Шумовий спосіб вимірювання температури

Реферат: UA 81769 U UA 81769 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до термометрії і може бути використана для вимірювання температури провідних об'єктів за рівнем теплових шумів, що присутні в об'єкті внаслідок флуктуацій швидкостей елементарних носіїв заряду в нагрітому об'єкті. Шумовий спосіб вимірювання температури знаходить широке застосування в техніці і науці, оскільки не потребує спеціальних датчиків, що перетворюють температуру у електричний сигнал [Луцик Я.Т. та ін. Енциклопедія термометрії/ Я.Т. Луцик, Л.К. Буняк, Ю.К. Рудавський, Б.У. Стадник. - Львів: вид-во "Львівська політехніка", 2003. - C. 341-343]. При шумовому способі вимірюють середньоквадратичне значення напруги теплового шуму, яке пропорційне термодинамічній температурі провідного об'єкта. Недоліком шумового способу є залежність результатів вимірювання від опору об'єкта. Це викликає складнощі при вимірюванні температури об'єктів різної форми і з різними розмірами. Для виключення впливу опору об'єкта на його температуру в шумовий спосіб вводять додаткові операції, які дозволяють зменшити вплив опору на рівень вимірюваного теплового шуму. Відомий шумовий спосіб вимірювання температури [Саватеев А.В. Шумовая термометрия. Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. - C. 96-97], в якому використовують додаткову операцію ділення напруги пропорційної температурі і опору об'єкта на напругу, яка пропорційна тільки опору додаткового резистора, який вибирають ідентичним за опором і термодинамічним станом до об'єкта. Однак, через неконтрольовані зміни опору самого об'єкта неможливо повністю компенсувати похибку від зміни опору об'єкта в процесі його експлуатації. Відомий також шумовий спосіб вимірювання температури [Патент України № 70940, МПК G01K 7/30, 2012 р.], при якому виділяють з теплових шумів провідного об'єкта в заданій смузі частот шумову напругу, розділяють її на дві шумові напруги, які підсилюють і перемножують, отриману напругу усереднюють фільтром в постійну напругу та визначають вимірювану температуру провідного об'єкта. Крім того, відомий спосіб передбачає виділення шумового струму, який перетворюють на дві шумових напруги, які підсилюють у вузькій смузі частот двома смуговими підсилювачами. Виділена фільтром постійна напруга перетворюється в постійний струм, який пропускають через резистивний елемент, температуру якого вимірюють. Однак, в процесі перемноження шумових напруг, отриманих з шумового струму резистивного елемента, перемножуються і власні шуми підсилювачів. При використанні смугових підсилювачів через вузьку смугу пропускання власні шуми підсилювачів стають у значній мірі корельованими. Внаслідок цього при перемноженні і наступному усередненні з корельованих шумів утворюється додаткова складова постійної напруги, яка викривляє результат вимірювання температури за тепловими шумами об'єкта. Крім того, неминуча неідентичність характеристик двох перетворювачів струму в напругу, за допомогою яких реалізується операція перетворення шумового струму на дві шумових напруги, обумовлює додаткову похибку у вимірюванні температури. В основу корисної моделі поставлена задача створення такого шумового способу вимірювання температури, в якому введенням нових операцій з шумовими сигналами забезпечилося б підвищення точності вимірювання температури провідних об'єктів довільної форми з різними розмірами. Поставлена задача вирішується тим, що в шумовому способі вимірювання температури, при якому виділяють з теплових шумів провідного об'єкта в заданій смузі частот шумову напругу, розділяють її на дві шумові напруги, які підсилюють і перемножують, отриману напругу усереднюють фільтром в постійну напругу та визначають вимірювану температуру провідного об'єкта, згідно з корисною моделлю, виділення шумової напруги в заданій смузі частот здійснюють резонансом теплових шумів у паралельному коливальному контурі, який підключають до провідного об'єкта, вузькосмугова шумова напруга резонансного контуру підсилюється двома підсилювачами з широкою смугою пропускання, виділену фільтром постійну напругу подають через провідний об'єкт на операційний підсилювач, охоплений від'ємним зворотним зв'язком через постійний резистор, визначають вимірювану температуру провідного об'єкта за значенням отриманої вихідної напруги. Введення в шумовий спосіб вимірювання температури операцій по формуванню шумової напруги в заданій смузі частот шляхом використання резонансу в паралельному контурі, який підключають до провідного об'єкта, і наступне підсилення вузькосмугової шумової напруги двома незалежними підсилювачами з широкою смугою пропускання забезпечують усунення впливу власних шумів підсилювачів як некорельованих, так і корельованих на значення постійної напруги, яку створюють з шумових напруг шляхом їх перемноження і усереднення. Операція підсилення отриманої постійної напруги шляхом подачі через провідний об'єкт на операційний підсилювач, охоплений від'ємним зворотним зв'язком через постійний резистор, 1 UA 81769 U 5 10 15 20 25 виключає вплив опору об'єкта на результат вимірювання його температури по підсиленій вихідній напрузі завдяки залежності коефіцієнта підсилення від послідовно включеного опору провідного об'єкта. Вказані нові операції підвищують точність вимірювання температури провідних об'єктів, що мають різну форму і розміри, а відповідно, і різний опір. Суть корисної моделі пояснює креслення. Позицією 1 умовно показаний провідний об'єкт з довільною формою і розмірами, який через роздільні конденсатори 2 і 3 з'єднаний з паралельним резонансним контуром, який складається з конденсатора 4 і первинної обмотки трансформатора 5. Кінці вторинної обмотки трансформатора 5 з'єднані з входами широкосмугових підсилювачів 6 і 7, низькопотенціальні входи яких підключені до загальної заземленої шини 8. Виходи широкосмугових підсилювачів 6 і 7 з'єднані з входами перемножувача 9, вихід якого через фільтр 10 нижніх частот з'єднаний з підсилювачем 11 постійної напруги. Вихід підсилювача 11 постійної напруги через провідний об'єкт 1 з'єднаний з входом операційного підсилювача 12, охопленого від'ємним зворотним зв'язком через постійний резистор 13. Вихідна підсилена напруга вимірюється вольтметром 14. Шумовий спосіб вимірювання температури здійснюється наступним шляхом. В провідному об'єкті 1, який нагрітий до вимірюваної температури Тх, завжди присутній тепловий шум, викликаний флуктуаціями швидкостей елементарних носіїв електричного заряду (електронів, іонів, дірок) всередині об'єкта. Спектр теплового шуму досить широкий: від низьких до високих частот. Однак, напруга на резонансному контурі з конденсатора 4 і індуктивності обмотки трансформатора 5 визначається тільки тими коливаннями, які потрапляють в смугу пропускання цього контуру. Резонансну частоту паралельного коливального контуру обирають в діапазоні частот 100300 кГц, в якому відсутні низькочастотні шуми типу флікер-шум, а високочастотні електромагнітні наводки ще невеликі. Резонансна частота f0 коливального контуру пов'язана з параметрами елементів контуру співвідношенням 1 f0  2 LC , (1) де L - індуктивність первинної обмотки трансформатора 5; С - ємність конденсатора 4. На частоті резонансу (1) коливальний контур має великий активний опір Rk  30 L Cr , (2) де r - малий опір обмотки трансформатора 5. При високій добротності обмоток трансформатора (втрати в контурі малі) опір коливального контуру набагато більший за опір провідного об'єкта 1. Тому середньоквадратичне значення шумової напруги визначається формулою Найквіста для ненавантаженого резистивного об'єкта: 35 U1  4kT x fR0 , (3) де k - постійна Больцмана;  f - смуга частот спектру теплових шумів, що виділяються коливальним контуром; R0 40 - опір провідного об'єкта. Шумова напруга (3) трансформується у вторинну обмотку трансформатора 5 і далі підсилюється двома широкосмуговими підсилювачами 6 і 7. Підсилені середньоквадратичні напруги з врахуванням власних шумів підсилювачів приймають вигляд: 2 2 U2  K1K2U2  Uш2 2 1 2 2 2 K1K3U2  Uш3 1 U3  де K2 45 K1 і Uш 2 , (4) , (5) - коефіцієнт трансформації трансформатора 5; K3 - коефіцієнти підсилення широкосмугових підсилювачів 6 і 7; Uш3 і - середньоквадратичні напруги власних шумів на виходах широкосмугових підсилювачів 6 і 7. При перемноженні напруг (4) і (5) в перемножувачі 9 слід врахувати, що власні шуми ( Uш 2 і Uш3 50 ) підсилювачів 6 і 7, які мають широку смугу пропускання, між собою некорельовані. Тому їх   усереднений добуток дорівнює нулю. В той же час шумові напруги від об'єкта 1 U1 , отримані розщепленням обмотками трансформатора 5, залишаються корельованими. В результаті цього 2 UA 81769 U середній квадрат шумової напруги на виході перемножувача 9 визначається тільки тепловими шумами провідного об'єкта 1: 2 2 2 U4  K1K 2K 3S U1 , (6) де S - крутизна множильного перетворення в перемножувачі 9. 5 Підставляючи у вираз (6) значення U1 з (3), отримаємо 2 2 U4  4kK 1K 2K 3SfR0Tx . (7) Напругу (7) усереднюють фільтром 10 нижніх частот, а виділену ним постійну складову напруги підсилюють підсилювачем 11 постійної напруги. Підсилену напругу можна представити у вигляді 10 2 U5  4kK 1K 2K3K 4K5SfR0Tx де K4 , (8) - коефіцієнт передачі фільтра 10 нижніх частот; K5 15 - коефіцієнт підсилення підсилювача 11 постійної напруги. Напругу (8) через провідний об'єкт подають на операційний підсилювач 12, охоплений від'ємним зворотним зв'язком через постійний резистор 13. При послідовному включенні операційного підсилювача 12 з провідним об'єктом 1 його коефіцієнт підсилення К6 визначається виразом: K6  20 R R0 , (9) де R - опір резистора 13 в ланцюгу від'ємного зворотного зв'язку. Напруга (8), яка підсилюється операційним підсилювачем 12 з коефіцієнтом підсилення (9), приводиться до вигляду 2 U6  4kK 1K 2K 3K 4K 5SfRTx 25 . (10) Як видно з отриманого виразу (10) в результаті вказаного підсилення в функції перетворення (8) відбулося заміщення опору об'єкта R0 опором постійного резистора R ланцюга зворотного зв'язку операційного підсилювача 12. В результаті цього автоматично виключився вплив опору R0 провідного об'єкта 1 на результат перетворення температури Тх на постійну напругу U6, яка вимірюється вольтметром 14. Результат перетворення (10) можна представити, як U6  SpTx , (11) S  4kK 2K K K K SfR 30 1 2 3 4 5 де p - результуюча крутизна перетворення температури в напругу. Оскільки функція перетворення (10) лінійна відносно вимірюваної температури Тх, то результуючу крутизну перетворення (11) можна визначити за значенням однієї калібрувальної температури Тк: Sp  Uк Tк , (12) Uк 35 40 45 50 де - показання вольтметра 14 при відомій (калібрувальній) температурі провідного об'єкта 1. Надалі за показаннями вольтметра 14 з врахуванням значення результуючої крутизни перетворення (12) можна визначати поточні значення температури провідного об'єкта. Завдяки використанню підсилювачів 6 і 7 з широкою смугою пропускання усереднений фільтром 10 нижніх частот добуток власних шумів цих підсилювачів обнулюють, що дозволяє здійснювати вимірювання низьких температур при низько інтенсивному тепловому шумі провідного об'єкта. Необхідне обмеження смуги частот теплового шуму, що виділяється, здійснюється не смуговими підсилювачами, а резонансним контуром з конденсатора 4 і обмотки трансформатора 5, що виключає кореляцію власних шумів підсилюючих елементів. При цьому зникає необхідність у парних елементах з ідентичними параметрами, що характерно для прототипу. Незалежність результатів вимірювання температур запропонованим способом від опору джерела теплового шуму дозволяє відмовитись у ряді випадків від термодатчиків як первинних вимірювальних перетворювачів. Так, термоелектричні, терморезистивні та інші типи датчиків, що контактують з об'єктом, вносять суттєву похибку внаслідок відводу тепла від місця установки або викривляють температурне поле своїми захисними чохлами. В запропонованому способі як датчик температури можна використовувати сам провідний об'єкт або його частину, наприклад, 3 UA 81769 U 5 10 деталь металевої конструкції. Джерелом теплових шумів може бути також провідність розплавів різних матеріалів (солей, металів, скла, полімерів). Спосіб також зручний у тих випадках, коли розміщення датчиків на об'єктів ускладнене (вимірювання температури обмоток трансформаторів, електричних кабелів, елементів електричних машин). Спосіб також ефективний при контролі температур у вибухонебезпечних та пожежонебезпечних приміщеннях, а також в екстремальних умовах експлуатації (високі температури і тиски), коли неминучий швидкий знос термодатчика від зовнішнього середовища. Таким чином, підвищення точності вимірювання температури запропонованим способом обумовлене, з одного боку, виключенням термодатчика з вимірювального процесу, з іншого боку, заглушенням впливу шумів і перешкод на вимірювальні перетворення. Останнє розширює діапазон вимірюваних температур в області низьких температур. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 Шумовий спосіб вимірювання температури, при якому виділяють з теплових шумів провідного об'єкта в заданій смузі частот шумову напругу, розділяють її на дві шумові напруги, які підсилюють і перемножують, отриману напругу усереднюють фільтром в постійну напругу та визначають вимірювану температуру провідного об'єкта, який відрізняється тим, що виділення шумової напруги в заданій смузі частот здійснюють резонансом теплових шумів у паралельному коливальному контурі, який підключають до провідного об'єкта, вузькосмугову шумову напругу резонансного контуру підсилюють двома підсилювачами з широкою смугою пропускання, виділену фільтром постійну напругу подають через провідний об'єкт на операційний підсилювач, охоплений від'ємним зворотним зв'язком через постійний резистор, визначають вимірювану температуру провідного об'єкта за значенням отриманої вихідної напруги. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 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