Шумовий термометр

1. Шумовий термометр, що містить первинний резистивний перетворювач, два смугових підсилювача змінної напруги, перемножувач, один з входів якого з'єднаний з виходом одного із смугових підсилювачів змінної напруги, смуговий фільтр, що з'єднаний з виходом перемножувача, і цифровий вольтметр, який відрізняється тим, що в нього введені два розподілювальних конденсатора, диференційний підсилювач, на базі двох операційних підсилювачів, автоматичний перемикач, генератор низької частоти, послідовно з'єднані підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і третій операційний підсилювач з постійним резистором в колі зворотнього зв'язку, при цьому виходи первинного резистивного перетворювача через розподілювальні конденсатори з'єднані з симетричними входами диференційного підсилювача, вихо 40881 Наявність в схемі двох опорів, які змінюються при експлуатації випадковим чином, зумовлює похибку від нерівності шумових сигналів, що проходять через підсилювачі. Використання додаткового відомого опору, вносить похибку, яка зумовлена його нестабільністю, і це призводить до зменшення точності вимірювання температури об'єкта. Відомий шумовий термометр (див. Шумовой термометр для ядерных реакторов. – А.А. Борисов, В.И. Власов, И.В. Ковалёв и др. – "Измерительная техника" - 1982 № 5), який містить симетричний диференційний підсилювач, високочастотні та низькочастотні смугові фільтри, перемножувачі, інтегратори, пристрій віднімання, цифровий універсальний вимірювальний прилад. Нерівність значень ефективної ширини смуги пропускання смугових фільтрів приводить до того, що доля власного шуму каналів в обох сигналах, що подаються на пристрій віднімання, буде різною. А також, термошумова напруга, що виділяється та підсилюється в вимірювальних каналах, буде пропорційна не лише зміні температури, а й значенню електричного опору первинного перетворювача, який може змінюватися з часом, і це призводить до зниження точності вимірювання температури об'єкта. Відомий також шумовий термометр (див. Стадник Б.І., Микитин І.П. Термошумовий термометр. - Вісник Державного університету "Львівська політехніка". Автоматика, вимірювання та керування. – 1997. №314. – С. 85-89), що містить первинний резистивний перетворювач, два смугових підсилювача змінної напруги, перемножувач, один з входів якого з'єднаний з виходом одного із смугових підсилювачів змінної напруги, смуговий фільтр, що з'єднаний з виходом перемножувача і цифровий вольтметр. Крім того відомий шумовий термометр містить два малошумних вхідних підсилювача, ще один смуговий фільтр, інтегруючий аналого-цифровий перетворювач і блок паралельного інтерфейсу. При цьому потенційний вихід первинного перетворювача, другий вихід якого заземлений, з'єднаний з входами малошумних підсилювачів, виходи яких через смугові фільтри та смугові підсилювачі змінної напруги з'єднані з входами перемножувача, а вихід перемножувача з'єднаний через аналого-цифровий перетворювач та блок інтерфейсу з входом комп'ютера, який використовується як цифровий вольтметр. Відсутність електричної розв'язки на входах малошумних підсилювачів (вихід первинного резистивного перетворювача безпосередньо підключений до входів малошумних підсилювачів) призводить до проникнення шумів кожного з підсилювачів в суміжний вимірювальний канал, що призводить до їх кореляції та виникнення додаткової похибки, яку важко компенсувати, а це знижує точність вимірювання температури об'єкту. Нестабільність значення опору первинного перетворювача викликає додаткову похибку вимірювання температури. Непрямі виміри, що базуються на роздільному вимірюванні напруги теплових шумів та електричного опору, з відключенням первинного перетворювача, є малоефективними. Крім того, відомий термометр не забезпечує відлік значень температури за шкалою Цельсія для відліку темпе ратури, що необхідно при визначенні значень температури об'єктів. Задачею винаходу є створення такого шумового термометра, у якому введення нових елементів та зв'язків забезпечило би підвищення точності та чутливості вимірювання температури. Поставлена задача розв'язується тим, що в шумовий термометр, який містить первинний резистивний перетворювач, два смугових підсилювача змінної напруги, перемножувач, один з входів якого з'єднаний з виходом одного із смугових підсилювачів змінної напруги, смуговий фільтр, що з'єднаний з виходом перемножувача, і цифровий вольтметр, згідно з винаходом, введені два розподілювальних конденсатора, диференційний підсилювач, на базі двох операційних підсилювачів, автоматичний перемикач, генератор низької частоти, послідовно з'єднані підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і третій операційний підсилювач з постійним резистором в колі зворотнього зв'язку, при цьому виходи первинного перетворювача через розподілювальні конденсатори з'єднані з симетричними входами диференційного підсилювача, виходи якого з'єднані з входами смугових підсилювачів змінної напруги, прямий та інверсний виходи другого з смугових підсилювачів з'єднані з входами автоматичного перемикача, вихід якого з'єднаний з другим входом перемножувача, вихід якого з'єднаний з входом смугового фільтра до виходу якого підключений підсилювач низької частоти, вихід фільтра нижніх частот через первинний перетворювач з'єднаний з входом третього операційного підсилювача, до виходу якого підключений цифровий вольтметр, а керуючі входи автоматичного перемикача та синхронного детектора підключені до виходу генератора низької частоти. Крім того, для забезпечення використання шкали Цельсія для відліку температури, доцільно додатково ввести джерело постійної напруги, потенціометр з рухомим контактом і комутатор, вхід якого з'єднаний з потенційним виходом джерела постійної напруги, виходи комутатора з'єднані з входами автоматичного перемикача, потенціометр включений між потенційним та заземленим виходами джерела постійної напруги, а рухомий контакт потенціометра з'єднаний з іншим входом перемножувача. Саме введення в схему шумового термометра двох розподілювальних конденсаторів, диференційного підсилювача, автоматичного перемикача, генератора низької частоти, послідовно з'єднаних підсилювача низької частоти, синхронного детектора, фільтра нижніх частот і третього операційного підсилювача, що включені зазначеним чином, дозволило виключити вплив значення опору первинного перетворювача на результат вимірювання шумової напруги без відключення первинного перетворювача від входу вимірювального тракту, що підвищує точність та чутливість вимірювання температури. Додаткове введення в схему між автоматичним перемикачем та перемножувачем джерела постійної напруги, потенціометра з рухомим контактом та комутатора дозволяє використовувати шкалу Цельсія для відліку температури, що також 2 40881 Завдяки тому, що шумовий сигнал первинного перетворювача 1 при температурі 20°С менший за власні шуми підсилювачів Uх(t)< UШ(t), на прямому та інверсному виходах смугового підсилювача 12 формуються комплексні сумарні напруги: & & & U'12 =K12( Uш12 – K4 Ux ), (2) підвищує точність та чутливість вимірювання температури. На рисунку наведена схема шумового термометра для вимірювання температури. Шумовий термометр складається з первинного резистивного перетворювача 1, який через розподілювальні конденсатори 2 та 3, підключений до диференціального підсилювача 4 з симетричними входами, який включає вхідні резистори 5, 6 і 7, операційні підсилювачі 8 та 9 з резисторами зворотнього зв'язку 10 та 11. Виходи диференційного підсилювача з'єднані з смуговими підсилювачами змінної напруги 12 та 13. Прямий та інверсний виходи підсилювача 12 за допомогою автоматичного перемикача 14 підключаються до входу перемножувача 15, а до іншого входу перемножувача підключається підсилювач 13. До виходу перемножувача підключені послідовно з'єднані смуговий фільтр 16, підсилювач 17 низької частоти, синхронний детектор 18 і фільтр нижніх частот 19. Вихід фільтра 19 через первинний перетворювач 1 підключений до третього операційного підсилювача 20 з постійним резистором 21, який включений в ланцюг від'ємного зворотнього зв'язку. Вихід підсилювача 20 підключений до цифрового вольтметру 22. До керуючих входів перемикача 14 та синхронного детектора 18 підключений генератор 23 низької частоти. Джерело 24 постійної напруги через рухомий контакт потенціометра 25 підключається до першого входу перемножувача 15 та через комутатор 26 напряму з'єднується з входами автоматичного перемикача 14. Пристрій працює наступним чином. За допомогою первинного перетворювача 1, в якості якого використовується високоомний резистор, що працює в екстремальних умовах, що змінюють його опір в наслідок фізико-хімічних змін матеріалу, знімається термошумова напруга, квадрат якої згідно рівняння Найквіста має вигляд: 2 Ux =4kDfTхRх, & & & U"12 =K12( Uш12 + K4 Ux ), (3) а на виході смугового підсилювача 13 напруга: & & & U13 = K13( Uш13 – K4 Ux ), (4) де К12,К13 - коефіцієнти посилення смугових підсилювачів змінної напруги 12 та 13 відповідно. На входи автоматичного перемикача 14 по& & даються пряма та інверсна напруги U'12 та U"12 , а також в залежності від положення комутатора 26 на один з входів перемикача 14 подається опорна напруга Uо від джерела 24. За безперервної роботи автоматичного перемикача 14, який керується напругою низької частоти від генератора 23, на один вхід перемножувача 15 почергово подаються напруги (2) та (3) з врахуванням Uо, що знімається з джерела постійної напруги 24. При положенні комутатора 26, як показано на рисунку, вихідні напруги перемикача 14: & & & U'14 =K12( Uш12 + K4 Ux ) + Uо, (5) & & & U'14 =K12( Uш12 – K4 Ux ), (6) а на інший вхід перемножувача поступає напруга з підсилювача 13 разом з часткою опорної напруги Uо від джерела 24, що визначається параметром К25 - коефіцієнтом передачі потенціометра 25 відносно рухомого контакту: (1) & & & U13 = K13( Uш13 – K4 Ux ) + K25Uо. де k = 1,38х10-23 Дж/К - стала Больцмана; Rх - значення опору первинного перетворювача, з якого знімають шумову напругу; Df - смуга частот, в якій відбувається виділення шумового сигналу; Tx - абсолютна температура первинного перетворювача. Ця напруга через конденсатори 2 та 3 поступає на симетричні входи диференційного підсилювача 4. Операційні підсилювачі 8 та 9, що входять до складу диференційного підсилювача, підсилюють шумову інформаційну напругу, яка розділюються на дві протифазні корельовані напруги. Якщо шумову напругу (1) представити в комплекс& ному виді Ux , то противофазні напруги на виходах диференційного підсилювача 4 приймуть вид: & & +K4 Ux та -K4 Ux , де К4 - коефіцієнт підсилення диференційного підсилювача 4. Ці напруги поступають на входи смугових підсилювачів змінної напруги 12 та 13 з коефіцієнтами підсилення К12 та К13 & & із власними шумами UШ12 і UШ13 , які між собою не корельовані. (7) Враховуючи, що шуми підсилювачів 4, 12 та 13 між собою не корельовані, а коефіцієнт кореля& & ції між шумовими сигналами +K4 Ux та –K4 Ux наближується до одиниці, а також некорельованість шумів підсилювачів та інформаційного шуму первинного перетворювача, на виході перемножувача почергово формуються напруги: & & & & & U ’15= U ’14· U'13 =S15[(K12( Uш12 +K4 Ux )+Uo) x & & x (K13( Uш13 – K4 Ux )+K25Uo)], (8) & & & & & U ”15= U ”14· U13 =S15[(K12(– Uш12 –K4 Ux )) x & & x (K13( Uш13 –K4 Ux )+K25Uo)], (9) де S15 – крутизна перетворення перемножувача 15. Після математичних перетворень, та враховуючи, що підсилювачі 12 та 13 однотипні, тобто К12 » К13, а також нехтуючи членами другого порядку малості, отримуємо: 3 40881 2 2 & & U ’15=S15(- K 2K12U2 +K25U o), 4 x (10) Підставляючи значення К25 в вираз (16) отримуємо значення напруги, що подається на цифровий вольтметр 22: 2 & & U ”15=S15 K 2K12U2 . 4 x (11) & '15 і U "15 бу& Часову послідовність напруг U демо розглядати як одне знакозмінне, що змінюється з частотою генератора 23 низької частоти. З цієї напруги смуговим фільтром 16 відокремлюється і підсилюється підсилювачем низької частоти 17 низькочастотна напруга: æ U" -U' ö U17(W) = К16К17 ç 15 15 ÷ sign sin Wt, 2 è ø 2 U23 =4a K 2K12 kDfR21(Tx–T0)=S(Tx–T0), 4 2 де S = 4a K 2K12 kDfR21 - результуюча крутизна пе4 ретворення температури в електричну напругу [В/°С]. Використовуючи комутатор 26, змінюємо входи автоматичного перемикача 14, до яких підключається джерело постійної напруги, що дозволяє змінювати полярність компенсуючої напруги на виході перемножувача 15 при встановленні нуля градусів Цельсія. Таким чином, запропонований шумовий термометр забезпечує автоматичне виключення впливу дрейфу нуля перемножувача та значення опору первинного перетворювача на результат досліджень, що дозволяє проводити вимірювання температури з високою точністю при зміні в широкому діапазоні значень опору первинного перетворювача, який працює в екстремальних умовах. Крім того, значення вимірюваної температури об'єкта відображається в градусах Цельсія, що дає змогу використовувати термометр в будь-якій галузі народного господарства. Приклад. Досліджувався шумовий термометр, який виконаний за запропонованою схемою в діапазоні температур 20...250°С. При цьому використовувалися первинний перетворювач - резистор СТ1-19 з номіналом 100 кОм, що забезпечив чутливість 0,01°С, який був розміщений в робочій зоні водневої печі для отжигу деталей, а також постійний резистор зворотнього зв'язку третього операційного підсилювача МЛТ-0,25 з номіналом 200 кОм, потенціометр - СП3-13А з номіналом 1 кОм. Вхідний диференційний підсилювач складався з двох малошумних операційних підсилювачів типу TLC2262A (Texas Instrument), а також смугові підсилювачі на діапазон частот 50...100 кГц. В якості перемножувача використана інтегральна мікросхема ПС501 з відкритими входами. Джерело постійної напруги - випрямляч напруги електромережі зі стабілізацією вихідної напруги на рівні 5В. Автоматичний перемикач виконаний на польових транзисторах та керується генератором низької частоти (75Гц) - симетричним мультивібратором. Після експлуатації первинного перетворювача в агресивному середовищі (воднева суміш) опір резистора (первинного перетворювача) знизився на 25-30%, але це не вплинуло на результат вимірювання. Приведена похибка вимірювань шумового термометра не перевищила 0,5% в порівнянні з показами еталона (платинова термопара), що в п'ять раз менше похибки прототипу. (12) де К16, К17 - коефіцієнти передачі фільтра 16 та підсилювача 17 відповідно. Ця напруга випрямляється синхронним детектором 18, який керується низькочастотною напругою від генератора 23, та згладжується фільтром нижніх частот 19: 1 æ ö 2 U19 = aç K 2K12 U2 - K 25U2 ÷, , 4 4 o 2 è ø (13) де a = S15K16K17S18K19 - результуючий коефіцієнт перетворення одноканальної частини вимірювального тракту; S18 - крутизна перетворювання синхронного детектора 18, К19 - коефіцієнти передачі фільтра нижніх частот 19. Стала напруга U19 проходить через первинний перетворювач 1 з опором Rх і діє на вхід операційного підсилювача 20, в ланцюг від'ємного зворотного зв'язку якого включений резистор 21. Вихідна напруга підсилювача 20, який має зворотній від'ємний зв'язок через резистор 21, має вигляд: U20 = R æ Ro ö 2 2 1 U19 = a o ç K 2K12 Ux - K 25U2 ÷ . 4 o Rx è 2 Rx ø (14) де Rо - опір резистора зворотнього зв'язку. 2 Згідно залежності Ux , що визначається формулою Найквіста (1) вираз (14) прийме вигляд: U20 = a Ro æ 2 2 1 2 ö ç 4K 4K12kDfR x Tx - K 25Uoп ÷ , (15) Rx è 2 ø Коефіцієнт передачі К25 потенціометра 25 регулюється із умови отримання нульового значення напруги U20 при 0°С (То=273К). При U20 = 0 маємо: 2 К25 = 8K 2K12 4 kDfToR x U2 оп . (17) (16) 4 40881 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03 5 40881 6