Шумовий термометр

Шумовий термометр, що містить первинний резистивний перетворювач, два розділяючі конденсатори, диференціальний підсилювач, автоматичний перемикач, перемножувач, фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач, операційний підсилювач, синхронний детектор, цифровий вольтметр і комутаційний генератор, з'єднаний виходом з керуючими входами автоматичного перемикача і синхронного детектора, який відрізняється тим, що в нього введені другий автоматичний переми 3 Відомий шумовий термометр [Куини Т. Температура: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985, с - 117-118], що містить два диференційні підсилювачі, входи яких з'єднані з первинним резистивним перетворювачем, аналоговий помножувач, з'єднаний з виходами диференційних підсилювачів, і інтегруючий цифровий вольтметр. Шумова напруга від одного резистивного перетворювача одночасно подається на два підсилювачі, вихідні сигнали яких перемножуються і усереднюються. В цьому випадку власні шуми двох незалежних підсилювачів, які теоретично некорельовані між собою, не впливають на вихідну постійну напругу помножувача і тим самим не спотворюють результат виміру температури. Проте, температурна і часова нестабільність опору первинного перетворювача і дрейф нуля самого помножувача є джерелом великих похибок виміру температури. Відомий також шумовий термометр [Патент України № 40881 А, МПК G01K7/30, 2001р.], що містить первинний резистивний перетворювач, два розділяючі конденсатори, диференціальний підсилювач, автоматичний перемикач, перемножувач, фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач, операційний підсилювач, синхронний детектор, цифровий вольтметр і комутаційний генератор, з'єднаний виходом з керуючими входами автоматичного перемикача і синхронного детектора. Крім того, шумовий термометр включає другий вибірковий підсилювач, джерело постійної напруги, потенціометр з рухливим контактом і комутатор. До переваг відомого шумового термометра можна віднести виключення впливу дрейфу нуля перемножувача напруги і непостійності опору первинного перетворювача на результат виміру температури. В той же час йому властиві і недоліки. Так, вплив власних шумів вхідного диференційного підсилювача і двох смугових підсилювачів не усувається, так як періодична зміна полярності однієї з шумових напруг здійснюється на вході перемножувача, тобто після вказаних підсилювачів. Пропускання постійного струму через первинний резистивний перетворювач генерує в ньому дробовий шум, який не несе інформацію про його температуру. Накладення сигналу від корельованих шумів підсилювачів на вихідну напругу перемножувача спотворює дію зворотного зв'язку через первинний резистивний елемент, що знижує точність виміру температури. В основу корисної моделі покладена задача створення такого шумового термометра, в якому введенням нових елементів і зв'язків забезпечилось би повне виключення впливу власних шумів підсилювачів і інших елементів схеми на вихідну постійну напругу, що підвищить точність виміру температури і розширить межі її виміру. Поставлена задача вирішується тим, що в шумовий термометр, що містить первинний резистивний перетворювач, два розділяючі конденсатори, диференціальний підсилювач, автоматичний перемикач, перемножувач, фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач, операційний підсилювач, синхронний детектор, цифровий вольтметр і кому 62713 4 таційний генератор, з'єднаний виходом з керуючими входами автоматичного перемикача і синхронного детектора, згідно, корисної моделі, в нього введені другий автоматичний перемикач, другий диференціальний підсилювач, постійний резистор і дві вхідні клеми, до яких підключені первинний резистивний перетворювач і, через розділяючі конденсатори, входи другого диференційного підсилювача та паралельно з'єднані протилежні входи двох автоматичних перемикачів, виходи яких з'єднані з входами першого диференційного підсилювача, виходи диференційних підсилювачів з'єднані з входами перемножувача, вихід якого через фільтр нижніх частот і вибірковий підсилювач з'єднаний з однією вхідною клемою, інша вхідна клема з'єднана з входом операційного підсилювача, в ланцюг зворотного зв'язку якого включений постійний резистор, вихід операційного підсилювача з'єднаний через синхронний детектор з цифровим вольтметром, а керуючий вхід другого автоматичного перемикача підключений до виходу комутаційного генератора. Саме введення в схему шумового термометра додаткового автоматичного перемикача, додаткового диференційного підсилювачаі двох вхідних клем, з'єднаних вказаним чином з раніше використовуваними елементами схеми, дозволяє при комутації вхідної напруги отримати квадрати миттєвих значень шумової напруги первинного перетворювача різних знаків на виході перемножувача на фоні постійної напруги зсуву нуля і постійної складової напруги від перемножування корельованих шумів двох диференційних підсилювачів. Завдяки періодичній зміні полярності інформативного приросту вихідної напруги перемножувача за рахунок зміни полярності однієї з перемножуваних шумових напруг за допомогою автоматичних перемикачів здійснюється виділення виборчим підсилювачем знакозмінного приросту напруги перемножувача пропорційної вимірюваній температурі. Проходження струму від цієї напруги через первинний резистивний перетворювач і подальше його посилення операційним підсилювачем, в ланцюг зворотного зв'язку якого включений резистор з опором рівним опору первинного перетворювача, виключає вплив непостійності опору первинного резистивного перетворювача на результат виміру температури. Оскільки періодичні зміни полярності однієї з перемножуваних напруг здійснюються на вході диференціальних підсилювачів, то й вплив власних шумів підсилювачів повністю виключається. Усунення впливу власних шумів підсилювачів і непостійність опору первинного перетворювача на вихідну постійну напругу значно підвищує точність виміру температури і розширює межі її виміру. На рисунку приведена електрична функціональна схема шумового термометра. У схему шумового термометра входить первинний резистивний перетворювач 1, підключений до вхідних клем 2 і 3, які з'єднані через розділяючі конденсатори 4 і 5 з паралельно з'єднаними протилежними входами автоматичних перемикачів 6 і 7, виходи яких з'єднані з входами диференційного підсилювача 8. Входи другого диференційного 5 62713 підсилювача 9 з'єднані безпосередньо з вхідними клемами 2 і 3 через розділяючі конденсатори 4 і 5. Виходи диференціальних підсилювачів 8 і 9 з'єднані з входами перемножувача 10, вихід якого через фільтр нижніх частот 11 і вибірковий підсилювач 12 з'єднаний з вхідною клемою 2. Вхідна клема 3 з'єднана з входом операційного підсилювача 13, в ланцюг від'ємного зворотного зв'язку якого включений постійний резистор 14. Вихід операційного підсилювача 13 з'єднаний через синхронний детектор 15 з цифровим вольтметром 16. Керуючі входи автоматичних перемикачів 6, 7 і синхронного детектора 15 підключені до виходу комутаційного генератора 17. Шумовий термометр працює таким чином. Під дією вимірюваної температури в первинному резистивному перетворювачі 1 виникає тепловий шум, середній квадрат напруги якого _____ U2 x шумової напруги змінюється на протилежну - Ux(t). Якщо вихідну шумову напругу представити в комплексному вигляді, то по черзі підсилювана шумова напруга буде різнополярною (Ux(t) і -Ux(t)). Відповідно до цього шумові напруги на виході диференційного підсилювача 8 з врахуванням його власних шумів набуватимуть значень:     U1   1 U x  Un1, 23 де k = 1,38 х 10 Дж/К - постійна Больцмана;  f - смуга пропускання частот шумової напруги диференціальними підсилювачами 8 і 9, Гц; Rx - опір первинного резистивного перетворювача 1, Ом; Тх - термодинамічна температура, К. Шумова напруга (1) через розділяючі конденсатори 4 і 5 поступає через автоматичні перемикачі 6 і 7 на входи диференційного підсилювача 8. Одночасно шумова напруга (1) безпосередньо впливає на входи диференційного підсилювача 9. Ємність розділяючих конденсаторів 4 і 5 вибирають з умови придушення низькочастотного шуму первинного резистивного перетворювача 1 (флікер-шуму), який не несе інформацію про температуру резистивного перетворювача 1. Частоту зрізу шумової напруги обирають рівною 10-20 кГц, При вказаному положенні автоматичних перемикачів 6 і 7 на входи диференціальних підсилювачів 8 і 9 впливає по суті одна і та ж шумова напругаUx(t). У іншому положенні автоматичних перемикачів 6 і 7 полярність миттєвих значень (2)     U2   1Ux  Un1, (3)  де  1  - комплексний коефіцієнт підсилення диференційного підсилювача 8;  Un1 - комплексна напруга його власних шумів. Шумова напруга на виході диференційного підсилювача 9 буде з постійною полярністю (1)  4kfR x Tx , 6     U3   2 Ux  Un2 , (4)  де  2  - комплексний коефіцієнт посилення диференційного підсилювача 9;  Un2 - комплексна напруга його власних шумів. При безперервній роботі автоматичних перемикачів 6 і 7, які управляються комутаційним генератором 17, періодично шумова напруга (4) перемножується з шумовою напругою (2) і (3) в перемножувачі 10. В один такт комутації вихідна напруга перемножувача 10    U4  SU3U1, в наступний такт комутації    U  SU U , 5 3 (5) (6) 2 де S - крутизна множувального перетворення. Вихідна напруга перемножувача 10 усереднюється фільтром нижніх частот 11. З врахуванням усереднювання маємо послідовність імпульсів з амплітудами: ____    ____ ____    ____        U6   3S   2 Ux  U'n2 U"n2  1Ux  U'n1U"n1  U ,(7)            U7   3S   2 Ux  U'n2 U"n2   1Ux  U'n1U"n1  U ,(8)      де К3 - коефіцієнт передачі фільтру нижніх частот 11; один штрих означає корельованість частини власних шумів диференціальних підсилювачів 8 і 9; два штрихи - некорельованість частини власних шумів; риска зверху відображає процес часового усереднювання добутків шумової напруги; ____ U - напруга зсуву (дрейфу нуля) перемножувача 10. Хоча в схемі використовуються два незалежні диференціальні підсилювачі, однак внаслідок па разитних зв'язків, нерівності коефіцієнтів підсилення, неідентичності частотних характеристик підсилювачів і тому подібне виникає корельована складова в двох шумових процесах, що і враховується у виразах (7) і (8). При оцінці виразів (7) і (8) слід врахувати, що усереднені добутки двох некорельованих сигналів дорівнюють нулю. Тому _________ __________ _ __________ _         U" n1 U" n2   1U1U" n2   2U2U" n1  0, (9) 7 62713 8 Тоді вирази (7) та (8) приймають вигляд: ____ U8   _________ __________ _        3 S  1 2U2  U' n1 U' n2  x     ____  U (10)  _________ __________ _  ____      U9   3 S  1 2U2  U' n1 U' n2   U (11) x     ____ Вихідну напругу перемножувача 10 у вигляді послідовності імпульсів (10) і (11) можна представити у вигляді суми постійної напруги ___ U10 ____ __________ _ ____ U  U9    8   3 S U' n1 U' n2  U 2 (12) та змінної напруги ___ U11 ____ __________ _ U  U9     8   3 S  1 2U 2 sign sin2Ft , (13) x 2 де sign sin( 2Ft ) - прямокутна огинаюча послідовності імпульсів на виході перемножувача 10; F - частота комутаційного генератора 17. Змінна складова напруги (13) посилюється вибірковим підсилювачем 12, налаштованим на частоту комутації F, і поступає через первинний резистивний перетворювач 1 на операційний підсилювач 13, в ланцюг від'ємного зворотного зв'язку якого включений постійний резистор 14. Опір R0 постійного резистора 14 вибирають рівним початковому опору первинного перетворювача Rx (R0=Rx). Коефіцієнт підсилення Ку операційного підсилювача, як відомо, визначається відношен . Оскільки опір R ням опорів R 0 i R x  y  R 0 x  Rx    первинного перетворювача 1 в процесі експлуатації шумового термометра неконтрольовано змінюється R x  R 0  R , то амплітуда змінної напруги (13) з врахуванням співвідношення (1) матиме вигляд: ___ U12   1 2  3  4 S U2  4k 1 2  3  4 Sf R 0  R x , x де К4 - коефіцієнт посилення вибіркового підсилювача 12. Підсилена операційним підсилювачем 13 напруга U13  R0 U12  4k 1 2  3  4 Sfx . (15) R 0  R Напруга (15), що пропорційна вимірюваній температурі Тх, випрямляється синхронним детектором 15, який управляється комутаційним генератором 17, і вимірюється цифровим вольтметром 16. Результат виміру можна представити так: U14 = S0Ts, (16) де So= 4k 1 2  3  4 Sf R0 - результуюча крутість перетворення температури в напругу [В/К]. З отриманого виразу (16) виходить, що результат виміру температури Тх не залежить від власних шумів диференціальних підсилювачів 8 і 9 як некорельованих між собою, так і корельованих. Виключений вплив зсуву нульового рівня (дрейфу ____ нуля) U перемножувача 10. Завдяки зворотному зв'язку через первинний перетворювач 1 по змінній напрузі частоти комутації виключена перешкода від генерації дробового шуму в самому первинному резистивному перетворювачі. Робота операційного підсилювача 13 на змінному струмі і подальше синхронне детектування змінної напруги усуває вплив дрейфу нуля операційного підсилювача на результат виміру температури Тх, У рівняння перетворення (15) входить опір R0 постійного резистора 14, а не нестабільний опір Rx (14) первинного резистивного перетворювача 1, що дозволяє використовувати як термочутливий елемент шумового термометра будь-який провідний об'єкт в зоні контролю, по початковому опору якого вибирається опір R0 резистора 14 і здійснюється градуювання шумового термометра. Результуюча крутість перетворення S0 термометра здійснюється відповідно до виразу (16) при відомій калібрувальній температурі Тk первинного резистивного перетворювача 1: S0  Uk , k (17) де Uk - напруга цифрового вольтметра 16, отримане при калібруванні шумового термометра. Використання запропонованої схеми в шумовій термометрії дозволить: - підвищити в 5-10 разів точність виміру низьких і середніх температур, при яких рівні теплових шумів первинного резистивного перетворювача і власних шумів підсилювачів співрозмірні; - працювати в агресивних середовищах, в яких первинний резистивний перетворювач швидко окислюється і міняє свій електричний опір, або використовувати резистивний елемент з великим температурним коефіцієнтом опору (мідні або алюмінієві деталі технологічної апаратури); - збільшувати роздільну здатність шумових термометрів завдяки вибірковому підсилювачу низькочастотного сигналу частоти комутації і подальшого синхронного детектування без генерації паразитних шумів в первинному резистивному перетворювачі; - застосовувати типові інтегральні диференціальні підсилювачі і інтегральні перемножувачі з 9 наявними шумами і зсувом нуля, що зменшить вартість виготовлення шумових термометрів для Комп’ютерна верстка Мацело М. 62713 10 широкого діапазону температур. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601