Покращення характеристик передачі термошумових сигналів в шумових термометрах

Размещено на http://www.allbest.ru

Державний університет “Львівська політехніка”

Спеціальність 05.11.04 - Прилади та методи вимірювання теплових величин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Покращення характеристик передачі

термошумових сигналів

в шумових термометрах

Озгович Андрій Іванович

ЛЬВІВ - 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному університеті “Львівська політехніка”, Міністерства освіти України шумовий термометр коректуючий сигнал

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Стадник Богдан Іванович.

Державний університет “Львівська політехніка”, зав. каф. “Інформаційно - вимірювальна техніка”

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор

Назаренко Л.А.,

нач. відділу ДНВО “Метрологія”, м. Харків.

кандидат фізико - математичних наук, доцент

Леновенко А.М.,

нач. лабораторії електронних вимірювальних приладів Державного університету ім. Ів. Франка, м. Львів.

Провідна установа:Державний науково - дослідний інститут метрології вимірювальних систем (ДНДІ “Система”), відділ науково-методичних та організаційних засад метрологічного забезпечення вимірювально-інформаційних систем, Держстандарт України, м. Львів.

Захист відбудеться 18 червня 1999р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Державному університеті “Львівська політехніка” (290646, Львів-13, вул. С.Бандери 12, ауд. 226 головного корпусу)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного університету “Львівська політехніка” (290013, Львів-13, вул. Професорська 1).

Автореферат розісланий 15 травня 1999 р.

Вчений секретар

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

Размещено на http://www.allbest.ru

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний рівень технології в багатьох галузях хімічної, авіаційної, електронної промисловості, машинобудуванні передбачає високі вимоги до точності вимірювання температури в складних експлуатаційних умовах, які важко забезпечити при використанні багатьох загальнопромислових засобів вимірювання температури.

Цим зумовлено збільшення числа робіт, присвячених нетрадиційним методам вимірювання температури, одним з яких є шумова термометрія, що базується на відомій залежності середньоквадратичного значення напруги теплового шуму від термодинамічної температури і описується формулою Найквіста. Перші кроки у створенні шумових термометрів були зроблені в 30-х роках. Роботи Джонсона, Найквіста, та інших показали, що шумові термометри мають певні переваги перед традиційними засобами (термоелектричними та терморезистивними термометрами), а саме : шумовий термометр проводить пряме вимірювання термодинамічної температури, покази шумового термометра не залежать від матеріалу, з якого виготовлено первинний перетворювач.

Перспективність шумової термометрії є очевидною при реалізації і відтворенні термодинамічної шкали температури, при проведенні високо та низькотемпературних вимірювань. Новим перспективним напрямком використання шумового термометра є проведення бездемонтажної перевіки існуючих промислових термоперетворювачів опору на об'єктах, що можливе при забезпеченні роботи шумового термометра з низькоомним первинним перетворювачем.

Основна частина наукових робіт з шумової термометрії була спрямована на підвищення метрологічних характеристик вторинної вимірювальної апаратури. Але дослідження останніх років показують, що для підвищення точності вимірювання необхідно забезпечити ефективне зниження тих складових похибок, які виникають в первинних вимірювальних колах. Похибки, що виникають при передачі вимірювального сигналу до входу вимірювального блоку шумового термометра як правило, складають основну частину загальної похибки вимірювання.

Тому дослідження природи вказаних похибок, та створення ефективних методів їх корекції є актуальною задачею сучасних температурних вимірювань, розв`язання якої забезпечить високу ефективність шумової термометрії. Зменшення впливу неінформативних шумових сигналів, дозволить використовувати в якості шумового перетворювача низькоомні резистори, що дасть змогу застосовувати шумовий термометр для бездемонтажної перевірки існуючих термоперетворювачів опору на об'єктах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст дисертаційної роботи складають результати теоретичних і практичних розробок, проведених автором при виконанні робіт згідно з держбюджетними темами “Автоматична верифікаційна система засобів первинної термометрії на базі комп'ютера IBM”, номер державної реєстрації 0196U000183 за 1996 - 1997 роки та “Дослідження нетрадиційних методів та створення засобів вимірювання фізичних величин”, номер державної реєстрації 0196U000677 за 1996 - 1997 роки на кафедрі “Інформаційно - вимірювальна техніка” Державного університету “Львівська політехніка”.

Мета роботи. Зменшення похибки шумового термометра, спричиненої спотворенням інформативного шумового сигналу при його передачі від первинного перетворювача до входу вимірювального блоку термометра.

Наукова новизна роботи :

сформульовано та розв'язано задачу визначення оптимальних параметрів системи первинний перетворювач - лінія зв'язку - вхідні кола вимірювального блоку шумового термометра за критеріями мінімальної похибки і максимальної чутливості при вимірюванні температури шумовим термометром;

виведено функцію перетворення шумового термометра з врахуванням параметрів системи первинний перетворювач - лінія зв'язку - вхідні кола вимірювального блоку шумового термометра;

встановлено залежність похибки вимірювання температури шумовим термометром від ширини частотного діапазону вимірювання та від довжини лінії зв'язку між первинним перетворювачем та входом вимірювального блоку шумового термометра;

розроблено і досліджено математичну модель впливу температурної нестабільності параметрів системи первинний перетворювач - лінія зв'язку - вхідні кола на похибку вимірювання температури шумовим термометром.

Практичне значення роботи :

сформульовано рекомендації щодо оптимального погодження параметрів первинного перетворювача, лінії зв'язку, частотної смуги пропускання вимірювального каналу в залежності від діапазону вимірюваних температур;

запропоновано схеми шумових термометрів з корекцією похибки, спричиненої спотворенням вимірювального сигналу при його передачі до вимірювального блоку та накладанням неінформативних шумових сигналів.

на основі запропонованих методів корекції розроблено алгоритми і програмне забезпечення для розрахунку параметрів системи первинний перетворювач - лінія зв'язку - вхідні кола вимірювального блоку шумового термометра;

запропоновано методику експериментального визначення параметрів системи первинний перетворювач - лінія зв'язку зі сторони вхідних кіл шумового термометра;

запропоновано схеми коректуючих ланок, які забезпечують стійкість вхідних підсилювачів шумового термометра в області високих частот.

Особистий внесок автора. Основна частина теоретичних та експериментальних досліджень, розробка схемних рішень і алгоритмів виконані автором самостійно. Аналіз результатів окремих досліджень проведено у співавторстві згідно наведеного списку літератури.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на 4 міжнародних науково-технічних конференціях :

Metody i technika przetwarzania sygnalow w pomiarach fizycznych. Lwow - 24.11.1995, Rzeszow - 14.12.1995.

I-st INTERNACIONAL MODELING SCHOOL, - Krym Autumn '96, September 12-17, 1996, Alushta, UKRAINE.

IV науково - технічна конференція “Контроль і управління в технічних системах” (КУТС-97), м. Вінниця, 21-23 жовтня 1997 р

Metody i technika przetwarzania sygnalow w pomiarach fizycznych. Lwow-Slavsko 17 -19.06.1998, Rzeszow 26-28.10.1998.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладено у 8 друкованих працях.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, з списку використаних джерел (122 найменування) та 4 додатків. Дисертація містить 148 сторінок машинописного тексту, 62 рисунки, 7 таблиць.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, її зв'язок із науковими програмами та темами, сформульовані мета та задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про реалізацію та впровадження результатів роботи, її апробацію та публікації.

У першому розділі подано огляд сучасного стану досліджень в шумовій термометрії, проведено аналіз структур та алгоритмів роботи існуючих шумових термометрів, визначено переваги та недоліки різних схем. Серед широкої номенклатури проаналізованих методів виділено шумовий термометр прямого вимірювання, оскільки його реалізація вимагає мінімальних апаратних затрат, що забезпечує низьку собівартість.

Проведено аналіз проблем практичної реалізації шумових термометрів прямого вимірювання. Визначено основні джерела похибок шумових термометрів, зокрема похибки первинних перетворювачів та похибки, що виникають при передачі термошумового сигналу від первинного перетворювача до вхідних кіл вимірювального блоку шумового термометра. Проведений порівняльний аналіз існуючих методів зменшення впливу параметрів первинного перетворювача та лінії зв'язку на результат вимірювання показав, що вирішення вказаних проблем є незадовільним. Так, наприклад, вплив параметрів каналу передачі інформативного шумового сигналу на результат вимірювання послаблюється за рахунок використання високоомних первинних перетворювачів (більше 10 кОм). Такий метод не завжди ефективний, оскільки звужує функціональні можливості шумової термометрії, зокрема можливість застосування шумового термометра як засобу перевірки промислових термометрів опору. При використанні ж низькоомних первинних перетворювачів зменшується рівень інформативного сигналу. Його відновлення можливе лише при розширенні смуги робочих частот шумового термометра. В свою чергу, розширення смуги частот накладає жорсткі вимоги на характеристики каналу передачі шумового сигналу. Вирішення цієї проблеми вимагає створення засобів та способів забезпечення ефективної передачі інформативного шумового сигналу від первинного перетворювача до вхідних кіл термометра.

У другому розділі проведено дослідження процесу передачі термошумових сигналів в шумовому термометрі.

Особливістю роботи лінії зв'язку в шумовому термометрі є наявність змінного в часі градієнту температурного поля по довжині лінії зв'язку (Рис.1), що приводить до значних спотворень передавальної характеристики і неможливості використання звичайних ліній зв'язку.

З метою створення еквівалентної схеми каналу передачі термошумового сигналу детально розглянуто параметри та особливості роботи первинного перетворювача, лінії зв'язку, та вхідних кіл вимірювального блоку шумового термометра. Розглянуто різні типи ліній зв'язку на предмет можливості їх використання в шумовій термометрії з огляду на їх температурні властивості. Досліджено залежність параметрів ліній зв'язку від температури, зміну параметрів в наслідок дії поверхневого ефекту та ефекту близькості, вплив скрутки проводів на параметри лінії зв'язку та завадостійкість.

Рис.1 Канал передачі термошумового сигналу.

На основі запропонованої схеми заміщення проведено дослідження роботи системи первинний перетворювач - лінія зв'язку - вхідні кола вимірювального блоку шумового термометра з метою вибору оптимального значення нижньої границі робочої смуги частот. Встановлено, що в пропонованому для вимірювання шумової напруги діапазоні частот 100 КГц - 1 МГц, передавальна характеристика каналу передачі шумового сигналу має значні відхилення від одиничного значення, що призводить до появи додаткової складової похибки вимірювання температури шумовим термометром. Дослідження проводились за допомогою програмного пакету схемотехнічного моделювання MICRO-CAP V.

Як показали результати моделювання каналу передачі шумового сигналу, найбільший вплив на форму передавальної характеристики каналу передачі шумового сигналу мають опір та індуктивність первинного перетворювача, ємність лінії зв'язку та ємність вхідних кіл вимірювального блоку шумового термометра.

Розроблено математичну модель системи первинний перетворювач - лінія зв'язку - вхідні кола вимірювального блоку шумового термометра з врахуванням температурної залежності параметрів елементів системи. Виведено передавальну функцію з врахуванням спотворення термошумового сигналу в лінії зв'язку при фіксованій нижній межі частотного діапазону 100 кГц, та при зміні ширини частотного діапазону.

Виведена залежність похибки вимірювання температури при фіксованій нижній межі частотного діапазону від ширини робочої смуги (Рис.2.), доводить необхідність введення корекції передавальної функції каналу передачі шумового сигналу первинного перетворювача - лінії зв'язку -вхідні кола шумового термометра, оскільки при розширенні робочої смуги частот понад 1 МГц похибка сягає 10% і більше.

Рис.2 Похибка вимірювання температури при розширенні частотного діапазону.

Рис.3 Залежність похибки вимірювання температури від ширини частотного діапазону вимірювання та від довжини лінії зв'язку.

Виведено залежність похибки вимірювання температури шумовим термометром від ширини частотного діапазону вимірювання та від довжини лінії зв'язку між первинним перетворювачем та входом вимірювального блоку шумового термометра (Рис.3). Зміна довжини лінії зв'язку розглядалась від 1 до 30 метрів. Значення всіх первинних параметрів лінії зв'язку безпосередньо залежать від довжини лінії зв'язку, тому таке дослідження дозволяє врахувати комплексний вплив відразу багатьох параметрів системи первинний перетворювач - лінія зв'язку - вхідні кола вимірювального блоку шумового термометра на похибку вимірювання температури.

Дослідження впливу зміни параметрів системи первинний перетворювач - лінія зв'язку - вхідні кола вимірювального блоку шумового термометра на результати вимірювання температури (Рис.4) показали, що домінуючий вплив на похибку вимірювання температури мають: зміни опору первинного перетворювача, індуктивності лінії зв'язку, ємності лінії зв'язку.

З проведених досліджень видно, що питання розробки методів компенсації впливу параметрів системи первинний перетворювач - лінія зв'язку - вхідні кола вимірювального блоку на результат вимірювання температури шумовим термометром має вирішальне значення для

забезпечення високих метрологічних характеристик шумового термометра в цілому.

Рис.4 Залежність похибки вимірювання температури від зміни параметрів системи первинний перетворювач - лінія зв'язку - вхідні кола вимірювального блоку шумового термометра на 10% при зміні ширини частотної смуги.

Аналіз процесів передачі шумового сигналу в системі, на основі розробленої математичної моделі, дозволяє визначити основні шляхи оптимізації каналу передачі шумового сигналу з метою досягнення максимальної чутливості і мінімальної похибки вимірювання температури.

У третьому розділі розглянуто способи мінімізації похибок шумового термометра, спричинених спотворенням вимірювального сигналу при його передачі.

Досліджувану систему, що складається з первинного перетворювача, лінії зв'язку, вхідних кіл вимірювального блоку, можна подати через передавальні функції вузлів. Рис.5, оскільки вона є лінійною,

Рис.5 Канал передачі шумового сигналу.

Вихідна напруга цієї системи, що вимірюється шумовим термометром описується наступним виразом :

(1)

де UШ(p,TX) - зображення шумового сигналу, що генерується термошумовим перетворювачем.

UВХ(p) - зображення шумового сигналу, що вимірюється шумовим термометром;

HПП(p,TX) - передавальна функція первинного перетворювача;

HЛЗ(p,T(l)) - передавальна функція лінії зв'язку;

HВХ(p) - передавальна функція вхідних кіл вимірювального блоку шумового термометра.

Для забезпечення оптимальної передачі інформативного сигналу від первинного перетворювача до вхідних кіл термометра необхідно забезпечити виконання наступної умови :

(2)

Для зменшення складової похибки, спричиненої передачею вимірювального сигналу запропоновано ввести в схему шумового термометра додаткову ланку (Рис.6), передавальна функція якої забезпечила б рівність вхідної напруги вимірювального блоку шумового термометра і напруги, що генерується первинним перетворювачем згідно формули Найквіста.

Рис.6 Структурна схема вимірювального тракту шумового термометра з введеною коректуючою ланкою

Запропоновано структуру та методику визначення параметрів елементів вказаної коректуючої ланки.

Для зменшення похибки вимірювання температури, зумовленої передачею термошумового сигналу, запропоновано використати схему шумового термометра (Рис.7) з алгоритмічною корекцією. Для такої схеми, при створені шумового термометра, визначаються передавальні функції термошумового перетворювача і лінії зв'язку. Після перетворення підсиленого термошумового сигналу в цифровий код, за допомогою швидкого перетворення Фур'є і перемноження отриманого спектру виміряного спотвореного шумового сигналу на відомі передавальні функції первинного перетворювача та лінії зв'язку, отримуємо шумову напругу без спотворень, спричинених передачею шумового сигналу. Після цього здійснюється цифрова фільтрація, інтегрування та обрахунок температури за формулою Найквіста.

Рис.7 Структурна схема шумового термометра з алгоритмічною корекцією похибки

де Rш - первинний перетворювач;

ЛЗ - лінія зв'язку;

АЦП - аналого-цифровий перетворювач;

DSP - процесор цифрової обробки сигналів.

Розроблено ряд рекомендацій щодо оптимального вибору розрядності аналого-цифрового перетворювача, частоти дискретизації та тривалості вибірки для швидкого перетворення Фур'є. Описаний метод є досить складний в реалізації, однак дозволяє суттєво зменшити складову похибки вимірювання температури шумовим термометром, спричинену впливом параметрів первинного перетворювача та лінії зв'язку, що, в свою чергу забезпечує можливість його використання при побудові ,шумового термометра відтворення термодинамічної шкали температур. Та для перевірки промислових термоперетворювачів опору.

Запропоновано методику визначення параметрів первинного перетворювача та лінії зв'язку, що необхідні для реалізації вищевказаних способів корекції. Суть цієї методики полягає в скануванні системи первинного перетворювача лінії зв'язку вхідні кола шумового термометра тестовими сигналами різних частот зі сторони вторинного засобу вимірювання з наступною ідентифікацією параметрів системи на основі аналізу її відповідної реакції (рис. 8) В роботі наведено результати досліджень конкретних систем за вказаною методикою.

Рис.8 Схема для визначення параметрів первинного перетворювача.

деПП - первинний перетворювач з комплексним опором ZП(p)

ЛЗ - лінія зв'язку з передавальною функцією HЛ(p)

R0 - зразковий опір

ВБ - вимірювальний блок шумового термометра

Г - генератор тестового сигналу.

Для зменшення впливу власних шумів каналу передачі на результат вимірювання температури запропоновано об'єднати розроблені методи з кореляційною схемою вхідного підсилювача.

Схеми шумових термометрів для реалізації структурного та алгоритмічного способів корекції передавальної функції системи первинний перетворювач - лінія зв'язку - вхідні кола вимірювального блоку шумового термометра для кореляційного підсилювача зображено на Рис.9. та Рис.10.

Рис.9 Схема структурної корекції для кореляційного підсилювача.

де Rш - первинний перетворювач;

Uш(p) - термошумовий сигнал, що генерується первинним перетворювачем;

ЛЗ - лінія зв'язку;

КЛ - коректуюча ланка;

- підсилювач;

СФ - смуговий фільтр;

Х - перемножувач;

? - інтегратор;

Рис.10 Схема реалізації алгоритмічної корекції для кореляційного підсилювача.

Ефективність наведених схем доводять як теоретичні, так і чисельні експериментальні дослідження.

У четвертому розділі подано результати експериментальних досліджень запропонованих схем та їх порівняння з результатами моделювання.

Створено вхідний підсилювач з запропонованою коректуючою ланкою, побудованою у відповідності до кількох типів ліній довжиною 10 м. Вхідний підсилювач реалізовано на базі широкосмугового операційного підсилювача типу LT1028 фірми Linear Technology. Введення запропонованої коректуючої ланки дозволило збільшити значення верхньої частоти робочого діапазону до 1,2 МГц, і забезпечити при цьому значення складової похибки вимірювання температури, що вноситься при передачі шумового сигналу до входу термометра на рівні 0,01%.

Рис.11 Результати експериментальних досліджень коректуючих схем.

Для підвищення стійкості схеми було введено додаткову ланку, яка забезпечує затухання шумового сигналу на частотах, вищих за частоту вимірювання. Доцільність введення такої ланки підтверджують і результати моделювання, оскільки в області частот більше 2 МГц спостерігається значна нерівномірність частотної характеристики вхідних кіл. Результати експериментальних досліджень наведено на Рис.11.

Експериментальні дослідження структурного способу корекції проводились як без врахування частотної характеристики первинного перетворювача, так і з її врахуванням. В останньому випадку на вхід кабелю подавалися тестові сигнали, амплітуди яких для кожного значення частоти співвідносились між собою згідно попередньо визначеної передавальної функції первинного перетворювача.

Аналогічно проведено дослідження роботи запропонованої коректуючої ланки і для кореляційної схеми шумового термометра, яка зменшує негативну дію власних шумів лінії зв'язку та підсилювальних елементів вхідних кіл термометра. Вказані дослідження підтвердили ефективнисть запропонованих способів корекції і для кореляційної схеми.

Розроблено алгоритми визначення параметрів первинного перетворювача та лінії зв'язку, корекції їх впливу на результат вимірювання, цифрової фільтрації, перемноження, інтегрування, та обрахунку температури за формулою Найквіста при практичній реалізації корекції з використанням цифрового опрацювання шумового сигналу.

Проведено аналіз сучасних сигнальних процесорів і розглянуто можливості використання мікропроцесора ADSP 21010 фірми Analog Devices для реалізації розробленого алгоритму.

Запропоновано конструкцію лінії зв'язку (Рис.12) яку доцільно використовувати при створенні шумового термометра за кореляційною схемою. Вказана конструкція дозволяє усунути взаємний вплив між лініями, та зменшити вплив зовнішніх електромагнітних полів.

Рис.12 Конструкція лінії зв'язку для шумового термометра.

Запропоновано комплекс рекомендацій по підбору матеріалів для виготовлення лінії зв'язку. Проведено розрахунок оптимального кроку скручування провідників лінії, що забезпечує ефективне зменшення впливу зовнішніх електромагнітних полів.

ВИСНОВКИ

Аналіз структур, алгоритмів роботи і похибок існуючих шумових термометрів показав, що перспективним є шумовий термометр прямого вимірювання, оскільки його реалізація вимагає мінімальних апаратних затрат, що забезпечує низьку собівартість.

Аналіз каналу передачі шумового термометра показав, що при розширенні смуги пропускання домінуючою є складова похибки, зумовлена параметрами первинного перетворювача та лінії зв'язку.

При створенні шумового термометра прямого вимірювання доцільно обмежити верхню межу робочого діапазону частот на рівні 1 МГц, оскільки параметри первинного перетворювача та лінії зв'язку на вищих частотах зумовлюють похибку вимірювання температури більше 20%, а додаткова похибка, зумовлена нестабільністю цих параметрів досягає 2%, що робить неможливим реалізацію шумового термометра з необхідними метрологічними характеристиками.

Запропоновані схеми корекції дозволяють зменшити складову похибки, зумовлену параметрами системи первинний перетворювач - лінія зв'язку - вхідні кола вимірювального блоку шумового термометра до рівня 0,01%.

Встановлено, що введення в шумовий термометр цифрового опрацювання сигналу для фільтрації, визначення параметрів системи первинний перетворювач - лінія зв'язку - вхідні кола вимірювального блоку шумового термометра та корекції їх впливу дозволяє суттєво підвищити точність вимірювання температури, при зменшенні вимог до каналу передачі шумового сигналу.

Розроблена математична модель дозволяє визначити параметри системи первинний перетворювач - лінія зв'язку - вхідні кола вимірювального блоку шумового термометра для забезпечення необхідної похибки вимірювання та чутливості.

На основі отриманої функції впливу температурної нестабільності параметрів системи первинний перетворювач - лінія зв'язку - вхідні кола на похибку шумового термометра визначено умови зменшення додаткової похибки шумового термометра зумовленої нестабільністю температури системи до рівня, що не впливає на сумарну похибку вимірювання температури.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

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

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

Шляхи побудови багатозначних мір опору для перевірки теплотехнічних засобів вимірювання. / Микийчук М.М. Огірко Р.М. Озгович А.І. // Вісник Державного університету “Львівська політехніка” Автоматика, вимірювання та керування, № 356, 1998, с. 117-124.

Стан і перспективи розвитку шумової термометрії / Озгович А, Стадник Б., Микитин І. // “Контроль і управління в технічних системах” (КУТС-97), Книга за матеріалами четвертої науково - технічної конференції м. Вінниця, 21-23 жовтня 1997 р.

Термошумовий термометр / Микитин І., Стадник Б., Озгович А. // “Контроль і управління в технічних системах” (КУТС-97), Книга за матеріалами четвертої науково - технічної конференції м. Вінниця, 21-23 жовтня 1997 р.

Automatyczny zestaw weryfikacyjny na bazie komputera typu IBM PC / A.Ozhowycz // Metody i technika przetwarzania sygnalow w pomiarach fizycznych. Lwow - 24.11.1995, Rzeszow - 14.12.1995.-S149-153.

Система многоточечного контроля температуры. / Б.Атаманчук, А.Озговыч, И.Пытель, Б.Стаднык, К.Брыдак // Metody i technika przetwarzania sygnalow w pomiarach fizycznych. Lwow-Slavsko 17 -19.06.1998, Rzeszow 26-28.10.1998.-S147-150.

Автоматизована система перевірки термоперетворювачів / Б.Стадник, А.Озгович // Proc. of the I-st intern. Modeling school, Alushta, Krym, 12-17 Sept., 1996-Rzeszow, 1996.-S72.

АНОТАЦІЯ

Озгович А.І. Покращення характеристик передачі термошумових сигналів в шумових термометрах. - 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, 1999.

Дисертація присвячена проблемі підвищення точності шумових термометрів, зокрема зменшенню похибок шумового термометра, які виникають при передачі вимірювального термошумового сигналу від первинного перетворювача до вимірювального блоку шумового термометра. Сформульовано рекомендації щодо вибору параметрів первинного перетворювача, типу ліній зв'язку, для різних шумових термометрів в залежності від частотного діапазону, довжини лінії і температурного діапазону. Запропоновано схеми шумових термометрів з корекцією похибки, спричиненої спотворенням вимірювального сигналу при його передачі до вимірювального блоку та накладанням не інформативних шумових сигналів. На основі запропонованих методів корекції розроблено алгоритми і програмне забезпечення для розрахунку параметрів системи. Запропоновано методику визначення параметрів первинного перетворювача. Розроблено методику розрахунку параметрів первинного перетворювача, лінії зв'язку, схем корекції при розробці нових моделей шумових термометрів.

Ключові слова: шумовий термометр, лінія зв'язку, термошумовий перетворювач.

АННОТАЦИЯ

Озгович А.И. Улучшение характеристик передачи термошумовых сигналов в шумовых термометрах. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.04 - приборы и методы измерения тепловых величин. Государственный университет "Львивска политэхника", Львов, 1999.

Диссертация посвящена проблеме повышения точности шумовых термометров, в частности уменьшению погрешностей шумового термометра, которые возникают при передаче измерительного термошумового сигнала от первичного преобразователя к измерительному блоку шумового термометра.

Проведено анализ проблем практической реализации шумовых термометров прямого измерения. Определены основные источники погрешностей шумовых термометров, в частности погрешности первичных преобразователей и погрешности, которые возникают при передаче термошумового сигнала от первичного преобразователя к входным цепям измерительного блока шумового термометра. Проведено сравнительный анализ существующих методов устранения влияния параметров первичного преобразователя и линии связи на результат измерения.

Рассмотрены различные типы линий связи на предмет возможности их использования в шумовой термометрии учитывая их температурные свойства. Исследованы характеристики этих линий, в частности зависимость параметров линий связи от температуры, изменение параметров в последствие действия поверхностного эффекта и эффекта близости, влияние скрутки проводов на параметры линии связи и помехоустойчивость.

Предложено схемы шумовых термометров с коррекцией погрешности, вызванной искажением измерительного сигнала при его передаче к измерительному блоку и наложении не информативных шумовых сигналов. На основе предложенных методов коррекции разработаны алгоритмы и программное обеспечение для расчета параметров системы. Разработан способ определения параметров первичного преобразователя и линии связи со стороны входных цепей шумового термометра.

Предложено объединить разработанные методы с корреляционной схемой входного усилителя. Корреляционный усилитель дает возможность эффективно уменьшить влияние собственных шумов элементов схемы на результат измерения.

Для подтверждения полученных результатов моделирования было создан входной усилитель с предложенным корекирующим звеном, построенной в соответствия до нескольких типов линий длиной 10 м. Введение коректующего звена позволило увеличить значение верхней частоты рабочего диапазона до 1,2 МГц, и обеспечить при этом значение составной погрешности измерения температуры, обусловленной передачей шумового сигнала на уровне 0,01%.

Для повышения устойчивости схемы было введено дополнительное звено, которое обеспечивает затухание шумового сигнала на частотах, высших за частоту измерения. Целесообразность введения такого звена подтверждают и результаты моделирования, поскольку в области частот больше 2 МГц наблюдается значительная неравномерность частотной характеристики входных цепей шумового термометра.

Предложена конструкция линии связи, что которую рекомендуется использовать при создании шумового термометра по корреляционной схеме.

Установлено, что введение в шумовой термометр цифровой обработки сигнала для фильтрации, определение параметров системы первичный преобразователь - линия связи - входные цепи измерительного блока шумового термометра и коррекции их влияния позволяет существенно повысить точность измерения температуры, при уменьшении требований к каналу передачи шумового сигнала.

Разработанная математическая модель позволяет определить параметры системы первичный преобразователь - линия связи - входные цепы измерительного блока шумового термометра для обеспечения необходимой погрешности измерения и чувствительности.

На основе полученной функцию влияния температурной нестабильности параметров системы первичный преобразователь - линия связи - входные цепи на погрешность шумового термометра определены условия уменьшения дополнительной погрешности шумового термометра обусловленной нестабильностью температуры системы к уровню, что не влияет на суммарную погрешность измерения температуры.

Сформулированы рекомендации относительно выбора параметров первичного преобразователя, типа линий связи, для различных шумовых термометров в зависимости от частотного диапазона, длины линии и температурного диапазона.

Ключевые слова: шумовой термометр, линия связи, термошумовой преобразователь.

THE SUMMARY

Ozgovych А. The improvement of the characteristics of thermonoise signals transfer for noise thermometers. - Manuscript.

The on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science behind a speciality 05.11.04 - devices and methods of measurement of thermal values. State university " Lvivska politechnika ", Lviv, 1999.

The dissertation is devoted to a problem of increase the accuracy of noise thermometers, in particular to reduction of errors of the noise thermometer, which because the transfer of a termonoise signal from the sensor to the measuring device. The recommendations concerning a choice of parameters of the sensor, such as communication lines, for various of noise thermometers depending on frequency of a range, length of a line and the temperature range woes formulated. It is offered the circuits of noise thermometers with correction of an error caused by distortion of a measuring signal by the transfer of one to the measuring unit and imposing of not information noise signals. On the basis of the offered methods of correction the algorithms and software for calculation of parameters of system are developed. It is offered a technique of definition of parameters of the primary converter. In new designed models of noise thermometers the technique of calculation of parameters of the sensor, communication line, circuits of correction is developed.

Key words: the noise thermometer, communication line, the thermonoise converter.

Размещено на Allbest.ru