Устройство для измерения температуры

(19) 1)5 6 01 К 7/30 ИЗОБ ЕТЕЛЬСТВУ ИСАНИ ВТОРС рукторское Стадникство СССР., 1973.41,М,. "Мир", 19 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И.ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ57) Сущность изобретения; устройство собюродержит термошуМовой датчик 1, усилители2 - 5, инверторы 6, 7, сумматоры 8, 9, пере- множитель 10, интегратор 11, разностную схему 12, ключ 13, регистратор 14. При равенстве сигналов на выходах сумматоров 8 и 9 ключ 13 замкнут, Выходной сигнал интегратора 11 подается на регистратор 14, Наличие наводок и помех приводит к несим 85, метрии сигналов на входе разностной схемы 12. В случае синфазной йомехи, суммируемой в схеме 12, на ее выходе появляется отличное от нуля напряжение, кото- рое размыкает ключ 13. 1 ил, З1747946 45 50 3Изобретение относится к технике измерения температуры,в частности к устройст- . вам, действие которых основано на измерении шумов теплового возбуждения резисторов, и может быть использовано при измерении темйерэтур веществ, являющихся датчиками этих шумов.Известен способ измерения температуры, устройство для реализации которого содержит термошумовой датчик, два канала усиления напряжения теплового шума в двух различных полосах частот с детекторами, перемножитель, в котором происходит перемножение продетектировайных сигналов, и регистратор.Известно устройство для измерения теплового шума, содержащее термошумовые датчики, избирательные усилители, аналоговый перемножитель, интегратор и регистратор.Наиболее близкйм к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее первый и второй усилители, входы которых соединены с термошумовымдатчиком, перемножитель, интегратор, вход которого подключен к выходу перемножителя, и регистратор.Известное устройство не обеспечивает достаточной точности измерения в широком диапазоне температур. Сложность . состоит в обеспечении равенства сопротивлений, подключенных к инвертируемому и неинвертируемому входам дифференциальных усилителей в каждом из каналов, неравенство которых приводит к неполному подавлению синфазных помех и вызывает погрешность измерения. Другой причиной неточности является погрешность усреднения напряжения шумов теплового возбуждения резйсторов, обусловленная ограниченной полосой усилителей и временем усреднениячто ограничивает диапазон измеряемых температур. Третьей составляющей погрешности является величина дрейфа дифференциальных усилителей, Дополнительный источник погрешности - неполное подавление собственных Шумов . каналов от первичных каскадов усиления на выходе перемножителя, причиной которого служит непосредственная связь входов усилителей, что создает определенную корреляцик 1 собственных шумов входных каскадов, а при использовании корреляционного метода подавляются только некоррелированные шумы. Кроме того, нестабильность параметров усилителей каналов вносит погрешность в процессе измерения.Цель изобретения - повышение точности измерения температуры, а также расширение диапазойэ измеряемых температур. 4Поставленная цель достигается тем, чтов устройство, содержащее первый и второй усилители, входы которых соединены с термошумовым датчиком, перемножитель, ин тегрэтор, вход которого подключен к выходуперемножителя, и регистратор, дополнительно введены третий и четвертый усилители, разностная схема, два инвертора, два сумматора и ключ, вход которого соединен 10 с выходом интегратора, выход подключен крегистратору, а управляющий вход соединен с выходом разностйой схемы, входы которой подключены к выходам сумматоров, соединенных соответственно с входами пе ремножителя, при этом входы третьего ичетвертого усилителей соединены с входами первого и второго усилителей соответственно, входы первого сумматора соединены с выходами первого и третьего усилителей, 20 э входы второго сумматора соединены через инверторы с выходами второго и четвертого усилителей.Величина информативного сигнал шумов теплового возбуждения в каждом из 25 каналов равна сумме сигналов каждого изусилителей, и при их идентичности сигнал на выходе канала удваивается,.а коэффициент преобразования канала составляетКпр.к = 2 Ку, (1) 30 где Кпр., . - коэффициент преобразованияканала;Ку - коэффициейт усиления усилителя, Однако полоса частот, в которой происходит усиление сигнаал, при этом не умень шается, в то время как в канале усиленияизвестного устройства значение Ку определяет полосу частот Ьусиливаемого сигнала, последняя связана со случайной составляющей погрешности измерения температу ры 3 и временем измерения т соотношением З =(2 т Л 1) 1 (2) При том же времени измерения или при увеличении быстродействия устройства уменьшение погрешности из (2) вызывает значительное увеличение Л , Например, уменьшение Я в 10 раэ требует увеличения 1 в 100 раз; Последнее возможно без уменьшения Ку, так как для каждого типа усилите- лей величины Ьи Ку взаимосвязаны и.в силу малости величины информативного сигнала К уменьшен быть не может. В предлагаемом устройстве увеличение усиления канала в два раза не требует уменьшения Л. 1 усилителя, что при той же элементной базе позволяет производить измерения в более широком диапазоне частот и, соответственно, уменьшает величину погрешности,Кроме того, неинформативный сигналсобственных шумов усилителей в силу некоррелированности их случайных процес. сов не складывается, а следовательно, и неудваивается на выходе сумматора, что улучшает отношение сигнал/шум. В аналогичных условиях находится дрейф в канале иизменение Кпр,к, на выходе канала в силуслучайного характера составляющих их слагаемых,Наличие сумматоров не решает поставленную задачу, если не было бы подключенопо инвертору к выходам усилителей другогоканала, так как систематическая составляющая погрешности О от собственных шумовканала уменьшается лишь в результатеквадратирования информативного сигналана выходе перемножителя, так как в процессе перемножения некоррелированные сигналы собственных шумов усилителей вкорреляционной схеме существенно подавляются,В то же время наличие инверторовпозволяет развязать входы усилителейразличных каналов в корреляционной.схеме, что уменьшает корреляцию собственныхшумов каналов усиления, составлящую отсобственных шумов на выходе перемножителя, а следовательно, и составляющуюсистематической погрешности измерения,В корреляционной схеме с помощьюинверторов при наличии разностной схемыи ключа устраняется влияние наводок и синфазных помех каналов в каналах корреляционной схемы на результат измерений,что расширяет диапазон измерения в сторону низких температур, последнему способствует также улучшеное отношения.сигналшум.Новые связи известных элементов обусловливают такое свойство устройства, какуменьшение влияния нестабильности коэффициентов усиления и напряжения дрейфаКаждого иэ усилителей каналов, устранениевлияния на результат измерения синфазного сигнала помехи, уменьшение составляющйх погрешности измерения, что даетвозможность расширить диапазон измеряемых температур и повышает точность измерения, так как в результате уменьшаетсясуммарная погрешность измерения температуры, определяемая известным соотношением где Л - суммарная методическая погрешность измерения температуры;ОЯ - соответственно систематическая и случайная составляющие погрешности.На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства для измерения температуры,На схеме обозначены: 1 - термошумо-. вой датчик, 2 - 5 - идентичные усилители; 6 и 7 - инверторы, 8 и 9 - двухвходовые сумматоры; 10 - перемножитель; 11 - интегратор; 10 выхода датчика 1 подключен к входам усилителей 4 и 5, выходы которых через инверторы 6 и 7 соединены с входами двухвходового сумматора 9, Выходы сумматоров 8 и 9 подключены к входам перемно 20 жителя 10 и входам разностной схемы 12, выход которой соединен с ключом 13, Выход перемножителя 10 подключен к входу интегратора 11, вь 1 ход которого через ключ 13 соединен с регистратором 14,25 Устройство для измерения температуры работает следующим образом,Напряжение шумов теплового возбуждения резисторов термошумового датчика 1 поступает одновременно на входы идентич 30 ных усилителей 2, 3 и 4, 5, На сумматор 8 поступают информативные сигналы с выходов усилителей 2 и 3. В сумматоре 8 информативные сигналы с выходовусилителей 2 и 3 складываются, На выходе сумматора 8 присутствует сигнал, представляющий собой смесь двух сигналов. Первый равен сумме усиленных усилителей 2 и 3 информативных шумов теплового возбуждения датчика 1, второй - смеси статистически 40 независимых собственных шумов усилите- лей, которые в силу их случайного характера не суммируются, Сигнала на выходе сумматора 9 состоит из аналогично усиленного усилителями 4 и 5 информативного шума датчика 1 и собственных шумов усилителей4 и 5, Благодаря наличию ичверторов 6 и 7,короелированные сигналы на выходах сумматоров 8 и 9, обусловленные шумами теплового возбуждения термошумового датчика 1, синфазны, а сигналы наводок и помех находятся в противофазе. Сигналы с выходов сумматоров 8 и 9 поступают на вход перемножителя 10, в котором осуществляется перемножение коррелированных сигналов информативных шумов теплового возбуждения датчика 1 и подавление статически независимых собственных шумов усилителей 2, 3 и 4, 5. Выходной сигнал перемножителя 10 поступает на вход интегрирующего устройства 11, в котором осуще 12 - разностная схема, 13 - ключ; 14 - регистратор. В устройстве выходдатчика 1 подключен одним. концом к входам усилителей 2 и 3, выходы которых соединены с входами 15 двухвходового сумматора 8. Второй конец1747946 Состтагвитвль А. МанченкоТехред ММоргентэл Корректор Н.Слободяник Редактор А, Ргар. ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 313035, Москва, Ж.35, раушскве набагб Производственноивдатеавскид коибинат "Патент", г. укггород, ус Гагарина, 101 гсствлкяется"его"статЖтйчсеское сглаживание,С выхода интегратора 11 сигнал поступаетна ключ 13. Одновременнор входные сигналы перемножителя подаются на вход разностной схемы 12, выходной сигнал которой 5управляет работой ключа 13, Выходной сигнал интегратора 11 подается на регистратор14. При этом возможнйдва случая.Во-первых, сигналы с выхода сумматоров идентичны (таковыми являются тепловые шумы датчика). На выходе разностнойсхемы напряжение равно нулю, клюбч зам. кнут, на регистратор поступает выходнойсйгнал интегратора,Во-вторых, сигналы с выхода сумматоров не идентичны (таковыми являются на. пряжения наводок и помех, совпадаюсщие инесовпадающие во времени импульсныешумы каналов), На выходе разностнойсхемы напряжение отлично от нуля, ключ 20разомкнут и регистратор отключен, следовательно, сигнал не регистрируется.Таким образом, при равенстве измеряемых сигналов, а только такой режим соответствует режиму измерения, ключ 13 25пропускает информативный сигнал на реги. стрирующее устройствО (регистратор 14),Наличие"нэводок и помех приводит к несимметрии сигналов на входе разностнойсхемы; в случае синфазной помехи, суммируемой в разностной схеме 12, на ее выходепоявляется отличное от нуля йапряжение,размыкающее ключ 13, в результате чегоинформативный сигнал не регистрируется,.чтоустраняет влияние наводок и.синфазных 35помех напроцесс:измеренйя.Два идентичных усилителя в каждом изканалов при примерном равенстве их коэффициентов передачи дают положительныйэффект в результате суммирования усиливаемого информативного сигнала и несуммирования дрейфов, собственных шумов и,соответственно, нестабильности коэффициентов передачи как случайных величин, в результате чего соотношение сигнал/шумувеличивается приблизительно в двэ раза, а нестабильность практически остается без изменений, При тех же параметрах усилителей отношение сигнал/шум в измерительном канале увеличивается примерно в два раза, что обесйечивает соответствующею уменьшение минимально регистрируемой температуры. В то же время составляющая погрешности измерения, являющаяся основной методической погрешностью измерения,с учетом того, что полоса пропуска ния увеличивается в два раза, уменьшается в 2 раз и, соответственно, в 2 повышается точность метода измерения. Формула изобретенияУстройстводля измерения температуры, содержащее первый и второй усилители, входы которых соединены с термошумовымдатчиком, перемножитель, интегратор, вход которого подключен к выходу перемножителя, й регистратор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены третий и четвертый усилители, разностная схема, два инвертора,- два сумматора и ключ, вход которого соединен с выходом интегратора, выход подключен к регистратору. а управляющий вход соединен с выходом разностной схемы, входы которой подключены к выходам сумматоров, соединенных соответственно с входами перемножителя, при этом входы третьего и четвертогоусилителей соединены с входами пеРвого и второго усилителей соответственно, входы .первого сумматора. соединены с выходами первого и третьего усилителей, а входы второго сумматора соединены.через инверторы с выходами второго и четвертого усилителей,