Термошумовий термометр

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний університет " Львівська політехніка "

УДК 536.5

ТЕРМОШУМОВИЙ ТЕРМОМЕТР

Спеціальність 05.11.04 - прилади та методи вимірювання

теплових величин

АВТОРЕФЕРАТ

ДИСЕРТАЦІЇ НА ЗДОБУТТЯ НАУКОВОГО СТУПЕНЯ

КАНДИДАТА ТЕХНІЧНИХ НАУК

Микитин Ігор Петрович

Львів - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному університеті " Львівська політехніка " Міністерства освіти та науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Франк Бернгард.

Технічний університет Ільменау (Німеччина).

Офіційні опоненти:- доктор технічних наук, професор Лах Володимир Іванович, президент АТ “Термоприлад”, м. Львів.

- доктор технічних наук, професор Назаренко Леонід Андрійович, начальник відділу ДНВО “Метрологія”, м. Харків.

Провідна установа: Державний науково-дослідний інститут “Система”, відділ розроблення наукових, методичних та технічних основ метрологічного забезпечення ВІС та АСКТП, м. Львів.

Захист відбудеться 27 травня 2000 р. о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Державному університеті "Львівська політехніка" (79013, Львів-13, вул. С.Бандери 12, ауд.226 головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного університету "Львівська політехніка" (79013, Львів-13, вул.Професорська,1).

Автореферат розісланий 26 квітня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, д.т.н. Луцик Я.Т.



АНОТАЦІЯ

Микитин І.П. Термошумовий термометр. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових величин. Державний університет "Львівська політехніка" Львів, 2000.

Дисертаційна робота присвячена проблемі створення шумового термометра промислового застосування, придатного для вимірювання термодинамічної температури з високою точністю і бездемонтажної перевірки існуючих термоперетворювачів опору на об'єктах. Виведено функцію перетворення ШТ з використанням математичного апарату статистичного аналізу. Отримано вирази для визначення методичної похибки, пов'язаної з випадковою природою корисного сигналу, та інструментальних похибок каналу перетворення шумового сигналу. Отримано залежність методичної похибки від часу перетворення, робочої частотної смуги ШТ та відношення рівнів корисного сигналу до неінформативного. Запропоновано методику вибору опору первинного перетворювача в залежності від шумових параметрів активних елементів вхідного каскаду кореляційного підсилювача. Розроблено схемні рішення вторинного приладу та отримано математичні вирази, які дозволяють повтавити вимоги до параметрів елементів схеми, виходячи з потрібної точності перетворення. Виконано аналіз складових похибки вимірювання і вказані шляхи їх зменшення. Сформульовані рекомендації щодо градуювання ШТ та запропоновано методи алгоритмічної корекції результату вимірювання. шумовий термометр каскад підсилювач

Ключові слова: шумовий термометр, тепловий шум, спектральна густина потужності.



АННОТАЦИЯ

Мыкытын И.П. Термошумовой термометр. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.04 - приборы и методы измерения тепловых величин. Государственный университет "Львивська политэхника", Львов, 2000.

Диссертационная работа посвящена проблеме создания шумового термометра промышленного использования для измерения термодинамической температуры с высокой точностью, пригодного для бездемонтажной поверки существующих термопреобразователей сопротивления на объектах.

По результатам анализа существующих методов измерения термодинамической температуры в шумовой термометрии сделан вывод, что наиболее перспективним для изготовления промышленного ШТ является метод прямого измерения шумового напряжения с использованием корреляционного усилителя и алгоритмической коррекции погрешностей измерения.

С использованием математического аппарата статистического анализа случайных процессов с учетом функциональной связи между спектральной плотностью мощности и корреляционной функцией выведена функция преобразования ШТ для информационного шумового сигнала и для статистически независимых неинформативных шумових сигналов.

На основе анализа функции преобразования ШТ получены общие выражения для математического ожидания, дисперсии и относительного средне-квадратического отклонения методической погрешности, а также их выражения в упрощенной форме.

Относительное средне-квадратическое отклонение методической погрешности уменьшается с увеличением времени интегрирования, увеличением частотной полосы пропускания ШТ и уменьшением уровня неинформационных шумових сигналов, что позволяет изменением этих параметров обеспечить заданную методическую погрешность измерения температуры.

Для отношения спектральной плотности мощности информационного и неинформационного шумовых сигналов So/S₁ от 10 до 100 зависимость относительного средне-квадратического отклонения методической погрешности от времени измерения почти не изменяется. Поэтому нет необходимости предъявлять высокие требования к шумовым параметрам усилительных элементов, достаточно обеспечить отношение So/S₁=10. Если же неинформационный шумовой сигнал становится существенно большим чем информационный, то значительно увеличивается время измерения. Так для отношения So/S₁=0.1 в сравнении с отношением So/S₁=1 для достижения одинаковой погрешности необходимо увеличить время измерения в 20 раз. Оптимальные значения отношения So/S₁ лежат в пределах между 1 и 10.

Выведены математические выражения, позволяющие оценить методическую погрешность измерения температуры в зависимости от времени усреднения, спектральной плотности мощности информационного и неинформационных шумовых сигналов и рабочей частотной полосы ШТ.

Рассмотрена шумовая модель входной цепи и получены выражения для спектральной плотности мощности полного шумового сигнала, позволяющие определить оптимальное значение сопротивления первичного преобразователя, исходя из шумовых параметров активных элементов.

Выполнен анализ и синтез преобразователя шумового сигнала и рассмотрены инструментальные погрешности, возникающие в тракте преобразования.

Анализ структуры корреляционного усилителя показал целесообразность применения многокаскадного усилителя, где каждый каскад - полосовой фильтр из апериодических звеньев первого порядка. Получены выражения погрешности измерения в зависимости от нестабильности амплитудно-частотной характеристики, разницы фаз между фазочастотними характеристиками двух каналов корреляционного усилителя и неидеальности умножителя.

Рассмотрены способы минимизации погрешности измерения ШТ, возникающей за счет собственных шумовых параметров активных елементов, а также от нестабильности комплексной частотной характеристики корреляционного усилителя, коэффициєнта преобразования умножителя и аналого-цифрового преобразователя.

При использовании ШТ в промышленных условиях температура окружающей среды может изменяться в широком диапазоне, что приведет к изменению комплексной частотной характеристики корреляционного усилителя и коэффициєнта преобразования умножителя и аналого-цифрового преобразователя. Поэтому для текущей калибровки коеффициента преобразования ШТ предложена температурная коррекция,что позволяет создать ШТ компактным и приспособленным для експлуатации в производстве.

Выполнены исследования метрологических характеристик ШТ и сравнение полученных результатов с результатами моделирования.

Ключевые слова: шумовой термометр, тепловой шум, спектральная плотность мощности.



THE SUMMARY

Mykytyn I. The thermonoise thermometer. - Manuscript.

On the competition of a scientific degree of the candidate of engineering science behind a speciality 05.11.04 - devices and metods of measurement of thermal values. State University ”Lvivska politechnika”, Lviv, 2000.

The industry high precision noise thermometer for the thermodynamic temperature measurement and the thermoresistor transducers at the object site verification problems creation is devoted this dissertation work. The noise thermometer transistent function is found by the stochastic processes theory mathematic equiations using. The useful signal probabilistic nature methodic error and the transformation channel instrumentation error are determined. Both the metodic error versus transformation time and versus the noise thermometer frequency band or versus the useful to uninformatic signals ration functions are received. The primary transducer resistor value, corresponding with the correlation amplifier input circles activity elements noise parameters , calculation methodology is considered. The secondary device designing chemothechnignes decisions are proposed, and the mathematical equiations for the true elements parameters values due to the desired transformation precision are found. The full measurement error components sources were declared and the possible it`s decreasing ways are indicuted. The noise thermometer testing recomendation and the measurement results algorithmic correction methods are shown.

Key words: noise thermometer, thermal noise, power spectral dencity.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Перехід на новий, більш сучасний рівень наукових досліджень та освоєння нових високоточних технологій вимагають нових підходів до створення засобів вимірювання температури, які би забезпечували універсальність, точність та надійність вимірювань. Тому, поряд з вдосконаленням класичних методів та засобів вимірювання температури, ведеться пошук нових напрямків розвитку термометрії, які базуються на останніх досягненнях науки та техніки і можуть забезпечити отримання якісно нових результатів. Крім цього, слід зазначити важливість для сучасної термометрії розв'язання проблеми побудови термодинамічної температурної шкали.

Шумовий термометр (ШТ), як і ідеальний газовий термометр, парамагнітний та акустичний методи вимірювання температури, відноситься до первинних термометрів та дозволяє вимірювати температуру безпосередньо за термодинамічною температурною шкалою. Шумовий метод вимірювання не має принципових обмежень щодо границь вимірювання температури. Крім того, результат вимірювання ШТ в класичному трактуванні, не залежить ані від хімічного складу матеріалу первинного перетворювача, ані від його фізичних властивостей та агрегатного стану. В той же час, незважаючи на такі переваги, шумовий метод не дістав широкого промислового застосування.

За результатами низки досліджень, які були проведені в свій час рядом авторів (Найквіст Х., Джонсон Д., Саватєєв А., Анісімов М., Черевко Ф., Чайковський O., Кровіні Л., Мюллер Г., Гаррісон I., Лавсон A., Крафтмахер Я., Губский Б., Корндорф С., Подорольський А. та інші) були розроблені ШТ, які відрізняються методами, діапазонами, похибками та часом вимірювання температури. Але створені зразки ШТ можна застосувати переважно у лабораторних умовах.

Це пов'язано, в першу чергу, з технічними проблемами, які супроводжують процес створення ШТ, а саме: низький рівень корисного сигналу (одиниці мікровольт), його випадковий характер, необхідність застосування широкосмугових підсилювачів з коефіцієнтом підсилення більше за 100000, що, в свою чергу, приводить до високих вимог щодо завадостійкості та відносно великого часу вимірювання - від одиниць секунд до десятків годин. Відносно простими схемними та конструктивними рішеннями неможливо забезпечити необхідний рівень метрологічних характеристик ШТ, а намагання отримати відповідні характеристики приводило до надмірного збільшення матеріальних затрат.

Тому актуальною задачею є синтез та створення високоефективного переносного ШТ промислового застосування, який поряд з високою точністю вимірювання забезпечував би високі надійність, технологічність, простоту експлуатації, характеризувався помірною масою та габаритами, малим енергоспоживанням та низькою вартістю.

Мета роботи. Створення переносного ШТ для вимірювання термодинамічної температури з високою точністю в промислових умовах і придатного для оперативної бездемонтажної перевірки термоперетворювачів опору безпосередньо на об'єктах вимірювання.

Завдання досліджень - синтез оптимальної структури переносного ШТ, придатного для оперативної бездемонтажної перевірки термоперетворювачів опору на об'єктах вимірювання;

- виведення функції перетворення ШТ та визначення оптимальних параметрів основних функціональних вузлів;

- аналіз та синтез сукупності технологічних, структурних та алгоритмічних методів мінімізації похибок ШТ;

- оптимальне погодження параметрів системи “первинний перетворювач - лінія зв'язку - вхідне коло”;

- синтез схем ШТ та їх дослідження.

Наукова новизна роботи - оптимізовано комплекс вимог до структури ШТ придатного для промислового застосування, а також для бездемонтажної перевірки термоперетворювачів опору на об'єктах;

- виявлено функціональну залежність методичної похибки вимірювання температури від частотної смуги пропускання ШТ, часу усереднення та відношення спектральної густини потужності корисного сигналу до спектральної густини потужності шумової завади;

- отримано залежність похибки вимірювання ШТ від номінального значення опору первинного перетворювача, шумових параметрів активних елементів та часу усереднення.

Практична цінність - розроблено методику вибору оптимального значення опору первинного перетворювача в залежності від шумових параметрів активних елементів та часу усереднення;

- розроблено математичну модель функції перетворення ШТ з використанням математичного апарату статистичного аналізу випадкових процесів;

- синтезовано оптимальну структуру та алгоритм роботи ШТ промислового застосування, придатного для бездемонтажної перевірки термоперетворювачів опору на об'єктах, розроблено структурні та принципові схеми ШТ;

- оптимізовано структуру та отримано вирази для інструментальних похибок перетворення функціональних вузлів ШТ, визначені та розроблені методи корекції похибки вимірювання ШТ в залежності від вимог до метрологічних та експлуатаційних характеристик приладу;

- проаналізовано механізм виникнення внутрішніх і зовнішніх завад та запропоновано низку додаткових заходів для підвищення завадостійкості ШТ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст дисертаційної роботи складають результати досліджень, які проводилися при виконанні держбюджетних тем “Автоматична верифікаційна система засобів первинної термометрії на базі комп'ютера IBM”, номер державної реєстрації 0196U000183 за 1996-97 роки та “Дослідження нетрадиційних методів та створення засобів вимірювання фізичних величин”, номер державної реєстрації 0196U000677 за 1996-97 роки на кафедрі “Інформаційно-вимірювальна техніка” Державного університету “Львівська політехніка”.

Особистий внесок автора. Основна частина теоретичних і експериментальних досліджень, синтез принципових схем ШТ та розробка алгоритмів корекції виконані самостійно. Аналіз результатів окремих досліджень виконано у співавторстві згідно наведеного списку літератури.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на 2 міжнародних науково-технічних конференціях і семінарах, а саме:

- IV науково-технічній конференції “Контроль і управління в технічних системах” (КУТС-97), м. Винниця, 21-23 жовтня 1997р.

- “Metody i technika przetwarzania sygnalow w pomiarach fizycznych”, III Miedzynarodowy seminarium metrologow Lwow-Rzeszow-95. Rzeszow-96.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (89 найменувань) та 6 додатків. Дисертація містить 131 сторінку машинописного тексту, 44 рисунки, 9 таблиць.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтовано актуальність розробки переносного ШТ промислового застосування, зв'язок роботи із науковими програмами та темами, мета і задачі досліджень, наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі сформульовані вимоги до метрологічних та експлуатаційних параметрів ШТ, виходячи з поставленої задачі розробки приладу промислового застосування, в той же час придатного для бездемонтажної перевірки термоперетворювачів опору на об'єктах.

На основі проведеного аналітичного огляду існуючих методів вимірювання термодинамічної температури у шумовій термометрії зроблено висновок, що найбільш перспективним для створення промислового зразка ШТ є метод прямого вимірювання шумової напруги із застосуванням кореляційного підсилювача та алгоритмічної корекції похибок вимірювання.

Запропоновано структурну схему ШТ на якій S₀, S₁, S₂ статистично-незалежні між собою; S₀ - спектральна густина потужності корисного шумового сигналу.

Як відомо, шумова термометрія базується на виведеній Х.Найквістом залежності середнього квадрату шумової напруги на електрично ненавантаженому опорі від температури, отримана методом статистичної термодинаміки і поза залежністю від конкретних фізико-хімічних властивостей резистора

де - середній квадрат шумового сигналу; k- стала Больцмана; T - термодинамічна температура; f - частотна смуга; R_x - активний опір первинного перетворювача.

Із застосуванням математичного апарату статистичного аналізу випадкових процесів та врахуванням функціонального зв'язку між спектральною густиною потужності та кореляційною функцією виведено функцію перетворення ШТ для інформативного шумового сигналу та для неінформативних шумових сигналів.

За умови, що частотний спектр шумової напруги реального первинного перетворювача значно ширший за частотні смуги двох каналів перетворення кореляційного підсилювача і якщо їх амплітудно-частотні характеристики (АЧХ) ідентичні ( H₁(f)=H₂(f) ), то математичне сподівання квадрату шумової напруги інформативного сигналу на виході пристрою усереднення можна подати у вигляді:

де K_p - коефіцієнт передачі перемножувача.

Вираз для дисперсії абсолютної методичної похибки вимірювання температури отриманий у наступній формі:

де - час усереднення.

Якщо кореляційний підсилювач представити як ідеальний смуговий фільтр, то отримані вирази (2,3) приймуть вигляд:

а відносне середньо-квадратичне відхилення методичної похибки _z дорівнює



Представлено залежность _z від відношення спектральних густин потужності корисного і неінформативного сигналів S₀/S₁ при різних значеннях часу усереднення , дляf = 100 кГц і S₁=S₂.

Для відношення S₀/S₁10 відносне середньо-квадратичне відхилення похибки _z практично не змінює свого значення. Тому вимоги до шумових параметрів активних елементів повинні бути такими, щоб забезпечити згадане відношення 10.

Подальше покращення параметрів не приводить до фактичного зменшення методичної похибки вимірювання.

Якщо спектральна густина потужності S₁ неінформативного сигналу стає суттєво більшою за S₀, то значно зростає час усереднення. Так, для відношення S₀/S₁=0.1 в порівнянні з відношенням S₀/S₁=1 для досягнення одинакової похибки вимірювання потрібно збільшити час усереднення в 20 разів.

При застосуванні інтегруючого аналого-цифрового перетворювача (АЦП), як пристрою усереднення, вираз для результату вимірювання пропорційний до математичного сподівання квадрата шумової напруги

,

де K_acp - коефіцієнт перетворення АЦП.

За відомої дисперсії випадкової методичної похибки D_s довірчий інтервал для результату вимірювання можна записати у вигляді



де K(P_dov) - довірчий коефіцієнт, який залежить від довірчої ймовірності; P_dov - довірча ймовірність; _Mdov - абсолютна методична похибка за даної довірчої ймовірності P_dov.

Отримані математичні вирази дозволяють оцінити методичну похибку вимірювання температури в залежності від часу усереднення, спектральної густини потужності корисного та неінформативних шумових сигналів і робочої частотної смуги ШТ.

У другому розділі проведено синтез та аналіз перетворювача шумового сигналу та розглянуто інструментальні похибки, які виникають в тракті перетворення. Розглянуто шумову модель вхідного кола та отримано вираз, який дозволяє визначити значення опору первинного перетворювача, при якому забезпечується максимум відношення спектральної густини потужності корисного сигналу до еквівалентної спектральної густини потужності шумових сигналів операційних підсилювачів

де S_IA1, S_IA2 - спектральна густина потужності шумових струмів операційних підсилювачів вхідних каскадів кореляційного підсилювача; S_SN/(f) - еквівалентна спектральна густина потужності шумових сигналів, зведена до входу кореляційного підсилювача.

Для випадку, коли час усереднення прямує до безмежності, відношення S_SN/(f) прямує до нуля, а максимальне відношення S₀/S_E отримуємо при R_x0 (рис.3, графік 1). Якщо ж час усереднення обмежений, то існує оптимальне значення опору первинного перетворювача (рис.3, графіки 2,3), яке буде зміщуватись в область менших значень при зменшенні відношення S_SN/(f).

Для забезпечення необхідного рівня складових інструментальної похибки, зумовлених похибками реального перемножувача, потрібно мати коефіцієнт підсилення в залежності від значення R_x 100-130 дБ. Такий пидсилювач доцільно реалізувати як багатокаскадний, де кожен каскад побудований як смуговий фільтр із аперіодичних ланок першого порядку.

Для оцінки відносної похибки вимірювання в залежності від нестабільності амплітудно-частотної характеристики та різниці фаз між фазо-частотними характеристиками двох каналів кореляційного підсилювача отримані вирази

де M(e₀²)_a, M(e₀²)_f - відносні амплітудна та фазова похибки вимірювання середнього квадрата шумової напруги; H_n(f) - номінальна АЧХ каналів кореляційного підсилювача; _ax(f) - відносна похибка АЧХ кореляційного підсилювача; (f)=₂(f)-₁(f) - зсув фаз між двома каналами кореляційного підсилювача.

Ці співвідношення дозволяють сформулювати вимоги щодо допустимих амплітудної та фазової похибок каналів кореляційного підсилювача та встановити вимоги до параметрів його активних та пасивних елементів.

Проведено аналіз впливу характеристик перемножувача на результат вимірювання температури, який показав, що внаслідок неідеальності перемножувача виникає похибка перетворення шумового сигнала, яку подано у вигляді:

де K_p - відносна похибка маcштабного коефіцієнта перемножувача; Z_os - напруга зміщення на виході перемножувача; _x1 - коефіцієнт нелінійності по першому входу перемножувача; _x2 - коефіцієнт нелінійності по другому входу.

На підставі отриманого виразу можна поставити вимоги до параметрів перемножувача або оцінити складову похибки, зумовлену конкретним перемножувачем.

Оскільки усереднення та аналого-цифрове перетворення доцільно сумістити, рекомендовано, як пристрій усереднення, використовувати інтегруючий АЦП. Найбільш придатними для цього є усереднюючі АЦП з інтегруючим частотно-імпульсним перетворенням та АЦП з сігма-дельта перетворенням. Використання АЦП з двохтактним інтегруванням небажане, оскільки при великих часах усереднення суттєво зростає похибка нелінійності.

В третьому розділі розглянуто способи зменшення похибок ШТ, які виникають за рахунок власних шумових параметрів активних елементів, а також від нестабільності комплексної частотної характеристики кореляційного підсилювача, коефіцієнта передачі перемножувача та аналого-цифрового перетворювача.

При застосуванні операційного підсилювача на похибку вимірювання найбільший вплив мають його шумові напруги та вхідні шумові струми. Використання кореляційного підсилювача дозволяє мінімізувати вплив шумової напруги операційного підсилювача. Зменшення впливу власних шумових струмів можна доосягнути двома шляхами: вибором операційного підсилювача з потрібними шумовими параметрами та зменшенням опору первинного перетворювача.

Аналіз операційних підсилювачів показав, що підсилювачі з малими шумовими струмами характеризуються, як правило, суттєвими шумовими напругами. Використання таких операційних підсилювачів приводить до необхідності збільшення часу усереднення. Зменшення ж опору первинного перетворювача приводить до зменшення рівня корисного сигналу, що тягне за собою зростання вимог до шумових параметрів окремих підсилювальних елементів.

Якщо врахувати вплив шумових струмів активних елементів та неідеальність коефіцієнта перетворення кореляційного підсилювача, перемножувача та АЦП, то результат вимірювання можна записати наступним чином:

де - напруга зміщення перемножувача і АЦП;

коефіцієнт, який враховує неідеальність перетворення кореляційним підсилювачем та перемножувачем;

коефіцієнт, який враховує вплив шумових струмів активних елементів.

За відомих коефіцієнтів b₀, b₁, b₂ та опору первинного перетворювача R_x вимірювана температура дорівнює 

Для знаходження коефіцієнтів b₀, b₁, b₂ необхідно мати, як мінімум, 3 рівняння перетворення (12). Для цього запропоновано провести під час виготовлення ШТ калібрування при відомій температурі (наприклад потрійній точці води), знявши залежність показів ШТ від опору первинного перетворювача.

Систему рівняннь можна розв'язувати будь-яким з відомих чисельних методів.

З іншого боку, при застосуванні ШТ в промислових умовах температура довкілля може змінюватися в широких межах, що приведе до зміни комплексної частотної характеристики кореляційного підсилювача та коефіцієнта передачі перемножувача.

Тому застосування реперної точки під час експлуатації ШТ неприпустиме, оскільки перетворює переносний прилад у вимірювальну установку. З метою поточної корекції коефіцієнта передачі ШТ запропонована процедура температурної корекції, яка використовує внутрішню калібрувальну точку (рис.5) і дозволяє створити ШТ компактним і придатним для експлуатації у виробництві.

В процесі виготовлення ШТ калібрується в реперній точці T_r з використанням зразкових опорів R_1r R_2r R_nr, які під'єднуються до ШТ на час проведення калібрування. За результатами вимірювання знаходимо коефіцієнти b₀, b₁, b₂ рівняння (12).

Всередині ШТ у невеликому об'ємі створено калібрувальну температурну точку T_k, значення якої підтримується з похибкою 0.1 - 0.01К в залежності від класу точності ШТ. Використовуючи результати калібрування ШТ у реперній точці T_r (коефіцієнти b₀, b₁, b₂), вимірюється температура T_k внутрішньої калібрувальної точки. Подальше калібрування ШТ проходить з використанням зразкових опорів R_1k R_2k R_nk, які розміщені у внутрішній калібрувальній точці.

Калібрування ШТ займає досить тривалий час, що пов'язане з необхідністю вимірювання середнього квадрату шумової напруги, як мінімум, трьох зразкових резисторів. Тому проведення калібрування через рівні встановлені проміжки часу недоцільне, оскільки зміни температури довкілля на протязі експлуатації ШТ є випадковими і не піддаються прогнозуванню.

Враховуючи сказане, запропоновано проводити вимірювання температури середовища, де розташовано аналогові вузли ШТ, та за результатом вимірювання робити висновок про необхідність проведення калібрування.

Четвертий розділ присв'ячений розв'язанню проблеми завадостійкості ШТ. Подано структурну схему ШТ (рис.6), розробленого на підставі теоретичних і експериментальних досліджень.

Проведено дослідження метрологічних характеристик ШТ та порівняння останніх з результатами моделювання (табл.1).

Таблиця 1. Результати досліджень метрологічних характеристик ШТ

, c	[e2o], в.о.	Mdov, (Pdov=0.9) %	Mdov, (Pdov=0.95) %	Mdov, (Pdov=0.99) %	Mdov, (Pdov=0.9975) %	M, %
160	1.2710-3	0.21	0.25	0.33	0.38	0.34
800	8.010-4	0.13	0.16	0.206	0.24	0.21

[e²_o] - відносне середньо-квадратичне відхилення на виході пристрою усереднення; - час усереднення; P_dov - довірча ймовірність; M_dov - відносна похибка з довірчою ймовірністю P_dov; M - відносна похибка результату вимірювання.



ВИСНОВКИ

1. Для створення високоефективного ШТ промислового застосування найбільш доцільно використовувати метод прямого вимірювання температури з використанням кореляційного підсилювача, який дозволяє мінімізувати вплив шумової напруги використовуваних активних елементів.

2. Встановлено, що задану дисперсію результатів вимірювання від 0.015 до 0.24 %, зумовлену шумовою природою корисного сигналу, можна досягнути при часах інтегрування від 2000 до 5с при частотній смузі пропускання ШТ f=100кГц та від 200 до 0.5с при f = 1МГц.

3. Отримано залежність оптимального значення опору первинного перетворювача від значення власних шумових струмів активних елементів та часу усереднення, а отже від сумарної дисперсії корисного та статистично - незалежних неинформативних шумових сигналів.

4. Встановлено, що до корисного сигналу у вхідному колі ШТ додається неінформативний шумовий сигнал, який пропорційний добутку спектральної густини потужності шумових струмів активних елементів на квадрат значення опору первинного перетворювача, не зменшується з збільшенням часу інтегрування та приводить до додаткової похибки вимірювання температури.

5. Рекомендовано проектувати кореляційний підсилювач як багатокаскадний перетворювач, кожен каскад якого побудований як смуговий фільтр із аперіодичних ланок першого порядку.

6. Для мінімізації впливу на результат вимірювання власних шумів активних елементів, нестабільності параметрів кореляційного підсилювача, перемножувача і аналого-цифрового перетворювача запропоновано використовувати алгоритмічну корекцію результату вимірювання.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Стадник Б.І., Микитин І.П. Термошумовий термометр // Вісник Державного університету “Львівська політехніка” Автоматика, вимірювання та керування. - 1997. - №314. - С.85-89.

2. Озгович А.І., Стадник Б.І., Серкіз А.В., Микитин І.П. Параметри лінії передачі шумового сигналу // Вісник Державного Університету “Львівська політехніка” Автоматика, вимірювання та керування. - 1998. - №356. - С.111-117.

3. Стадник Б.І., Озгович А.І., Микитин І.П. Аналого-цифровий перетворювач для шумового термометра // Вісник Державного Університету “Львівська політехніка” Автоматика, вимірювання та керування. - 1998. - №348. - С.55-61.

4. Микитин І.П. Методика вибору опору первинного перетворювача шумового термометра. // Вісник Державного Університету “Львівська політехніка” Автоматика, вимірювання та керування. - 1999. - №366. - С.164-167.

5. Стадник Б.І., Кузій А.І., Микитин І.П. Корекція залежності коефіцієнта перетворення шумового термометра від значення опору первинного перетворювача // Вимірювальна техніка та метрологія. - 1999. - №54. - С.31-34.

6. Скоропад П., Стадник Б., Микитин І. Wplyw stanu fizycznego materialow na wlasciwosci metrologiczne czujnikow stosowanych w termometrii szumowej // Materialy III Miedzynarodowego seminarium metrologow “Metody i technika przetwarzania sygnalow w pomiarach fizycznych”.- Lwow-Rzeszow. - 1995.

7. Микитин І., Стадник Б., Озгович А. Термошумовий термометр // IV науково-технічна конференція “Контроль і управління в технічних системах” (КУТС-97). - м.Винниця. - 1997.

8. Озгович А., Стадник Б., Микитин І. Стан і перспективи розвитку шумової термометрії // IV науково-технічна конференція “Контроль і управління в технічних системах” (КУТС-97). - м. Винниця. - 1997.

Размещено на Allbest.ru

...