Радіотепловий термометр

Радіотепловий термометр, що містить антену, балансний змішувач, генератор низької частоти, послідовно з'єднані вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом генератора низької частоти, інтегратор і цифровий вольтметр, який відрізняється тим, що в нього додатково введені НВЧтрансформатор, коаксіальна лінія, НВЧперемикач, два широкосмугових НВЧ-підсилювачі і 3 34877 малою смугою пропускання трьохвходового циркулятора і підсилювача проміжної частоти. Похибка виникає через нестабільність частоти і потужності НВЧ-гетеродина. Підвищити чутливість за рахунок передвключених НВЧ-підсилювачів недоцільно через їх власні шуми, які статистично невиразні з шумовим випромінюванням, що приймається від нагрітого тіла. Стабілізувати параметри НВЧ-гетеродина важко, якщо його частота переналагоджується. В основу корисної моделі покладена задача створити такий радіотепловий термометр, в якому шляхом введення нових елементів і зв'язків була б істотно розширена смуга шумового НВЧвипромінювання, що приймається, і виключено вплив власних апаратурних корельованих і некорельованих шумів, що забезпечить підвищення чутливості і точності радіотеплового термометра. Поставлена задача досягається тим, що в радіотепловий термометр, що містить антену, балансний змішувач, генератор низької частоти, послідовно з'єднані вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом генератора низької частоти, інтегратор і цифровий вольтметр, згідно з корисною моделлю, у нього додатково введені НВЧтрансформатор, коаксіальна лінія, НВЧперемикач, два широкосмугови х НВЧ-підсилювача і фільтр нижніх частот, при цьому потенціальний вихід антени з'єднаний через коаксіальну лінію з одним кінцем первинної обмотки НВЧтрансформатора, другий кінець якої заземлений, потенціальні кінці вторинної обмотки НВЧтрансформатора, середня точка якої заземлена, з'єднані із входами НВЧ-перемикача, вихід якого через перший широкосмуговий НВЧ-підсилювач з'єднаний з одним входом балансного змішувача, інший вхід якого через другий широкосмуговий НВЧ-підсилювач з'єднаний безпосередньо з одним із потенціальних кінців вторинної обмотки НВЧтрансформатора, вихід балансного змішувача через фільтр нижніх частот з'єднаний із входом вибіркового підсилювача низької частоти, а керуючий вхід НВЧ-перемикача підключений до виходу генератора низької частоти. Саме введення в схему радіотеплового термометра НВЧ-трансформатора, коаксіальної лінії, НВЧ-перемикача, двох широкосмугови х НВЧпідсилювачів, фільтру нижніх частот, з'єднаних зазначеним чином, забезпечує розщеплення шумового НВЧ-сигналу антени на дві різнополярні складові відносно заземленої середньої точки вторинної обмотки НВЧ-трансформатора, які по черзі з низькою частотою роботи НВЧ-перемикача потрапляють на вхід першого широкосмугового НВЧ-підсилювача. На вхід другого широкосмугового НВЧ-підсилювача потрапляє некомутований шумовий НВЧ-сигнал тільки з однієї половини вторинної обмотки НВЧ-трансформатора, а підсилені в широкій смузі частот шумові НВЧ-сигнали разом з власними шумами широкосмугових НВЧпідсилювачів перемножуються в балансному змішувачі. Оскільки полярність одного з перемножуваних НВЧ-сигналів періодично змінюється, то у вихідній напрузі балансного змішувача, яка усере 4 днюється фільтром нижніх частот, присутня змінна напруга низької частоти перемикання полярності, амплітуда якої пропорційна потужності шумового НВЧ-сигнала, що приймається антеною, і не залежить від потужності власних шумів широкосмугових НВЧ-підсилювачів. Виділена вибірковим підсилювачем низькочастотна напруга синхронно детектується і усереднюється інтегратором. Постійна напруга, накопичена інтегратором, вимірюється цифровим вольтметром, покази якого пропорційні потужності НВЧ-сигнала, що приймається антеною, а, отже, і температурі нагрітого тіла. Завдяки широкій смузі частот перемножуваних НВЧсигналів і виключенню впливу власних шумів НВЧпідсилювачів підвищена чутливість і точність радіотеплового термометра. На кресленні представлена електрична функціональна схема радіотеплового термометра. На схемі позицією 1 позначена антена, з'єднана коаксіальною лінією 2 з одним кінцем первинної обмотки 3 НВЧ-трансформатора, другий кінець якої заземлений. Потенціальні кінці вторинної обмотки 4 НВЧ-трансформатора, середня точка якої заземлена, з'єднані із входами НВЧ-перемикача 5, до виходу якого підключений входом перший широкосмуговий НВЧ-підсилювач 6. Вхід другого широкосмугового НВЧ-підсилювача 7 з'єднаний безпосередньо з одним із потенціальних кінців вторинної обмотки 4 НВЧ-трансформатора. Виходи широкосмугови х НВЧ-підсилювачів 6 та 7 з'єднані із входами балансного змішувача 8, до ви ходу якого підключені послідовно з'єднані фільтр 9 нижніх частот, вибірковий підсилювач 10 низької частоти, синхронний детектор 11, інтегратор 13 та цифровий вольтметр 14. Керуючі входи НВЧперемикача 5 та синхронного детектора 11 підключені до виходу генератора 12 низької частоти. Позицією 15 позначена оптично непрозора стінка, наприклад, з цеглини, за якою розміщено нагріте тіло 16, наприклад, пальник. Радіотепловий термометр працює наступним чином. Антеною 1 з симетричним вібратором приймається широкосмугове радіотеплове НВЧвипромінювання, інтенсивність якого пропорційна термодинамічній температурі нагрітого тіла 16. Оптично непрозора стінка 15 з діелектричного матеріалу (цегла) радіопрозора в сантиметровому діапазоні НВЧ і пропускає шумове радіотеплове випромінювання нагрітого тіла. Вихідний широкосмуговий сигнал антени 1 з симетричним вібратором можна представити у ви гляді комплексної ам· плітуди E1 хвилі, що збуджується в антені 1 з симетричним вібратором, яка пропорційна напруженості електромагнітного поля в місці прийому. · Сигнал E1 потрапляє по коаксіальній лінії 2 в первинну обмотку 3 НВЧ-трансформатора, де розщеплюється у вторинній обмотці 4 НВЧтрансформатора на два різнополярні сигнали відносно заземленої середньої точки: · · E 2 = K 1 E1, (1) 5 · 34877 · E 3 = -K 1 E1, (2) де K1 - коефіцієнт трансформатора. трансформації · НВЧ · Розщеплені сигнали E 2 i E3 потрапляють на входи НВЧ-перемикача 5, який керується напругою генератора 12 низької частоти. При безперервній роботі НВЧ-перемикача 5 на його вихід по черзі проходять пакети НВЧ-коливань з комплексними · · амплітудами E 2 i E3 , що мають протилежні полярності. Пакети НВЧ-коливань підсилюються першим широкосмуговим НВЧ-підсилювачем 6 і впливають по черзі на один вхід балансного змішувача 8, на інший вхід якого впливають безперервні НВЧколивання з однієї частини вторинної обмотки 4 НВЧ-трансформатора відносно заземленої середньої точки. Некомутовані НВЧ-коливання · · виході фільтру 9 нижніх частот можна представити як усереднений в часі добуток комплексних амплітуд сигналів. Відповідно до цього, при одному положенні НВЧ-перемикача 5 на виході фільтру 9 нижніх частот має місце напруга · · · · æ ö E 5 = K 2 × ç K 1 E 1+ EП1 ÷, (4) ç ÷ è ø · де K2 і EП1 - коефіцієнт підсилення і комплексна амплітуда власних шумів першого широкосмугового НВЧ-підсилювача 6. При другому положенні НВЧ-перемикача 5 із врахуванням (2) маємо · · · æ ö E 6 = K 2 × ç - K 1 E 1+ EП1 ÷. (5) ç ÷ è ø Комплексна амплітуда підсиленого сигналу (3) · · · æ ö E 7 = K 3 × ç K 1 E1+ EП2 ÷, (6) ç ÷ è ø · де K3 і EП2 - коефіцієнт підсилення і комплексна амплітуда власних шумів другого широкосмугового НВЧ-підсилювача 7. Процес змішування НВЧ-коливань в балансному змішувачі 8 математично є результатом перемножування відповідних сигналів. Отриманий добуток шумових сигналів усереднюється фільтром 9 нижніх частот. Тому результуючу напругу на · · · U8 = K 4 S E 5 E 7 , (7) де K4 - коефіцієнт передачі фільтру 9 нижніх частот; S - крутизна балансного змішування. «--» - усереднювання в часі. У іншому положенні НВЧ-перемикача 5 вихідна напруга фільтру 9 нижніх частот визначається виразом U9 = K 4 S E 6 E 7 . (8) Підставивши у вирази (7) і (8) вказані співмножники, отримаємо: · · · · æ ö æ ö U8 = SK 2 K 3 K 4 × ç K 1 E1 + EП1 ÷ × ç K 1 E1 + E П2 ÷, ç ÷ ç ÷ è ø è ø · E 4 = E 2 = K 1 E1, (3) підсилюються другим широкосмуговим НВЧпідсилювачем 7. Оскільки рівень радіотеплового випромінювання вельми малий (10-19-10-20Вт/см×Гц), то підсилювані сигнали (1), (2) і (3) одного порядку з власними шумами широкосмугових НВЧ-підсилювачів 6 і 7. При низьких температурах нагрітого тіла 16 інформаційні шумові сигнали, що приймаються, виявляються навіть менше власних шумів широкосмугових НВЧ-підсилювачів 6 і 7. Тому підсилені шумові сигнали є аддитивною сумішшю корисного інформативного шуму і паразитного власного шуму. Тоді з урахуванням власних шумів широкосмугових НВЧ-підсилювачів 6 і 7 підсилені сигнали (1), (2) і (3) представимо у вигляді суми комплексних амплітуд. Так, при одному положенні НВЧ-перемикача 5 комплексна амплітуда результуючо го сигналу на виході першого широкосмугового НВЧпідсилювача 6 6 (9) · · · · æ ö æ ö U9 = SK 2 K 3K 4 × ç - K 1 E1 + E П1 ÷ × ç K 1 E1 + E П2 ÷. ç ÷ ç ÷ è ø è ø (10) При перемноженні комплексних амплітуд слід врахувати характер власних шумів широкосмугових НВЧ-підсилювачів 6 і 7. Велика частина цих шумів між собою не корельована, оскільки процеси в двох широкосмугови х НВЧ-підсилювачах 6 і 7 є статистичне незалежними. Проте, через паразитні електричні зв'язки деяка частина шумів широкосмугових НВЧ-підсилювачів 6 і 7 є корельованою. Якщо усереднений добуток двох некорельованих шумів рівний нулю · · EП1 × E П2 = 0, (11) то корельовані шуми при перемноженні і усередненні дають постійну складову напруги. Теплові шуми, що приймаються антеною 1 з симетричним вібратором, не корельовані з власними шумами широкосмугових НВЧ-підсилювачів 6 і 7, тому · · · · K 1 E1× E П2 = 0, (12) K 1 E1× E П1 = 0. (13) В той же час розщеплені НВЧтрансформатором шумові сигнали (1), (2) і (3) є корельованими, оскільки мають одне загальне джерело - антену 1 з симетричним вібратором. Тому постійні складові напруги від корельованих шумів, що виділяються фільтром 9 нижніх частот, представимо з урахуванням полярностей перемножуваних шумових сигналів так: æ · ö · · ç 2 ÷ U10 = SK 2K 3K 4 × ç K 1 E 2 + E П1'× EП2 ' ÷ + U C , (14) 1 ç ÷ è ø 7 U11 34877 æ · ö · · ç ÷ 2 = SK 2 K 3 K 4 × ç - K1 E 2 + E П1'× EП2 ' ÷ + U C , 1 ç ÷ è ø (15) · · де EП1 ' і EП2 ' - комплексні амплітуди корельованих складових власних шумів широкосмугових НВЧ-підсилювачів 6 і 7; UC - напруга зсуву н уля балансного змішувача 8. Перший член у виразах (14) і (15) є величиною, пропорційною потужності прийнятого радіовипромінювання. Другий член - постійна складова напруги від взаємодії корельованих шумів широкосмугових НВЧ-підсилювачів 6 і 7, яка збільшує або зменшує напругу зсуву н уля балансного змішувача 8. Крім того на виході фільтру 9 нижніх частот присутні низькочастотні шуми, рівень яких порівняний з корисним сигналом, пропорційним потужності сигналу, що приймається. Як видно з виразів (14) і (15), полярність напруги першого члена періодично змінюється в такт роботи НВЧ-перемикача 5, тобто змінюється з частотою генератора 12 низької частоти. Завдяки цьому з послідовності пакетів напруг U10 і U11 за допомогою вибіркового підсилювача 10 низької частоти, налагодженого на частоту генератора 12 низької частоти, виділяють і підсилюють змінну складову напруги частоти перемикань · 2 U12 = SK 1 K 2 K 3 K 4K 5 × E 2 sinW t, (16) 1 де K5 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 10 низької частоти; Q - кругова частота перемикань полярності НВЧ-сигналів. Змінна складова напруги (16) випрямляється синхронним детектором 11, який керується безпосередньо генератором 12 низької частоти. З урахуванням частини низькочастотних шумів, що потрапляють в смугу пропускання вибіркового підсилювача 10 низької частоти, ви хідну напругу синхронного детектора 11 можна представити як суму · 2 2 U13 = SK 1 K 2K 3K 4 K 5 K 6 × E1 + UПЗ ( DW ), (17) де UПЗ( DW ) - середньоквадратичне значення низькочастотного шуму в смузі частот DW вибіркового підсилювача 10 низької частоти. За допомогою інтегратора 13 відбувається виділення постійної складової напруги з низькочастотних шумів. Тому ви хідна напруга інтегратора 13 2 U14 = SK 1 K 2K 3 K 4K 5K 6K 7Pa , (18) де K7 - коефіцієнт передачі інтегратора 13, що визначається його постійною часу; · Pa = E 2 - потужність радіотеплового випромі1 нювання, що приймається антеною 1 з симетричним вібратором в смузі пропускання широкосмугових НВЧ-підсилювачів 6 і 7. 8 Постійна напруга (18) вимірюється цифровим вольтметром 14. Результуючий коефіцієнт перетворення K 0 = SK 2 K 2 K 3 K 4K 5K 6K 7 визначається 1 в процесі калібрування радіотеплового термометра по відомій температурі нагрітого тіла 16. Для цього використовується високотемпературна платина -платинородіева термопара, що знаходиться у контакті з нагрітим тілом 16. Термодинамічну температуру Т X нагрітого тіла 16 в процесі дистанційних вимірювань оцінюють за розрахунковою формулою U14 TX = , (19) K OK T де U14 - напруга, що вимірюється цифровим вольтметром 14; KO - результуючий коефіцієнт перетворення потужності радіотеплового випромінювання в постійну напругу; KT - коефіцієнт, що зв'язує потужність радіотеплового випромінювання нагрітого тіла 16 з його термодинамічною температурою. Коефіцієнт KT розраховується відповідно до закону РелеяДжинса для діапазону НВЧ: B= 2b f 2kT X , (20) c2 де В - випромінювальна здатність нагрітого тіла 16; b - коефіцієнт випромінювання (сірості); f - часто та випромінювання, що приймається; k - постійна Больцмана; с- швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль у вакуумі. Потужність широкосмугового радіотеплового випромінювання, що приймається, пропорційна випромінювальній здатності В нагрітого тіла 16 на середній частоті f спектру і при ширині смуги пропускання частот Df НВЧ-підсилювачів приймального пристрою. Відсутність гетеродина і вузькосмугового підсилювача проміжної частоти, а також періодичне перемикання полярності НВЧ-сигнала дозволяє істотно (не менше в 3-5 разів) підвищити чутливість і точність радіотеплового термометра. Використання запропонованого радіотеплового термометра в контрольно-вимірювальній техніці дозволяє: - дистанційно вимірювати температуру нагрітих тіл, розташованих за оптично непрозорими елементами конструкцій термічних пристроїв (печей, реакторів, теплообмінників і т.п.); - підвищувати роздільну здатність температурних вимірювань за рахунок розширення смуги частот радіотеплового випромінювання, що приймається; - знижувати похибки дистанційного вимірювання температури шляхом придушення впливу власних шумів апаратури як в діапазоні високих, так і низьких частот. - визначати градієнт температур в біологічних об'єктах за рахунок внутрішніх джерел тепла, наприклад, запальних процесів. 9 Комп’ютерна в ерстка І.Скворцов а 34877 Підписне 10 Тираж 28 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