Шумовий вимірювач температури непровідних матеріалів

Реферат: UA 85101 U UA 85101 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області шумової термометрії і може бути застосована для вимірювання температури непровідних матеріалів за значенням теплових шумів, що присутні всередині матеріалу. Більшість непровідних матеріалів, виготовлених з полімерів, силікатів, деревини та іншої рослинної і тваринної сировини (шкіри, шерсті, бавовни, льону і т.п.), мають діелектричні властивості. В таких матеріалах навіть при відсутності вільних електронів та іонів, які зумовлюють електропровідність матеріалу, виникає тепловий шум через наявність всередині матеріалу термозбуджених поляризованих молекул, які утворюють елементарні флюктуючі диполі [Ван дер Зил А. Шум. Источники, описание, измерение /Пер. с англ. - Μ.: "Сов. радио", 1973. - С. 27-30]. Рівень шумового теплового струму і напруги визначається термодинамічною температурою матеріалу і величиною діелектричних втрат. Тому оцінку температури проводять за значеннями шумового струму або напруги, які наводяться в ємнісних чи індуктивних датчиках. Відомий шумовий вимірювач температури непровідних матеріалів [Саватеев А. В. Шумовая термометрия. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. - С. 91-93], який містить ємнісний датчик, між електродами якого розміщений досліджуваний матеріал, перелаштовуваний по частоті коливальний контур, до виходу якого підключені послідовно з'єднані широкосмуговий підсилювач, резонансний підсилювач з плавним переналаштуванням частоти, квадратичний детектор та індикатор. Температура матеріалу визначається за формулою, в яку входять середні квадрати шумових напруг вихідного коливального контуру і коливального контуру з ємнісним датчиком, а також відношення добротності цих контурів. Однак, вплив діелектричних втрат в коливальних контурах на їх добротність не дозволяє однозначно визначити температуру матеріалу, оскільки рівень діелектричних втрат залежить від температури, вологості і компонентного складу самого матеріалу. Відомий також шумовий вимірювач температури непровідних матеріалів [Патент України № 42028, МПК G01K 7/30, 2009 р.], який містить накладний ємнісний датчик з потенціальним дисковим електродом і кільцевим заземленим електродом, послідовно з'єднані інтегратор, підсилювач, аналогово-цифровий перетворювач, мікроконтролер і цифровий індикатор. Крім цього він включає зразковий конденсатор, повторювач напруги, перетворювач струму в напругу, смуговий фільтр, квадратичний перетворювач і три керованих двопозиційних перемикачі на входах і виходах повторювача напруги і перетворювача струму в напругу. Перевагою цього шумового вимірювача є незалежність його показів від рівня діелектричних втрат в досліджуваному матеріалі. Однак, виконати зразковий конденсатор без власного теплового шуму складно, а забезпечити рівність ємностей накладного ємнісного датчика і зразкового конденсатора неможливо, оскільки ємність накладного датчика визначається діелектричною проникністю досліджуваного матеріалу, яка заздалегідь невідома. Крім цього власні шуми електронного перетворювача струму в напругу і шуми електронного повторювача напруги багатократно перевищують Інформаційний тепловий шум, який наводиться в накладному датчику від досліджуваного матеріалу. Наступна фільтрація смуговим фільтром вже малоефективна через придушення більш потужною перешкодою (власним шумом) корисного шумового сигналу. В результаті цього похибка вимірювання температури непровідних матеріалів виявляється неприпустимо великою (більше 2-3К), особливо для низьких температур і матеріалів з малими діелектричними втратами. В основу корисної моделі поставлена задача створити такий шумовий вимірювач температури непровідних матеріалів, в якому введенням нових елементів і зв'язків досягалося підвищення точності вимірювання температури в непровідних матеріалах. Поставлена задача вирішується тим, що в шумовий вимірювач температури непровідних матеріалів, який містить накладний ємнісний датчик з потенціальним дисковим електродом і кільцевим заземленим електродом, послідовно з'єднані інтегратор, підсилювач, аналоговоцифровий перетворювач, мікроконтролер і цифровий індикатор, згідно з корисною моделлю, в нього введені два широкосмугових підсилювачі, перемножувач, високочастотний трансформатор, резонансний ланцюг з конденсатора і первинної обмотки високочастотного трансформатора, три керованих ключі, з яких перший нормально замкнутий ключ включений між потенціальним дисковим електродом і конденсатором, другий нормально розімкнутий ключ включений між потенціальним дисковим електродом і точкою з'єднання конденсатора з одним кінцем первинної обмотки високочастотного трансформатора, другий кінець якої заземлений, третій нормально розімкнутий ключ включений паралельно до резонансного ланцюга між конденсатором і другим кінцем первинної обмотки високочастотного трансформатора, вторинна обмотка якого заземлена в середній точці, її потенціальні кінці з'єднані з входами 1 UA 85101 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 широкосмугових підсилювачів, виходи яких з'єднані з входами перемножувача, вихід якого з'єднаний з входом інтегратора, а керуючі входи ключів підключені до логічних виходів мікроконтролера. Введення в шумовий вимірювач температури непровідних матеріалів двох широкосмугових підсилювачів, перемножувача, високочастотного трансформатора, резонансного ланцюга з конденсатора та первинної обмотки високочастотного трансформатора, трьох керованих ключів, включених вказаним чином, забезпечує виділення теплового шуму від електродів накладного ємнісного датчика при двох конфігураціях резонансного ланцюга, який задається за допомогою керованих ключів, стан яких задається програмою роботи мікроконтролера. При вихідному положенні керованих ключів резонансний ланцюг працює в режимі послідовного коливального контуру, що еквівалентно режиму короткого замикання датчика по теплових шумах, які наводяться в електродах ємнісного датчика. В протилежному положенні ключів резонансний ланцюг перетворюється у паралельний коливальний контур з великим опором, що створює для ємнісного датчика режим холостого ходу. В результаті зміни конфігурації коливального контуру на виході вимірювальної схеми формуються цифрові коди пропорційні шумовому струму короткого замикання ємнісного датчика і шумовій напрузі його холостого ходу. В результаті перемноження цифрових кодів в процесорі мікроконтролера формується код, пропорційний температурі досліджуваного матеріалу незалежно від рівня діелектричних втрат в самому матеріалі. Кореляційна обробка резонансних струмів і напруг виключає вплив власних шумів вимірювальної схеми на результат вимірювання температури. Все вище наведене забезпечить підвищення точності вимірювання температури в непровідних матеріалах. На кресленні представлена функціональна схема шумового вимірювача температури непровідних матеріалів. Накладний ємнісний датчик 1 з потенціальним дисковим електродом 2 і кільцевим заземленим електродом 3 підключений до вимірювальної схеми через керовані ключі 4, 5 і 6. Нормально замкнутий ключ 4 включений між потенціальним дисковим електродом 2 і конденсатором 7 резонансного ланцюга. Нормально розімкнутий ключ 5 включений між потенціальним дисковим електродом 2 і точкою з'єднання конденсатора 7 з одним кінцем первинної обмотки 8 високочастотного трансформатора 9. Третій нормально розімкнутий ключ 6 включений паралельно до резонансного ланцюга між конденсатором 7 і заземленим кінцем первинної обмотки 8 високочастотного трансформатора 9. Вторинна обмотка 10 заземлена у середній точці, її потенціальні кінці з'єднані з входами широкосмугових підсилювачів 11 і 12, низькопотенціальні входи яких підключені до загальної заземленої шини 13. Виходи широкосмугових підсилювачів 11 і 12 з'єднані з входами перемножувача 14, вихід якого з'єднаний з інтегратором 15, до виходу якого через підсилювач 16 підключений аналоговоцифровий перетворювач 17, цифровим входом з'єднаний з входом мікроконтролера 18. До виходу останнього підключений цифровий індикатор 19, а до логічних виходів підключені керовані ключі 4, 5 і 6. Позицією 20 позначений досліджуваний непровідний матеріал. Шумовий вимірювач температури непровідних матеріалів працює наступним чином. Ємнісний датчик 1 своїми електродами 2 і 3 накладають на досліджуваний матеріал 20. В непровідному матеріалі навіть при відсутності вільних електронів виникає широкосмуговий тепловий шум внаслідок флуктуацій електричних диполів поляризованих молекул речовини. При вказаному положенні керованих ключів 4, 5 і 6 електроди ємнісного датчика 2 і 3 замкнуті на послідовний коливальний контур з конденсатора 7 з ємністю С та індуктивністю L первинної обмотки 8 високочастотного трансформатора 9. На резонансній частоті 1 f0  (1) 2 LC , На елементах 7 і 8 резонансного ланцюга виникає резонанс шумових напруг і шумовий струм в режимі короткого замикання визначається тільки внутрішнім опором джерела шуму. Згідно з формулою Найквіста шумовий середньоквадратичний резонансний струм 4kTx f , (2) Re Z де k - постійна Больцмана; Tx - температура досліджуваного матеріалу; f - смуга частот теплового шуму, що виділяється резонансним ланцюгом; ReZ - активна складова комплексного опору ємнісного датчика. При паралельній схемі електродної системи ємнісного датчика 1 активна складова Ip  50 2 UA 85101 U Re Z  5 10 15 20 tg   , (3) 2f0C 1  tg2 де tg - тангенс кута діелектричних втрат досліджуваного матеріалу. Смуга частот теплового шуму, що виділяються контуром f (4) f  0 , Q де Q - добротность колебательного контуру. Резонансний шумовий струм (2) створює на первинній обмотці 8 високочастотного трансформатора 9 падіння напруги U1  2f0LIp , (5) яка трансформується у вторинну обмотку 10 до значення (6) U2  K1U1 , де K 1 - коефіцієнт трансформації. Вихідна напруга (6) високочастотного трансформатора 9 представляє собою вузькосмуговий випадковий сигнал, який разом з власними шумами підсилювачів 11 і 12 підсилюється, квадратується за рахунок перемноження в перемножувачі 14 і усереднюється в інтеграторі 15. При перемноженні шумових сигналів слід враховувати, що усереднений добуток двох випадкових некорельованих сигналів від незалежних джерел при широкій смузі частот підсилювачів 11 і 12, близький до нуля тобто не дає постійної складової напруги. В той же час підсилення двох вузькосмугових сигналів від одної обмотки трансформатора з заземленою середньою точкою при наступному перемноженні і усередненні дає постійну складову напруги за рахунок їх взаємної кореляції. В результаті вплив власних шумів широкосмугових підсилювачів 11 і 12 придушується, а підсилений інформативний тепловий шум, що виділяється резонансним ланцюгом, перетворюється в постійну напругу 1 2 (7) U3  K 2K 3SK 4 U2 , 4 де K 2 і K 3 - коефіцієнти підсилення широкосмугових підсилювачів 11 і 12; S - крутизна множильного перетворювання перемножувача 14; K 4 - коефіцієнт передачі інтегратора 15. Постійна напруга (7) підсилюється підсилювачем 16 і перетворюється в цифровий код аналогово-цифровим перетворювачем 17. Цифровий код надходить в мікроконтролер 18, де запам'ятовується його значення 2 1 K 2K 3SK 4K 5 U2 , (8) 4 q де K 5 - коефіцієнт підсилення підсилювача 16; q - одиниця молодшого розряду аналогово-цифрового перетворювача 17. Далі за командою мікроконтролера 18 ключ 4 розмикається, а ключі 5 і 6 замикаються. В результаті цього коливальний контур з конденсатора 7 і первинної обмотки 8 високочастотного трансформатора 9 перетворюється у паралельний. Опір контуру різко зростає до значення L , (9) Rk  Cr де r - малий опір первинної обмотки 8, що призводить до переривання шумового струму (2). Оскільки опір паралельного контуру Rk>>ReZ, то виникає режим холостого ходу, при якому середньоквадратична шумова напруга на контурі стає рівною N1  25 30 (10) Up  4kTx f ReZ , Шумова напруга (10) трансформується трансформатора 9 до значення U4  K1Up , (11) 35 у вторинну обмотку 10 високочастотного Шумова напруга (11) підсилюється двома широкосмуговими підсилювачами 11 і 12 і квадратується перемножувачем 14. Після усереднення добутку шумів інтегратором 15, в результаті якого виділяється постійна складова напруги, і наступних перетворень, аналогічних до попередніх формується друге значення цифрового коду 3 UA 85101 U 2 1 K 2K 3SK 4K 5 U4 , (12) 4 q яке запам'ятовується у мікроконтролері 18. Далі в процесорі мікроконтролера 18 здійснюється обчислювальна обробка кодів (8) і (12) за запропонованою програмою N2  5 10 (13) N3  N1N2 , Підставляючи у (13) значення кодів (8) і (12) і враховуючи співвідношення (5), отримаємо результуючий код 1 K1K 2K 3SK 4K 5 f0LIpUp , (14) N3  2 q Підставивши в (14) значення резонансного шумового струму з (2) і значення резонансної шумової напруги з (10), остаточно отримаємо 2kK 1K 2K 3SK 4K 5 f0Lf (15) N3  Tx , q З виразу (15) випливає, що результуючий код N3 пропорційний вимірюваній температурі Тх і не залежить від дисипативних втрат ReZ досліджуваного матеріалу. Оскільки функція перетворення температури в код (15) лінійна, то результуючу крутизну перетворення Sp  2kK 1K 2K 3SK 4K 5 f0Lf , (16) можна визначити за відомою калібрувальною температурою Tk : qN4 , (17) Tk де N4 - код, отриманий в процесі калібрування шумового вимірювача температури. В процесі поточних вимірювань температуру Тх визначають за формулою qN5 , Tx  (18) Sp де N5 - код, отриманий в процесі вимірювання. Результат вимірювання (18) обчислюється у процесорі мікроконтролера 18 і виводиться на цифровий індикатор 19. Таким чином, запропонована схема шумового вимірювача забезпечує можливість вимірювання температури в непровідних матеріалах, що не мають електропровідності, незалежно від рівня діелектричних втрат, які визначають значення ReZ, а відповідно, і рівень теплового шуму. Виділення шумового струму і шумової напруги безпосередньо на виході вимірювальної схеми резонансним ланцюгом зі змінною структурою підвищує співвідношення сигнал (корисний шум)/перешкода, а наступна кореляційна обробка вихідної напруги резонансного ланцюга двома незалежними підсилювачами з широкою смугою пропускання сприяє придушенню впливу власних шумів на результат вимірювання температури. Відмова від використання зразкового конденсатора з ємністю, рівною ємності накладного датчика, спрощує алгоритм обчислювальної обробки результатів проміжних вимірювань. Вказані схемотехнічні нововведення забезпечують суттєве підвищення точності вимірювання температури (похибка не перевищує ±0,1-0,2К). Для виключення впливу неінформативних низькочастотних шумів і перешкод (фліккер-шуму, вібрацій, наводок), а також високочастотних радіоперешкод і електромагнітних полів доцільно інформаційний тепловий шум виділяти резонансним ланцюгом в діапазоні високих частот (1020) МГц при ширині смуги пропускання ланцюга Δf=(5-10) кГц. З врахуванням статистичної природи шумового струму і напруги час вимірювання слід обирати досить великим (кілька секунд і більше), що задається постійною часу інтегратора і періодом перемикання ключів, який задається мікроконтролером. Sp  15 20 25 30 35 4 UA 85101 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 Шумовий вимірювач температури непровідних матеріалів, що містить накладний ємнісний датчик з потенціальним дисковим електродом і кільцевим заземленим електродом, послідовно з'єднані інтегратор, підсилювач, аналогово-цифровий перетворювач, мікроконтролер і цифровий індикатор, який відрізняється тим, що в нього введені два широкосмугових підсилювачі, перемножувач, високочастотний трансформатор, резонансний ланцюг з конденсатора і первинної обмотки високочастотного трансформатора, три керованих ключі, з яких перший нормально замкнутий ключ включений між потенціальним дисковим електродом і конденсатором, другий нормально розімкнутий ключ включений між потенціальним дисковим електродом і точкою з'єднання конденсатора з одним кінцем первинної обмотки високочастотного трансформатора, другий кінець якої заземлений, третій нормально розімкнутий ключ включений паралельно до резонансного ланцюга між конденсатором і другим кінцем первинної обмотки високочастотного трансформатора, вторинна обмотка якого заземлена в середній точці, її потенціальні кінці з'єднані з входами широкосмугових підсилювачів, виходи яких з'єднані з входами перемножувача, вихід якого з'єднаний з входом інтегратора, а керуючі входи ключів підключені до логічних виходів мікроконтролера. Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко 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