Термошумовий вимірювач температури діелектричних матеріалів

Термошумовий вимірювач температури діелектричних матеріалів, що містить повторювач напруги, перетворювач струму в напругу, послідовно з'єднані смуговий фільтр, підсилювач напруги, квадратичний перетворювач і інтегратор, який відрізняється тим, що в нього додатково введені накладний ємнісний датчик з дисковим і кільцевим електродами, зразковий конденсатор, три електрично-керованих перемикачі, аналого-цифровий перетворювач, мікроконтролер і ЕОМ, з'єднаний своїм послідовним портом з одним цифровим вхо 3 Ленингр. отд-ние, 1987, - с.93-95), що містить повторювач напруги, перетворювач струму в напругу, послідовно з'єднані смуговий фільтр, підсилювач напруги, квадратичний перетворювач і інтегратор. Крім того, він включає термоопір, дві схеми фіксації рівнів, перемножувач напруг, з'єднаний з виходами схем фіксації рівнів і реєстратор, підключений до виходу перемножувача напруг. Завдяки тому, що вимірюваною величиною є не дисперсія напруги теплового шуму, а потужність теплового шуму, не потрібний вимір або знання рівня дисипативних втрат у досліджуваному матеріалі. Однак, наявність власного шуму перетворювача струму в напругу, повторювача напруги й шумів підсилювального тракту є джерелом систематичної похибки, розмір якої тим більше, чим нижче вимірювана температура й більше рівень цих шумів. В основу корисної моделі покладене завдання створити такий термошумовий вимірювач температури діелектричних матеріалів, в якому шляхом введення нових елементів і зв'язків досягалось би можливість виключити вплив власних шумів елементів вимірювальної схеми на вимірювану температуру, що забезпечить підвищення точності виміру температури й розширення діапазону вимірювання температур в області низьких температур. Поставлене завдання досягається тим, що в термошумовий вимірювач температури діелектричних матеріалів, що містить повторювач напруги, перетворювач струму в напругу, послідовно з'єднані смуговий фільтр, підсилювач напруги, квадратичний перетворювач і інтегратор, згідно з корисною моделлю, додатково ведені накладний ємнісний датчик з дисковим і кільцевим електродами, зразковий конденсатор, три електричнокерованих перемикача, аналого-цифровий перетворювач, мікроконтролер і ЕОМ, з'єднаний своїм послідовним портом з одним цифровим входомвиходом мікроконтролера, інший вхід-вихід якого з'єднаний із цифровим виходом аналогоцифрового перетворювача, аналоговий вхід якого з'єднаний з виходом інтегратора, перший логічний вихід мікроконтролера з'єднаний з керуючим входом першого електрично-керованого перемикача, один вхід якого з'єднаний з дисковим електродом накладного ємнісного датчика, кільцевий електрод якого заземлений, до іншого входу підключений заземлений зразковий конденсатор, а вихід з'єднаний із входом другого електрично-керованого перемикача, виходи якого з'єднані з потенційними входами повторювача напруги та перетворювача струму в напругу, виходи яких з'єднані з входами третього електрично-керованого перемикача, вихід останнього з'єднаний із входом смугового фільтра, а керуючі входи другого й третього електрично-керованих перемикачів з'єднані між собою й підключені до другого логічного виходу мікроконтролера. Введення в схему термошумового вимірювача температури діелектричних матеріалів накладного ємнісного датчика з дисковим і кільцевим електродами, зразкового конденсатора, трьох електрично 42028 4 керованих перемикачів, аналого-цифрового перетворювача, мікроконтролера й ЕОМ, включених зазначеним чином, дає можливість здійснити за допомогою комп'ютерної програми поетапно чотири проміжних виміри. На першому етапі, при підключенні електродів накладного ємнісного датчика до вимірювальної схеми, виміряється дисперсія напруги теплового шуму досліджуваного матеріалу разом із власними шумами повторювача напруги й смугового підсилювального тракту. На другому етапі, при перемиканні накладного ємнісного датчика на зразковий конденсатор, виміряється дисперсія напруги власних шумів повторювана напруги й смугового підсилювального тракту. На третьому етапі, при перемиканні повторювана напруги на перетворювач струму в напругу, виміряється дисперсія струмового шуму самого перетворювача струму в напругу разом із шумами смугового підсилювального такту. На четвертому етапі, при перемиканні зразкового конденсатора на накладний ємнісний датчик, виміряється дисперсія шумового струму досліджуваного матеріалу разом із власними шумами перетворювача струму в напругу та смугового підсилювального тракту. Наступна математична обробка проміжних результатів у ЕОМ по запропонованому алгоритмі забезпечує одержання кінцевого результату виміру температури без впливу власних шумів елементів вимірювальної схеми й значення дисипативних втрат у досліджуваному матеріалі, що забезпечує підвищення точності виміру температури й розширення діапазону вимірюваних температур в області низьких температур. На кресленні представлена електрична функціональна схема термошумового вимірювача температури діелектричних матеріалів. Схема вимірювача містить накладний ємнісний датчик 1 з дисковим електродом 2 і охоплюючим кільцевим електродом 3, що заземлений. Дисковий електрод 2 з'єднаний з одним входом першого електрично-керованого перемикача 4, до другого входу якого підключений заземлений зразковий конденсатор 5. Вихід першого електричнокерованого перемикача 4 з'єднаний із входом другого електрично-керованого перемикача 6, виходи якого з'єднані з потенційними входами повторювана напруги 7 та перетворювача струму в напругу 8. Виходи повторювана напруги 7 й перетворювача струму в напругу 8 з'єднані із входами третього електрично-керованого перемикача 9, до виходу якого підключені послідовно з'єднані смуговий фільтр 10, підсилювач напруги 11, квадратичний перетворювач 12 і інтегратор 13. Аналоговий вхід аналого-цифрового перетворювача (АЦП) 14 з'єднаний із входом інтегратора 13, а цифровий вихід з'єднаний з одним із цифрових входом-виходом мікроконтролера 15, інший цифровий вхід-вихід якого з'єднаний з послідовним портом ЕОМ 16. Перший логічний вихід мікроконтролера 15 з'єднаний з керуючим входом першого електричнокерованого перемикача 4, другий логічний вихід мікроконтролера з'єднаний з з'єднаними між собою керуючими входами другого й третього електрично-керованих перемикачів 6 і 9. Позицією 17 позначений досліджуваний діелектричний матеріал. 5 42028 Термошумовий вимірювач температури діелектричних матеріалів працює в такий спосіб. У досліджуваному діелектричному матеріалі 17, внаслідок теплових флуктуацій електричних зарядів поляризованих молекул речовини, виникає електрична шумова напруга. Середньоквадратичне (ефективне) значення цієї напруги відповідно до формули Найквіста визначається вираженням: Un1 = 4kTX Df Re Z , (1) де k - постійна Больцмана; TX - термодинамічна температура досліджуваного матеріалу; Df - смуга частот, у якій виділяється шумова напруга; Re Z - активна складова повного опору досліджуваного матеріалу. Шумова напруга (1) знімається електродом 2 накладного ємнісного датчика 1 відносно заземленого електрода 3. При паралельній схемі заміщення електродної системи 2-3 активна складова повного опору складає: ë ( )û Re Z = tgd / wC 1 + tg2d , (2) де tgd - тангенс кута діелектричних втрат досліджуваного матеріалу; C - ємність електродної системи накладного датчика; w - середня кругова частота смуги виділяємих частот теплового шуму. З формули (2) треба, що в ідеальному діелектрику (tgd = 0) діелектричні втрати відсутні й теплова шумова напруга не виникає. В електродах датчика із провідного матеріалу (tgd = ¥) тепловий шум також практично відсутній. У реальному діелектричному матеріалі ( tgd >0) теплова шумова напруга завжди присутня й згідно (1) пропорційна температурі. По програмі, введеної в ЕОМ 16, мікроконтролер 15 виробляє керуючі сигнали, які по перших і другому логічних виходах встановлюють перемикачі 4,6 і 9 у верхнє (по кресленню) положення. При цьому шумова напруга накладного ємнісного датчика 1 через повторювач напруги 7 з високим вхідним опором надходить на смуговий фільтр 10 і далі на підсилювач напруги 11. При смузі частот Df посилена шумова напруга: 2 2 Un2 = K 2K 3 K1Un1 + Un3 , (3) де K1 - коефіцієнт перетворення накладного ємнісного датчика 1, що залежить від геометричних розмірів електродів; K 2 - коефіцієнт передачі смугового фільтра 10 у смузі частот Df ; K 3 - коефіцієнт підсилення підсилювача напруги 11; Un3 - середньоквадратичне значення власних шумів повторювача напруги 7, смугового фільтра 10 і підсилювача напруги 11, приведені до входу повторювача напруги 7. 6 Миттєві значення посиленої шумової напруги (3) квадратуються за допомогою квадратичного перетворювача 12 і усереднюються інтегратором 13. Постійна складова усередненої напруги: 2 U1 = S1K 4 Un2 , (4) де S1 - крутизна квадратичного перетворювача 12; K 4 - коефіцієнт передачі інтегратора 13; «- - -» - символ часового усереднення. З урахуванням (3) постійна напруга (4) приймає вид: ( ) 2 2 2 U1 = S1K 2K 2K 4 K1 Un1 + Un3 , (5) 2 3 2 Un1 2 Un3 та - дисперсії вимірюваної шумоде вої напруги (1) і власних шумів смугового підсилювального тракту (7, 10 і 11). Отримана постійна напруга (5) перетворюється в цифровий код за допомогою аналогоцифрового перетворювача 14. Цифровий код {N1} = U1 q , (6) де q - одиниця молодшого розряду АЦП 14, надходить у мікроконтролер 15, в якому запам'ятовується. На цьому перший етап вимірів завершується. На другому етапі вимірів командою мікроконтролера 15 по першому логічному виходу електрично-керований перемикач 4 переводиться в нижнє положення. При цьому відбувається перемикання накладного ємнісного датчика 1 на зразковий конденсатор 5. Ємність зразкового конденсатора 5 вибирають рівної ємності накладного датчика 1 і з мінімальними втратами ( tgd