Шумовий спосіб вимірювання температури

Реферат: Шумовий спосіб вимірювання температури при якому розміщують резистивний елемент в зоні вимірюваної температури, підсилюють шумову напругу резистивного елемента в смузі частот теплових флуктуацій, квадратують, усереднюють, виділяють з неї постійну складову і визначають вимірювану температуру. Після розміщення резистивного елемента отримують його шумовий струм, який перетворюють на дві підсилені шумові напруги, додатково підсилюють другу шумову напругу в смузі частот теплових флуктуацій, квадратування здійснюють перемножуванням між собою підсилених шумових напруг. UA 70940 U (54) ШУМОВИЙ СПОСІБ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ UA 70940 U UA 70940 U 5 10 15 20 Корисна модель належить до термометрії і може бути використана для вимірювання температури за тепловими шумами резистивного елемента, розташованого в зоні вимірюваної температури, протягом тривалого часу. Відомий шумовий спосіб вимірювання температури [Геращенко О. А., Гордов Н. А., Лах В. Н., Стадник Б. И., Ярышев Н. А. Температурные измерения: Справочник. - К.: Наукова думка, 1984, - С. 21-22], що полягає у вимірюванні середнього квадрата напруги теплових шумів резистора, розташованого в зоні вимірюваної температури. Середній квадрат напруги теплових шумів (дисперсія шуму) пов'язаний з температурою формулою Найквіста: U2 , 4kR  ƒ де Tx - вимірювана термодинамічна температура; Tx  U2 - дисперсія шуму; k - постійна Больцмана; R - опір резистора, який нагрівають;  ƒ - смуга частот теплового шуму, який виділяється. В процесі нагрівання резистора неминуче змінюється його опір, що викликає неоднозначність у визначенні температури за вказаною формулою. Крім того, через процеси окислення, випарювання і структурних змін випадковим чином змінюється опір R резистивного елемента, що викликає великі похибки у вимірюваній температурі при тривалій експлуатації. Для виключення впливу непостійності опору резистивного елемента використовують шумовий спосіб [Куинн Т. Температура: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - С. 118-119], при якому перемножують шумовий струм і шумову напругу резистивного елемента, а напругу визначають з отриманої потужності Р теплових шумів: 1 25 30 35 40 45 50 55 P  4kTxK iK u ƒi ƒu 2 , де k - постійна Больцмана; Tx - вимірювана термодинамічна температура; K i і K u - коефіцієнти підсилення шумових струму і напруги; ƒi і  ƒ u - смуги частот, в яких виділяється шумовий струм і напруга. Однак виміряти одночасно шумові струм і напругу резистивного елемента неможливо, оскільки необхідні два стани вимірювальної схеми: режим короткого замикання для струму і режим холостого ходу для напруги. Різночасне вимірювання шумового струму і шумової напруги пов'язане з необхідністю використання запам'ятовуючих елементів, що вносить додаткові похибки та суттєво подовжує і ускладнює процес вимірювання. Відомий також шумовий спосіб вимірювання температури [Саватеев А. В. Шумовая термометрия. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. - С. 96-97], при якому розміщують резистивний елемент в зоні вимірюваної температури, підсилюють шумову напругу резистивного елемента в смузі частот теплових флуктуацій, квадратують, усереднюють, виділяють з неї постійну складову і визначають вимірювану температуру. Крім того, відомий спосіб включає операцію ділення двох напруг за допомогою операційного підсилювача, у вимірювальний ланцюг якого необхідно включити резистор, ідентичний за опором з вихідним резистивним елементом (шумовим термодатчиком). Через неконтрольовані зміни опору вихідного резистивного елемента неможлива повна компенсація похибки від нестабільності його опору. Значну похибку у цьому способі вносять власні шуми каналу підсилення шумової напруги, які додаються до теплового шуму вихідного резистивного елемента. В основу корисної моделі поставлена задача створення такого шумового способу вимірювання температури, в якому введенням нових операцій з шумовим струмом і напругами забезпечилось би виключення впливу непостійності опору резистивного елемента, що генерує тепловий шум, і вплив власних шумів підсилювачів шумових напруг на результат вимірювання температури резистивного елемента, що дозволить підвищити точність вимірювання температури у широкому діапазоні значень. Поставлена задача вирішується тим, що у шумовий спосіб вимірювання температури, при якому розміщують резистивний елемент в зоні вимірюваної температури, підсилюють шумову напругу резистивного елемента в смузі частот теплових флуктуацій, квадратують, усереднюють, виділяють з неї постійну складову і визначають вимірювану температуру, згідно з корисною моделлю, після розміщення резистивного елемента отримують його шумовий струм, який перетворюють на дві підсилені шумові напруги, додатково підсилюють другу шумову 1 UA 70940 U 5 10 15 20 25 30 напругу в смузі частот теплових флуктуацій, квадратування здійснюють перемножуванням між собою підсилених шумових напруг, при цьому отримують добуток шумових напруг, при усередненні якого отримують постійну напругу, яку перетворюють на постійний струм, пропускають його через резистивний елемент, вимірюють безпосередньо на цьому елементі падіння постійної напруги, за значенням якого визначають вимірювану температуру. Введення у запропонований спосіб операції перетворення шумового струму резистивного елемента на дві підсилені шумові напруги дозволяє підсилювати шумові напруги двома незалежними підсилювачами, власні шуми яких між собою некорельовані. Наступне перемноження підсилених шумових напруг і усереднення отриманої напруги забезпечує отримання постійної напруги пропорційної квадрату шумового струму резистивного елемента. Подальше перетворення постійної напруги у постійний струм, який пропускають через резистивний елемент, дає змогу отримати падіння постійної напруги на цьому елементі пропорційне температурі цього елемента незалежно від його опору. Вказані нові операції підвищують точність вимірювання температури, в зоні дії якої розміщений резистивний елемент, за рахунок усунення впливу власних шумів підсилювачів і виключення впливу непостійності опору резистивного елемента. На кресленні представлена схема для реалізації шумового способу вимірювання температури на типових електронних елементах. В шумовому термометрі резистивний елемент 1 розміщений в зоні вимірюваної температури Тх. Кінці резистивного елемента через роздільні конденсатори 2 і 3 і низькоомні входи перетворювачів 4 і 5 струму в напругу з'єднані разом і підключені до загальної заземленої шини 6. Виходи перетворювачів 4 і 5 з'єднані з входами смугових підсилювачів 7 і 8 шумових напруг, до виходів яких підключений перемножувач 9. Вихід перемножувача 9 через фільтр 10 нижніх частот з'єднаний з входом перетворювача 11 напруги в струм, симетричні виходи якого підключені до вихідного резистивного елемента 1. Паралельно до останнього включений електронний мілівольтметр 12 постійного струму з високим вхідним опором. Шумовий спосіб вимірювання температури здійснюється наступним чином. В зоні вимірюваної термодинамічної температури Тх розміщують резистивний елемент 1. В результаті нагрівання в резистивному елементі 1 виникає шумовий струм, середньоквадратичне значення якого: kT x ƒ , R де k - постійна Больцмана; R - опір резистивного елемента 1; ƒ - смуга частот шуму, що виділяється. Шумовий струм (1) відповідає режиму короткого замикання резистивного елемента 1. Для здійснення цього режиму кінці резистивного елемента 1 замикаються між собою через роздільні конденсатори 2 і 3 і низькоомні вхідні опори перетворювачів 4 і 5 струму в напругу. При цьому замкнуті кінці з'єднуються з заземленою шиною 6. Вихідні підсилені шумові напруги перетворювачів 4 і 5: U1  S1 iш , (2) U2  S2 iш . (3) де S1 і S 2 - крутизна перетворення струму в напругу. Шумові напруги U1 і U2 підсилюються смуговими підсилювачами 7 і 8, смуга пропускання яких відповідає частоті теплових флуктуацій носіїв електричних зарядів резистивного елемента 1. Підсилені напруги разом з власними шумами підсилювачів 7 і 8 перемножуються між собою в перемножувачі 9. Отриманий добуток шумових напруг усереднюється в фільтрі 10 нижніх частот. При цьому слід врахувати, що шуми незалежних підсилювачів 7 і 8 між собою некорельовані, а підсилювані теплові шуми резистивного елемента корельовані, оскільки породжуються одним джерелом. Тому усереднений добуток шумових напруг можна представити у вигляді: iш  35 40 45 50 U3  K1 U1 ƒ1 K 2 U2 ƒ2 , (4) де K 1 і ƒ1 - коефіцієнт підсилення і смуга частот смугового підсилювача 7; K 2 і  ƒ 2 - коефіцієнт підсилення і смуга частот смугового підсилювача 8; « » - символ усереднення за часом. 2 UA 70940 U Підставляючи у вираз (4) значення виразів (2) і (3) і припускаючи для однакових підсилювачів K1  K 2 і ƒ1  ƒ 2 , отримаємо усереднену напругу: 5 2 2 2 U4  K1 S1 S2 ƒ1 iш . (5) При використанні однакових перетворювачів струму в напругу 4 і 5 можна вважати, що S1  S 2 . Тоді підставивши значення шумового струму (1) в вираз (5) отримаємо: kT . (6) R Усереднена частина шумової напруги (6) на виході фільтра 10 нижніх частот являє собою постійну напругу. В перетворювачі 11 напруга-струм постійна напруга (6) перетворюється у постійний пропорційний струм: 2 2 2 kT , (7) I  S 3 K 1 S1  ƒ 1 R де S 3 - крутизна перетворення напруги у струм. Отриманий струм (7) пропускають через резистивний елемент 1. Мілівольтметром 12 постійного струму з високим вхідним опором вимірюють падіння напруги від постійного струму І на цьому елементі. Враховуючи, що опір резистивного елемента 1 R, остаточно отримаємо падіння напруги: 2 2 2 U6  S3K1 S1 ƒ1 kT x , (8) 2 2 2 U5  K 1 S1  ƒ1 10 15 20 25 30 35 40 45 де U6 - вимірювана напруга. З отриманого виразу (8) визначають вимірювану температуру: U6 . (9) Tx  2 2 2 kS 3K1 S1  ƒ1 Вираз в знаменнику (добуток коефіцієнтів) можна розглядати як результуючу крутизну перетворення температури у постійну напругу. Тоді вираз (8) можна представити у вигляді: U6  Sp Tx , (10) 2 2 2 де S 6  kS 3K 1 S1  ƒ1 - результуюча крутизна перетворення [В/К]. Оскільки шкала шумового термометра лінійна, то результуючу крутизну перетворення S p можна визначити з калібрувальної температури: U Sp  k , (11) Tk де Uk - напруга калібрування; Tk - температура калібрування. Поточне вимірювання температури слід проводити з врахуванням результуючої крутизни (11), отриманої в процесі калібрування: U Tx  x , (12) Sp де U x - напруга, що вимірюється мілівольтметром 12 [В]. З виразу (10) видно, що результуюча крутизна перетворення Sp не залежить від величини опору R первинного резистивного елемента 1. Отже, його зміни як від температури, так і процесів старіння і зносу не впливають на точність вимірювання термодинамічної температури Тх. При цьому всі вимірювальні перетворення здійснюються з неперервними сигналами за допомогою типових аналогових електронних елементів. Спосіб реалізується без елементів пам'яті і комутуючих пристроїв, що спрощує і здешевлює відповідну вимірювальну апаратуру. Основна перевага термометрів, що працюють за запропонованим способом, полягає у можливості тривалої роботи з деградуючим резистивним елементом. Це дозволяє використовувати їх у агресивних середовищах, при високих температурах і тиску, в умовах дії радіації, наприклад, на атомних електростанціях, в хімічних реакторах і т.д. Незалежність результатів вимірювання від опору елемента, що шумить, дозволяє використовувати як термодатчик будь-яку електропровідну деталь технологічного апарата чи машини. Усунення впливу власних шумів підсилювачів, які забезпечують запропонований спосіб, дозволяють рекомендувати його і для вимірювання низьких температур, коли шум первинного резистивного елемента співрозмірний або навіть менший рівня шумів електронних підсилювачів. Перспективне застосування запропонованого способу і у медицині, де при 3 UA 70940 U контролі глибинних температур тіла не потрібно вживлювати термодатчик. Можна використати будь-яку ділянку електропровідної тканини або рідини і отримати інформацію про температуру. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 Шумовий спосіб вимірювання температури, при якому розміщують резистивний елемент в зоні вимірюваної температури, підсилюють шумову напругу резистивного елемента в смузі частот теплових флуктуацій, квадратують, усереднюють, виділяють з неї постійну складову і визначають вимірювану температуру, який відрізняється тим, що після розміщення резистивного елемента отримують його шумовий струм, який перетворюють на дві підсилені шумові напруги, додатково підсилюють другу шумову напругу в смузі частот теплових флуктуацій, квадратування здійснюють перемножуванням між собою підсилених шумових напруг, при цьому отримують добуток шумових напруг, при усередненні якого отримують постійну напругу, яку перетворюють на постійний струм, пропускають його через резистивний елемент, вимірюють безпосередньо на цьому елементі падіння постійної напруги, за значенням якого визначають вимірювану температуру. Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 4