Шумовий кореляційний термометр

Реферат: UA 83108 U UA 83108 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до термометрії і може бути застосована для вимірювання температури об'єктів за інтенсивністю теплових шумів, які генеруються в нагрітому резистивному елементі. В шумових термометрах тепловий шум, який генерується в резистивному елементі, досить малий і тому потребує підсилення до рівня необхідного для його вимірювання. Для зменшення впливу власних шумів підсилювача на результат вимірювання температури широко використовуються кореляційні методи виділення корисного (інформаційного) шуму з перешкод. В цьому випадку використовують два незалежних підсилювачі, підсилені напруги яких перемножуються і усереднюються. В результаті усереднення добутку двох незалежних випадкових сигналів, котрими і є шуми, відбувається обнуління некорельованих шумів підсилювачів [Саватеев А.В. Шумовая термометрия - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987, - с. 74-76]. Однак, через неминучу неідентичність характеристик двох підсилювачів і наявність корельованих шумів повністю виключити вплив власних шумів підсилювачів неможливо. Тому шумові кореляційні термометри продовжують вдосконалюватися. Відомий шумовий кореляційний термометр [Патент України №40881 А, МПК G01K 7/30, 2001 p.], що містить первинний резистивний перетворювач, два смугових підсилювачі змінної напруги, перемножувач, один з входів якого з'єднаний з виходом одного із смугових підсилювачів, смуговий фільтр, що з'єднаний з виходом перемножувача, цифровий вольтметр, два роздільних конденсатори, диференційний підсилювач, автоматичний перемикач, генератор низької частоти, послідовно з'єднанні підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і третій операційний підсилювач з постійним резистором в колі зворотного зв'язку, в якому одна з вимірюваних шумових напруг розділяють на дві протифазні напруги з допомогою смугового підсилювача, який має прямий і інверсний виходи, напруги яких почергово перемножуються з іншою підсиленою шумовою напругою, а з перемножених шумових напруг смуговим фільтром виділяють змінну складову напруги пропорційну температурі. Однак, виключити вплив власних шумів повністю також неможливо, оскільки інвертуються не тільки теплові шуми резистивного елемента, що надходять на вхід, але і власні шуми підсилювача, приведені до його входів. Розділити їх фільтрацією складно, так як вони мають однаковий спектральний склад. Крім того на тепловий шум резистивного елемента накладаються теплові і дробові шуми диференціального підсилювача, що входить у схему і виконаний на базі двох операційних підсилювачів. В результаті наступного інвертування вихідних напруг одного з смугових підсилювачів, інвертуються і власні шуми диференціального підсилювача, що збільшує похибку вимірювання температури за тепловими шумами. Відомий також шумовий кореляційний термометр, описаний в Патенті України № 70940 "Шумовий спосіб вимірювання температури", МПК G01K 7/30, 2012 p.], що містить резистивний елемент, розміщений в зоні вимірюваної температури, кінці якого з'єднані з двома роздільними конденсаторами, два смугових підсилювачі, низькопотенційні входи яких підключені до загальної заземленої шини, а виходи з'єднані входами перемножувача, до виходу якого підключений фільтр нижніх частот, перетворювач напруги в струм, симетричні виходи з'єднані з кінцями резистивного елемента і входами вольтметра. Крім того, відомий термометр включає два електронних перетворювачі струму в напругу з низькоомними входами, які з'єднані безпосередньо з кінцями резистивного елемента через роздільні конденсатори. Використання смугових підсилювачів для виділення теплових шумів резистивного елемента з шумів іншого типу призводить до підвищення кореляції власних шумів передвключених перетворювачів струму в напругу. Крім того, через звуження смуги пропускання у самих смугових підсилювачах зростає кореляція власних шумів. Це призводить до того, що на виході перемножувача з'являється додатково постійна складова напруги, не пов'язана з температурою резистивного елемента. Значну похибку вносить зміщення "нуля" самого перемножувача, яке неможливо відділити від постійної напруги, що виникає від добутку корельованих теплових шумів резистивного елемента і пропорційна вимірюваній температурі. В основу корисної моделі поставлена задача створення такого шумового кореляційного термометра, в якому введенням нових елементів і зв'язків виключилось би підвищення точності і завадозахищеності шумового кореляційного термометра. Поставлена задача вирішується тим, що в шумовий кореляційний термометр, який містить резистивний елемент, розміщений в зоні вимірюваної температури, кінці якого з'єднані з двома роздільними конденсаторами, два смугових підсилювачі, низькопотенційні входи яких підключені до загальної заземленої шини, а виходи з'єднані входами перемножувача, до виходу якого підключений фільтр нижніх частот, перетворювач напруги в струм, симетричні виходи з'єднані з кінцями резистивного елемента і входами вольтметра, згідно з корисною моделлю, введені резонансний ланцюг з послідовно з'єднаних конденсатора і котушки індуктивності, 1 UA 83108 U 5 10 15 20 25 30 35 40 автоматичний перемикач, послідовно з'єднані низькочастотний вибірковий підсилювач, фазочутливий випрямляч, і додатковий фільтр нижніх частот та генератор низької частоти, при цьому котушка індуктивності підключена до кінців резистивного елемента, а середньою точкою з'єднана з загальною заземленою шиною, автоматичний перемикач входами з'єднаний з роздільними конденсаторами, а виходом - з першим смуговим підсилювачем, другий смуговий підсилювач з'єднаний з входом другого роздільного конденсатора, фільтр нижніх частот з'єднаний з низькочастотним вибірковим підсилювачем, додатковий фільтр нижніх частот з'єднаний з входом перетворювача напруги в струм, а генератор низької частоти з'єднаний з керуючими входами автоматичного перемикача і фазочутливого випрямляча. Введення в схему шумового кореляційного термометра резонансного ланцюга з послідовно з'єднаних конденсатора і котушки індуктивності, яка підключається безпосередньо до кінців резистивного елемента, забезпечує виділення теплових шумів в межах смуги пропускання послідовного коливального контуру. Введений автоматичний перемикач дає можливість періодично змінювати полярність однієї з перемножуваних шумових напруг, що робить знакозмінною напругу, отриману від перемноження корельованих теплових шумів, виділених резонансним ланцюгом. Послідовно з'єднані низькочастотний вибірковий підсилювач, фазочутливий випрямляч і додатковий фільтр нижніх частот забезпечують виділення знакозмінної напруги на виході першого фільтра нижніх частот, що дає можливість розділити перешкоди від власних шумів підсилювачів і зміщення "нуля" перемножувача і корисний сигнал від добутку корельованих шумів пропорційних вимірюваній температурі. Генератор низької частоти забезпечує періодичну з низькою частотою роботу автоматичного перемикача і синхронну роботу фазочутливого випрямляча, що підвищує точність і завадозахищеність запропонованого шумового кореляційного термометра. На кресленні представлена функціональна електрична схема шумового кореляційного термометра. Резистивний елемент 1 розміщений в зоні вимірюваної температури. Послідовно з'єднані конденсатор 2 і котушка індуктивності 3 утворюють послідовний резонансний ланцюг, що підключений до кінців резистивного елемента 1. Через роздільні конденсатори 4 і 5 і автоматичний перемикач 6, який керується генератором 7 низької частоти, кінці резонансного ланцюга з'єднані з входами смугових підсилювачів 8 і 9, низькопотенціальні входи яких підключені до загальної заземленої шини 10. Виходи смугових підсилювачів 8 і 9 з'єднані з перемножувачем 11, до виходу якого підключений фільтр 12 нижніх частот. До виходу фільтра 12 нижніх частот підключені послідовно з'єднані низькочастотний вибірковий підсилювач 13, фазочутливий випрямляч 14, додатковий фільтр 15 нижніх частот і перетворювач напруги в струм 16. Симетричні виходи перетворювача 16 з'єднані з кінцями резистивного елемента 1 і входами вольтметра 17. Генератор 7 низької частоти з'єднаний з керуючими входами автоматичного перемикач 6 і фазочутливого випрямляча 14. Шумовий кореляційний термометр працює наступним чином. В резистивному елементі, нагрітому до вимірюваної температури Тх, внаслідок електричних флуктуацій носіїв струму (електронів, іонів або дірок) виникає тепловий шум. Виділення теплового шуму у визначеній смузі частот з шумів нетеплової природи і перешкод здійснюється за допомогою резонансного ланцюга з конденсатора 2 і котушки індуктивності 3, які утворюють послідовний коливальний контур з резонансною частотою: f0  45 , (1) де L - індуктивність котушки 3; С - ємність конденсатора 2. Частоту резонансу f0 вибирають в діапазоні частот 50-100кГц, а якому відсутній низькочастотний флікер-шум, а електромагнітні наводки ще невеликі. Смуга пропускання коливальногоконтуру визначається його добротністю: f  50 1 2 LC f0 Q , (2) де f - смуга частот, що виділяються зі спектру теплових шумів; Q - добротність коливального контуру. Зазвичай смуга частот складає 10-15 кГц. На резонансній частоті (2) реактивні складові елементів послідовного контуру дорівнюють: 2f0 L  55 1 , 2f0 C (3) а падіння напруги від шумового струму будуть різної полярності. 2 UA 83108 U Оскільки активний опір послідовного ланцюга при резонансі набагато менший за опір резистивного елемента 1, то шумовий середньоквадратичний струм у відповідності до формули Найквіста визначається виразом: ш  5 10 4kx f R (4) де k - постійна Больцмана; Тх - термодинамічна температура резистивного елемента 1; f - смуга частот спектру теплового шуму що, виділяється резонансним ланцюгом; R - опір резистивного елемента 1. Падіння напруги від шумового струму (4) у відповідності до виразу (3) матимуть вигляд: U1  2f0L  ш , (5) U2   15 20 ш 2f0 C , (6) За структурою падіння напруги (5) і (6) являють собою вузькосмугові протифазні випадкові сигнали з центральною частотою f0. Ці напруги за допомогою автоматичного перемикача 6 почергово підсилюються смуговим підсилювачем 8 з центральною частотою рівною f0. Напруга (5) неперервно підсилюється смуговим підсилювачем 9 з тою ж центральною частотою. Для забезпечення роздільного підсилення вказаних сигналів низькопотенціальні входи смугових підсилювачів 8 і 9 з'єднані з загальною заземленою шиною 10. При вказаному на кресленні положенні автоматичного перемикача 6 підсилюються смуговими підсилювачами 8 і 9 різнополярні напруги (5) і (6), які між собою корельовані. Одночасно підсилюються і власні шуми смугових підсилювачів 8 і 9, які в значній мірі корельовані через обмежену смугу пропускання. В результаті перемноження різнополярних, але корельованих напруг і наступного усереднення фільтром 12 нижніх частот формується постійна напруга від'ємної полярності: U3  S1 1 2 U1U2 , (7) 25 30 де S1 - крутизна множильного перетворення; K1 і K2 - коефіцієнти підсилення смугових підсилювачів 8, 9; " - " - символ усереднення за часом. Крім корисного сигналу (7) формується також перешкода у вигляді постійної складової від перемноження корельованих власних шумів смугових підсилювачів 8 і 9 і наявності постійної напруги від зміщення "нуля" самого перемножувача 11. З врахуванням значень падінь напруг (5) і (6) результуючу напругу на виході фільтра 12 нижніх частот можна представити у вигляді суми постійних напруг: U 4  S1 1 2 L 2  ш  U' 4  U' ' 4 C , (8) де U' 4 - постійна складова від корельованих шумів смугових підсилювачів 8, 9; 35 U' ' 4 - постійна складова від зміщення "нуля" перемножувача 11. У протилежному положенні автоматичного перемикача 6 на входи перемножувача 11 надходить одне й те ж підсилене падіння напруги (5). в результаті перемноження і усереднення формується постійна напруга позитивної полярності, на яке накладаються ті ж перешкоди: 2 U5  S1 1 2 (2f0L) 2  ш  U' 4 U' ' 4 . (9) 40 З врахуванням рівності (3) вираз (9) набуває вигляду: U5  S1 1 2 45 50 L 2  ш  U' 4  U' ' 4 C . (10) З порівняння виразів (8) і (10) видно, що при періодичній роботі автоматичного перемикача 6, який керується напругою низької частоти генератора 7, полярність корисної складової напруги також періодично змінюється, а полярність перешкоди від корельованих шумів смугових підсилювачів 8 і 9 і перешкоди від зміщення "нуля" перемножувача 11 залишається незмінною. Це дозволяє виділити з допомогою низькочастотного вибіркового підсилювача 13, налаштованого на частоту генератора 7 низької частоти, змінну складову напруги пропорційну знакозмінній компоненті вихідної напруги фільтра 12 нижніх частот. Частота переключень автоматичного перемикача 6 складає зазвичай 30-40 Гц. Підсилена змінна напруга має вигляд синусоїдальної напруги низької частоти: 3 UA 83108 U U6  S1 1 2  3 5 L 2  ш sin 2Ft C , (11) де K3 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 13; F - частота низькочастотного генератора 7. Змінна напруга (11) випрямляється фазочутливим випрямлячем 14 і згладжується додатковим фільтром 15 нижніх частот. Постійна напруга з виходу додаткового фільтра 15 нижніх частот надходить на перетворювач 16, в якому перетворюється на постійний струм  0  S1S 2  1 2  3  4 10 L 2 ш C , (12) де S2 - крутизна перетворення напруги в струм; K4 - коефіцієнт випрямлення фазочутливого випрямляча 14. Якщо підставити у вираз (12) значення шумового струму з (4), то одержимо:  0  4kS 1S 2  1 2  3  4 f L x C R . (13) Для виключення впливу непостійності опору R резистивного елемента 1 на результат вимірювання температури Тх постійний струм (13) пропускають через резистивний елемент 1 і вимірюють падіння напруги U7 на ньому: 15 20 U7  4kS 1S 2  1 2  3  4 f L x C . (14) Як видно з виразу (14) падіння напруги на резистивному елементі 1, яке вимірюється вольтметром 17, пропорційне вимірюваній температурі Тх> і не залежить від опору резистивного елемента 1, власних шумів смугових підсилювачів 8 і 9 і зміщення "нуля" перемножувача 11. Градуювання шумового кореляційного термометра, який згідно (14) має лінійну функцію перетворення, можна проводити по одній відомій температурі в процесі калібрування. Так, покази термометра при калібрувальній температурі Тк Uk  4kS 1S 2  1 2  3  4 f L k C . (15) Вираз (15) можна представити так: Uk=STTk, (16) 25 S   4kS 1S 2  1 2  3  4 f де вимірювальну постійну напругу; Uk - покази вольтметра при калібруванні. Тоді поточні вимірювання температури визначаються за простою формулою x  30 35 40 45 L C - - результуюча крутизна перетворення шумового струму у Ux S  , (17) де Ux - показання вольтметра 17 при нагріві резистивного елемента 1 до температури Тх. Завдяки усуненню впливу перешкод і неінформаційних шумів підвищується точність вимірювання температур, особливо низьких, при яких власні шуми підсилювачів стають співрозмірними з інформаційним тепловим шумом резистивного елемента. Виключення впливу непостійності опору резистивного елемента на результат вимірювання температурі дозволяє підвищити точність вимірювання і високих температур, при яких відбувається деградація резистивного елемента (окислення, випарювання, структурні зміни), а відповідно і неконтрольовані зміни його опору. Підключення до резистивного елемента послідовного коливального контуру забезпечує виділення шумового струму без використання низькоомних електронних перетворювачів струму в напругу, яким властиві значні власні шуми. Це дозволяє підвищити точність вимірювання середніх температур, для вимірювання яких застосовують відносно низькоомні резистивні елементи. Як резистивний елемент може бути використаний будь-який електропровідний предмет, що знаходиться в зоні контрольованої температури, підключений до резонансного послідовного контуру. Завдяки вказаним перевагам запропонований шумовий кореляційний термометр дозволяє знизити похибку вимірювання температури до±0,1 К в широкому діапазоні температур. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 Шумовий кореляційний термометр, що містить резистивний елемент, розміщений в зоні вимірюваної температури, кінці якого з'єднані з двома роздільними конденсаторами, два смугових підсилювачі, низькопотенційні входи яких підключені до загальної заземленої шини, а 4 UA 83108 U 5 10 виходи з'єднані входами перемножувача, до виходу якого підключений фільтр нижніх частот, перетворювач напруги в струм, симетричні виходи з'єднані з кінцями резистивного елемента і входами вольтметра, який відрізняється тим, що в нього введені резонансний ланцюг з послідовно з'єднаних конденсатора і котушки індуктивності, автоматичний перемикач, послідовно з'єднані низькочастотний вибірковий підсилювач, фазочутливий випрямляч, і додатковий фільтр нижніх частот та генератор низької частоти, при цьому котушка індуктивності підключена до кінців резистивного елемента, а середньою точкою з'єднана з загальною заземленою шиною, автоматичний перемикач входами з'єднаний з роздільними конденсаторами, а виходом - з першим смуговим підсилювачем, другий смуговий підсилювач з'єднаний з входом другого роздільного конденсатора, фільтр нижніх частот з'єднаний з низькочастотним вибірковим підсилювачем, додатковий фільтр нижніх частот з'єднаний з входом перетворювача напруги в струм, а генератор низької частоти з'єднаний з керуючими входами автоматичного перемикача і фазочутливого випрямляча. Комп’ютерна верстка І. Скворцова 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 5