якому разом з вимірюванням дисперсії теплового в смузі частот теплових флуктуацій разом з власними шумами підсилювального тракту, 2 шуму U безпосередньо вимірюють опір R квадратичного детектування, усереднення і резистивного елемента і здійснюють операцію запам'ятовування, згідно з корисною моделлю, ділення вимірюваної дисперсії теплового шуму на резистивний елемент встановлюють в зоні додатково виміряний опір резистивного елемента. вимірювання температури шляхом включення в Необхідність подачі електричної напруги на вимірювальне плече мостової схеми за допомогою віддалений резистивний елемент з метою двопровідної з'єднувальної лінії, одну із діагоналей вимірювання його опору ускладнює реалізацію мостової схеми періодично закорочують, з другої цього способу. Крім того, додаткова лінія зв'язку діагоналі мостової схеми почергово з шумовою шунтує резистивний елемент і є джерелом напругою отримують додаткову шумову напругу, додаткових завад, що знижує точність яку перетворюють в постійну складову вимірювання температури. усередненої напруги, порівнюють дві постійні Відомий також шумовий спосіб вимірювання складові усереднених напруг між собою, при температури [див. Патент України на корисну цьому їх різницю приводять до нуля зміною модель №16665, МПК G01K7/30, 2006р.], при співвідношення опорів плечей мостової схеми, якому встановлюють резистивний елемент у зоні вимірюють одну із усереднених напруг та вимірювання температури, отримують його визначають температуру за формулою шумову напругу, яку перетворюють в постійну (r + r )2 U складову усередненої напруги шля хом підсилення Tx = 2 3 × 0 , в смузі частот теплових флуктуацій разом з r2r3r4 Sн власними шумами підсилювального тракту, де r2, r3, r4- опори плечей моста при нульовій квадратичного детектування, усереднення і різницевій напрузі; запам'ятовування. U0 - виміряна одна із усереднених напруг; У відомому способі похибка від непостійності Sн - нормована крутизна перетворення. опору резистивного елемента виключається Доцільно, щоб після вимірювання однієї із додатковим вимірюванням опору цього елементу усереднених напруг закорочували б вимірювальне шляхом подачі постійної напруги, пропорційної плече мостової схеми, знову вимірювали одну із дисперсії напруги теплового шуму, через усереднених напруг, на значення якої зменшували резистивний елемент на операційний підсилювач з раніше виміряну одну з усереднених напруг: додатковим резистором в ланцюгу його зворотного Uo=U'o-U''o зв'язку. При цьому виконується операція ділення де U'o - початкова виміряна напруга; постійної напруги, пропорціональної дисперсії U''o - виміряна напруга при закороченому плечі шумової напруги, на опір резистивного елемента мостової схеми. на постійному струмі, що виключає вплив його Включення резистивного елемента за нестабільності. допомогою двопровідної з'єднувальної лінії в При дистанційних вимірюваннях температури схему чотириплечого моста, одну з діагоналей ємність лінії зв'язку віддаленого резистивного якого періодично закорочують, з іншої діагоналі елемента з вимірювальною схемою шунтує цей моста почергово знімають дві шумові напруги, які резистивний елемент, що змінює смугу підсилюють в смузі частот теплового шуму, квадратують і інтегрують одними і тими ж пропускання Df і викликає значну похибку в значенні вимірюємої дисперсії шумової напруги. перетворювальними ланцюгами, а потім окремо Виключити цю похибку корекцією омічного опору запам'ятовують постійні складові цих напруг резистивного елемента на постійному струмі дозволяє порівняти два стани мостової схеми при неможливо. Тому точність вимірювання розімкнутій і замкнутій її діагоналі. Зміною опорів температури віддалених об'єктів з агресивним плечей моста зводять різницю запам'ятованих середовищем (металургійних печей, хімічних та порівнюємих напруг до н уля, що забезпечує ядерних реакторів) шумовим способом однозначний зв'язок активної складової залишається невисокою. комплексного опору резистивного елементу з В основу корисної моделі поставлена задача опорами плечей моста. Вимірюванням однієї із створити такий шумовий спосіб вимірювання порівнюваних напруг в момент їх рівності температури, в якому шляхом введення нових визначають дисперсію шумової напруги нагрітого операцій з шумовими сигналами і обробки резистивного елемента. Підставляючи в результатів проміжних вимірювань за новою запропоновану формулу значення опорів плечей формулою забезпечило б виключення впливу моста, відповідаючих нульовій різниці ємності з'єднувальної лінії і нестабільності опору порівнюємих напруг, і значення однієї із самого резистивного елемента на результат порівнюємих напруг в момент їх рівності, вимірювання температури, що дозволить обчислюють дійсне значення температури підвищити точність дистанційного вимірювання резистивного елемента незалежно від величини температури віддалених об'єктів. ємності з'єднувальної лінії і опору самого Поставлена задача досягається тим, що в резистивного елемента, що дозволяє підвищити шумовий спосіб вимірювання температури, при точність дистанційного вимірювання температури якому встановлюють резистивний елемент у зоні віддалених об'єктів. вимірювання температури, отримують його шумову напругу, яку перетворюють в постійну 5 28449 6 На Фіг. приведена вимірювальна схема, за На входи диференціального підсилювача 8 допомогою якої реалізується запропонований поступає падіння напруги шумового струму (3) на шумовий спосіб вимірювання температури. опорах високоомного резистора 5 і 6: Резистивний елемент 1, шунтований ємністю 2 r3 + r4 2 (4) двопровідної лінії зв'язку, включений в U2 = U1 , Re Z + r2 + r3 + r4 вимірювальне плече мостової схеми 3, в плечі Крім шумової напруги U2 на входи відношення якої включені низькоомний 4 і диференціального підсилювача 8 діють теплові високоомний 5 резистори, і в плече порівняння шуми самих високоомного резистора 5 і магазину магазин опорів 6. опорів 6. Самому диференціальному підсилювачу В одну діагональ моста включений 8 притаманні власні шуми теплового та дробового автоматичний перемикач 7, в іншу діагональ характеру. В результаті підсилюється сума диференціальний підсилювач 8. До виходу шумових напруг від різних джерел. Але диференціального підсилювача 8 підключені враховуючи, що шуми від незалежних джерел між смуговий фільтр 9, квадратичний перетворювач собою не корельовані, то підсилену 10, усереднюючий резистор 11 і автоматичний диференціальним підсилювачем 8 шумову напругу перемикач 12. Керуючі входи автоматичних можливо представити в вигляді перемикачів з'єднані між собою і підключені до середньоквадратичної суми: генератора прямокутної напруги 13. Один ви хід автоматичного перемикача з'єднаний з 2 2 2 (5) накопичувальним конденсатором 14, другий вхід U3 = k1 U + U + U , 2 31 41 з накопичувальним конденсатором 15. Між де k1 коефіцієнт підсилення накопичувальними конденсаторами включений диференціального підсилювача 8; нуль-індикатор 16, а до одного з накопичувальних конденсаторів підключений вольтметр 17. Ключ 18 U2 - дисперсія шумової напруги U2; 2 закорочує вимірювальне плече мостової схеми 3. Спосіб здійснюється наступним чином. U2 - дисперсія шумової напруги від теплових 31 Резистивний елемент 1 розміщають на шумів високоомного віддаленому об'єкті, температуру якого необхідно резистора 5 і магазину опорів 6; дистанційно вимірювати. В резистивному елементі 1 з опором r1 в результаті нагріву утворюється дисперсія власних шумів U2 тепловий шум, який по двопроводній лінії зв'язку з 41 диференціального підсилювача 8. ємністю 2 поступає в вимірювальне плече Підсилена напруга U3 фільтрується в смузі чотириплечої мостової схеми 3. Через шунтуючу дію ємності лінії зв'язку дисперсія теплового шуму частот Df смуговим фільтром 9 і перетворюється резистивного елемента, поступаючого в мостову в квадратичному перетворювачі 10. В результаті схему, знижується до значення: квадратичного перетворення шумової напруги, яка має знакозмінний характер, виникає постійна 2 (1) U = 4kTx Df Re Z , складова напруги: де k - постійна Больцмана; 2 2 2 2 2 (6) Тх - термодинамічна температура, що U4 = k k S U + U + U , 2 31 41 1 2 вимірюється; де k2 - коефіцієнт передачі смугового фільтра Df - смуга частот, в якій виділяється тепловий 9; шум. S - крутизна перетворення квадратичного ReZ - активна складова комплексного опору Z перетворювача 10. резистивного елемента 1, що шунтований ємністю Виокремлення постійної напруги із шумів 2. здійснюється накопичувальним конденсатором 14, При паралельній схемі заміщення підключеним автоматичним перемикачем 12 через резистивного елемента 1 з опором r1 і ємністю С усереднюючий резистор 11. В результаті лінії зв'язку активна складова комплексного опору усереднення, яке створюється інтегруючим вимірювального плеча мостової схеми 3 ланцюгом із резистора 11 і конденсатора 14, на r1 конденсаторі 14 формується постійна напруга: , Re Z = (2) 1 + (2pf0r1C)2 æ ö (7) U5 = k 2k 2Smç U2 + U 2 + U2 ÷ , 1 2 ç 2 31 41 ÷ де f0- центральна частота смуги частот Df è ø шуму, що вимірюється. де m - масштабний коефіцієнт інтегруючого При вказаному положенні автоматичного ланцюга. перемикача 7 через плечі мостової схеми 3 При перемиканні автоматичних перемикачів 7 і протікає шумовий струм, середнє квадратичне 12 в протилежне положення діагональ мостової значення якого: схеми 3 закорочується, а усереднюючий резистор 11 перемикається на конденсатор 15. В результаті 2 (3) i1 = U (Re Z + r2 + r3 + r4 ) , замикання вимірювальної діагоналі мостової 1 схеми через резистори 4 та 5 перестає протікати де r2 і r3- опори плечей відношення 4 і 5; шумовий струм, який генерується в резистивному r4 - опір магазину опорів 6. елементі 1. Струм через магазин опорів 6 зростає до значення: 7 28449 8 2 (8) i 2 = U (Re Z + r4 ) , 1 На входи диференціального підсилювача 8 починає діяти падіння напруги від шумового струму і2 на магазині опорів 6: (14) U2 » U2 , 31 32 Із цих міркувань можливо вважати, що і рівень власних шумів диференціального підсилювача 8 зміниться незначно, а значить: r4 2 (9) U1 , Re Z + r4 Через зміну конфігурації вхідного ланцюга диференціального підсилювача 8 дещо змінюється рівень теплових шумів, що вносяться резисторами 4 і 5. Дійсно, паралельно резистору 5 виявляється включений резистор 4. Хоча вони і знеструмлені, але їх власні теплові шуми діють на диференціальний підсилювач 8. Через зміну еквівалентного опору вхідного ланцюга диференціального підсилювача 8 також дещо змінюється і рівень власних шумів цього підсилювача. Тому напругу на ви ході диференціального підсилювача 8 по аналогії з виразом (5) можливо представити в вигляді: U2 » U2 , 41 42 Із ура хуванням спрощується: U6 = 2 2 2 U7 = k1 U + U + U , 6 32 42 (10) - дисперсія шумової напруги від U2 32 теплових шумів резисторів 4, 5 і магазину опорів 6; де дисперсія власних шумів U2 42 диференціального підсилювача 8 при паралельному підключенні резистора 4 резистору 5. Після фільтрації шумової напруги (10) і його квадратування на накопичувальному конденсаторі 15 формується постійна напруга: U8 = k 2k 2Smæ U 2 + U 2 + U 2 ö. 1 2 ç 6 32 42 ÷ è ø (11) Накопичені конденсаторами 14 і 15 напруги зрівнюються за допомогою нуль-індикатора 16, який включений між цими конденсаторами. При безперервній роботі автоматичних перемикачів 7 і 12 через нуль-індикатор 16 буде протікати зрівнювальний струм, пропорційний напругам, що порівнюються: i3=S2(U5-U8), (12) де S2 - крутизна перетворення різницевої напруги в стр ум, яка залежить від частоти перемикань накопичувальних конденсаторів і параметрів ланцюга ділення. Різницю порівнюємих напруг зводять до нуля зміною опору магазина опорів 6 при заданому співвідношенні опорів плечей відношення, що містять резистори 4 і 5 мостової схеми. При досягненні нуля U5=U8, що означає: (13) U2 + U 2 + U2 = U 2 + U2 + U2 , 2 31 41 6 32 42 При оцінці рівності (13) варто врахувати, що при закорочуванні діагоналі мостової схеми 3 високоомний резистор 4 виявляється включеним паралельно низькоомному резистору 5. При цьому еквівалентний опір плеча диференціального підсилювача 8 із паралельно включених резисторів 4 і 5 змінюється несуттєво. Тому можно вважати, що U2 » U2 . 2 6 (15) (14) і (15) рівняння (13) (16) Підставляючи в вираз (16) значення U2 2 із виразу (4) і значення U2 із виразу (9), отримуємо 6 r3 + r4 r4 . = (17) Re Z + r2 + r3 + r4 Re Z + r4 Вирішивши рівняння (17) відносно активної складової опору резистивного елемента 1, який шунтований ємністю 2, нарешті отримаємо: r Re Z = r4 2 . (18) r3 Із співвідношення (18) витікає, що активну складову опору резистивного елемента 1 можливо визначити за опором r4 магазина опорів 6 і r відношенню опорів 2 плечей відношення, що r3 містять резистори 4 і 5 мостової схеми незалежно від рівня власних шумів вимірювальної схеми і нестабільності параметрів перетворювальних елементів. Температуру резистивного елемента 1 оцінюють по показанню вольтметра 17, яким вимірюється напруга на накопичувальному конденсаторі 15. Згідно виразу (11), якщо знехтувати власними шумами елементів вимірювальної схеми, які мають значно меншу температуру (температуру навколишнього середовища), ніж резистивний елемент 1 на об'єкті, виміряна постійна напруга: æ ö U0 = k 2k 2Smç U 2 + U2 + U2 ÷ » k 2k 2 SmU 2 .(19) ç 6 32 42 ÷ 6 1 2 1 2 è ø Підставивши в вираз (19) значення дисперсії шумової напруги U2 із виразу (9) і враховуючи 6 співвідношення (18), отримаємо: 2 ö 2 2 2 æ r (20) U8 = k k Smç 3 ÷ U . çr +r ÷ 1 1 2 è 2 3ø Підставивши в вираз (20) значення дисперсії шумової напруги резистивного елемента 1 із виразу (1), отримаємо: 2 æ r ö (21) U0 = SH ç 3 ÷ Re ZTX , çr +r ÷ è 2 3ø де SH = 4kk 2k2SmDf - нормована крутизна 1 2 перетворення дисперсії шумової напруги в постійну напругу [В/К·Ом]. Вирішивши рівняння (21) відносно вимірюємої температури Тх з урахуванням співвідношення (18), отримаємо розрахункову формулу: 9 28449 (r + r )2 U0 , (22) TX = 2 3 SH r2r3 r4 в яку не входить опір r1 резистивного елемента 1 і ємності С з'єднувальної лінії. Подальше підвищення точності вимірювання температури досягається виключенням впливу власних шумів вимірювальної схеми. Вважаємо, що початкова виміряна напруга U'0. Для виключення впливу власних шумів вимірювальної схеми закорочують вимірювальне плече мостової схеми 3 ключем 18. При цьому рівновага мостової схеми 3 по показанням нуль-індикатора 16 не порушується. Але показання вольтметра 17 зменшаться до значення: æ ö ' (23) U'0 = k 2k 2SmçU2 + U2 ÷ , ç 32 42 ÷ 1 2 è ø яке визначається тільки дією власних шумів резисторів 4 і 5, магазину резисторів 6 і диференціального підсилювача 8. З урахуванням виміряної напруги (23) вводять поправку в постійну напругу за розрахунковою формулою (22). Для цього із напруги U'0 віднімають додатково виміряну напругу U''0. Уточнена розрахункова формула приймає вигляд: ' (r + r )2 U' - U'0 , (24) Tx = 2 3 × 0 r2r3 r4 Sн де нормована крутизна SH має, як відзначалось вище, розмірність [В/К·Ом] і визначається в процесі калібрування. Із отриманого виразу видно, що результат вимірювання, обчислений за формулою (24), не залежить ні від опору резистивного елемента 1, ні від ємності 2 з'єднувальної лінії, ні від рівня власних шумів вимірювальної схеми, що і забезпечує високу точність дистанційного вимірювання температури. Таким чином, використання запропонованого способу вимірювання температури дозволяє: здійснювати незалежне вимірювання активної складової опору резистивного елемента, шунтованого ємністю з'єднувальної лінії, без використання додаткового джерела напруги; - окремо і незалежно від опору резистивного елемента вимірювати дисперсію ослабленої з'єднувальною лінією шумової напруги; - підстановкою в запропоновану формулу значень опорів плечей мостової схеми, які відповідають її нульовому балансу, і виміряної постійної напруги на накопичувальному конденсаторі, визначати дійсну температуру віддаленого резистивного елементу; - на результат вимірювання температури не впливає нестабільність опору резистивного елементу і непостійність ємності з'єднувальної лінії, що дозволяє використовувати високоомні резистивні елементи і довгі з'єднувальні лінії. 10