СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕКТОВ НА СВЧ С ПРИМЕНЕНИЕМ РАДИОМЕТРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01J5/52 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике, в частности к технике измерения интенсивности теплового радиоизлучения объектов, и может быть использовано в медицинской практике.

Известен радиотермометр [1] , с помощью которого реализуется известный способ измерения физической температуры объектов на СВЧ [2]. Однако известный радиотермометр [1] имеет сложную структурную схему и сложен в изготовлении и настройке.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению, принятым за прототип, является способ измерения физической температуры объектов на СВЧ с помощью модуляционного радиометра и устройство (радиотермометр) для его осуществления [3]. По известному способу [3] после калибровки по внешним калибровочным источникам устройства для осуществления способа к объекту направляют антенну для формирования на ее выходе шумового сигнала от объекта, формируют первый вспомогательный шумовой сигнал, формируют и через антенну подводят постоянно к объекту второй вспомогательный шумовой сигнал, сигнал с выхода антенны и первый вспомогательный шумовой сигнал подводят к первому и второму входам радиометра соответственно, причем уровни шума первого и второго вспомогательных сигналов автоматически регулируются проинтегрированным выходным напряжением радиометра, которое измеряют и которое пропорционально физической температуре объекта.

Устройство для осуществления известного способа [3] содержит (фиг. 1) управляемый генератор 1 шума (ГШ1), последовательно соединенные антенну 2, направленное устройство 3, модуляционный радиометр 4, выход которого подключен ко входу управления ГШ1. Выходы ГШ1 подключены - первый выход через первый регулируемый СВЧ- аттенюатор 5 ко второму входу направленного устройства 3, а второй выход через второй регулируемый СВЧ-аттенюатор 6 - ко второму входу радиометра 4. Радиометр 4 содержит последовательно соединенные управляемый переключатель 7, преобразователь 8 сигналов (содержит последовательно соединенные приемное устройство 9 и интегратор 10) и регистратор 11. Входы переключателя 7 являются первым и вторым входами радиометра 4; второй выход приемного устройства 9 соединен с входом управления переключателя 7. Выход радиометра 4 является выходом интегратора 10, соединенным с входом регистратора 11.

Известное устройство (фиг. 1), реализующее известный способ измерения [3], работает следующим образом.

Антенна 2, направленная к объекту (на фиг. 1 не оказан), воспринимает излучаемое объектом радиоизлучение теплового происхождения и формирует на своем выходе шумовой сигнал в СВЧ-диапазоне. Этот сигнал, пройдя через трехпортовое направленное устройство 3 (например, циркулятор), в соответствии с известным принципом работы модуляционного радиометра [4], периодически, попеременно с низкой частотой модуляции F_о поступает через переключатель 7 на вход приемного устройства 9. В приемном устройстве 9 шумовой СВЧ-сигнал усиливается, детектируется, усиливается и синхронно детектируется на частоте F_о, поступает в интегратор 10 и в виде напряжения постоянного тока U₁ подается в регистратор 11 для регистрации и на вход управления ГШ1. Управляемый СВЧ шумовой сигнал ГШ1 через аттенюатор 6 поступает на второй вход переключателя 7, выполняющего роль сравнивающего устройства в замкнутой следящей системе автоматического регулирования (САР) с отрицательной обратной связью (узлы 7-10, 1, 6).

Входным воздействием для следящей САР служит сигнал на первом входе радиометра 4. При достаточно большом коэффициенте передачи разомкнутой САР СВЧ шумовой сигнал на выходе аттенюатора 6 (первый вспомогательный шумовой сигнал) в замкнутой САР практически равен входному воздействию. При линейной зависимости мощности шумового сигнала ГШ1 от управляющего напряжения напряжение сигнала ошибки САР U₁ пропорционально мощности шума входного воздействия. В соответствии с известной формулой Найквиста мощность шумового сигнала также связана с его температурой пропорциональной зависимостью. Мощность входного воздействия САР равна сумме мощностей двух шумовых сигналов. Мощность одного из них, сигнала излучения от объекта, пропорциональна его яркостной температуре T_я = T_ф•E, где T_ф и E - физическая температура и излучательная способность объекта соответственно. Другой сигнал образуется после прохождения сигнала с выхода аттенюатора 5 (второй вспомогательный сигнал) через направленное устройство 3 и антенну 2 к объекту, отражения от него и поступления отраженного сигнала на первый вход радиометра 4. Аттенюаторы 5 и 6 в известном устройстве регулируются так, чтобы температура отраженной части второго вспомогательного шумового сигнала была равна T_от = T_фR=T_ф(1-E), где R - коэффициент отражения (по мощности) объекта при направлении на него антенны 2. Тогда мощность входного воздействия (а также мощность первого и второго вспомогательных сигналов) и напряжение сигнала ошибки U₁ будут пропорциональны физической температуре объекта T_ф.

Для того, чтобы привести напряжение U₁ в соответствие с измеряемой температурой T_ф в известном устройстве [3], перед измерением производится его калибровка по внешним калибровочным источникам. Эта калибровка состоит в измерении мощности теплового радиоизлучения двух калибровочных источников с известными температурами, которым соответствуют два показания, отмечаемые регистратором 11.

Известные способ измерения и устройство (радиометр) для его осуществления обладают следующими недостатками: сложность процесса измерения и устройства, большая погрешность измерения и ограниченные функциональные возможности.

Сложность процесса измерения вызвана необходимостью проведения многократной калибровки по внешним калибровочным источникам при выполнении разнесенных по времени измерений в рабочих условиях эксплуатации. В качестве внешних калибровочных источников излучения с известными температурами используются два термостатированных сосуда с водой, которые отделены от антенны радиотермометра тонкой диэлектрической пленкой [5]. Такой внешний калибровочный источник представляет собой высокоточный прибор, подлежащий периодической метрологической аттестации в органах Госстандарта и требующий соответствующей высокой квалификации оператора. Стоимость такого источника приближается к стоимости радиотермометра. Кроме того, оперативная калибровка по внешнему источнику, например, в условиях медицинского учреждения (в больничной палате, операционной, кабинетах поликлиник) сопряжена с рядом неудобств: необходимостью постоянно иметь на рабочем месте дополнительный прибор, требующий тщательного ухода, большие затраты времени на калибровочные операции, возможности появления ошибок в условиях дефицита времени и т.д.

При отказе от частой калибровки в рабочих условиях эксплуатации может увеличиваться погрешность измерения, в частности, из-за изменения температуры антенны и СВЧ- кабеля для ее подсоединения к радиометру. Можно показать, что в этом случае изменение, например, на 3 град.C температуры антенны с кабелем, характеризующееся суммарными потерями на СВЧ в 1 дБ, приведет к увеличению неучтенной погрешности на 0,6 град.C. Кроме того, отказ от частой калибровки ограничивает функциональные возможности известных способа измерения и устройства для его осуществления: отсутствует возможность оперативной проверки метрологических характеристик устройства и возможность оперативной замены одного типа антенны на другой тип антенны, отличающейся от первой своими диагностическими возможностями и СВЧ-характеристиками.

Сложность известного устройства [3] обусловлена, кроме того, сложными по конструкции СВЧ-аттенюаторами с механической регулировкой ослабления, снижающей стабильность их параметров во времени. Необходимость иметь ГШ1 с двумя выходами предполагает наличие дополнительного СВЧ-узла - делителя мощности. Усложнение конструкции наглядно демонстрирует описание реального устройства [1] для осуществления известного способа [2, 3].

Заявленное техническое решение направлено на упрощение процесса разнесенных по времени измерений физической температуры объектов и самого устройства (радиотермометра) для ее измерения.

Сущность заявленного технического решения заключается в том, что, по способу измерения физической температуры объектов на СВЧ с применением радиометра, включающему разнесенные по времени измерения, по которому для каждого измерения к объекту направляют антенну для формирования на ее выходе шумового сигнала от объекта, формируют первый вспомогательный шумовой сигнал, на время измерения физической температуры формируют и через антенну подводят к объекту второй вспомогательный шумовой сигнал, сигнал с выхода антенны и первый вспомогательный шумовой сигнал подводят к первому и второму входам радиометра соответственно, уровень шума первого и второго вспомогательных сигналов регулируют проинтегрированным напряжением радиометра, которое измеряют, калибровку по внешним калибровочным источникам выполняют единожды перед разнесенными по времени измерениями проинтегрированного напряжения радиометра от объектов и результаты ее запоминают на длительное время, а физическую температуру объектов вычисляют по результатам измерений проинтегрированного напряжения радиометра с учетом запоминаемых результатов калибровки; при этом в устройство для осуществления способа, содержащее управляемый генератор шума и последовательно соединенные антенну, направленное устройство и радиометр, введены блок кодовых переключателей, первый резистор, подключенный к входу управления генератора шума, и последовательно соединенные второй резистор, соединительный элемент и второй управляемый генератор шума, выход которого подключен ко второму входу направленного устройства; выход первого генератора шума подключен ко второму входу радиометра, первый выход которого подключен ко входам первого и второго резисторов, а выход блока кодовых переключателей подключен к третьему входу радиометра.

Первый частный случай выполнения заявленного технического решения направлен на уменьшение погрешности разнесенных по времени измерений физической температуры объектов и расширение функциональных возможностей.

Сущность первого частного случая выполнения заявленного технического решения заключается в том, что по заявленному техническому решению после калибровки по внешним калибровочным источникам выполняют калибровку по внутреннему калибровочному источнику, результаты которой запоминают и используют при вычислении физической температуры объекта.

Второй частный случай выполнения заявленного технического решения так же, как и первый частный случай, направлен на уменьшение погрешности разнесенных по времени измерений физической температуры объектов и расширение функциональных возможностей.

Сущность второго частного случая заключается в том, что по заявленному техническому решению и по его первому частному случаю непосредственно после калибровки по внешним калибровочным источникам выполняют калибровку по внутреннему источнику, при этом антенну отключают, обеспечивают задаваемое отражение от входа устройства, реализующего способ измерения, через него к его входу подводят третий и четвертый вспомогательные шумовые сигналы заданных уровней и измеряют проинтегрированные напряжения радиометра, соответствующие отраженным сигналам; ко входу устройства, реализующего способ измерения, вновь подключают антенну, обеспечивают задаваемое отражение от ее входа, через нее к ее входу подводят третий и четвертый вспомогательные шумовые сигналы и измеряют проинтегрированные напряжения радиометра, соответствующие отраженным сигналам; результаты измерения проинтегрированных напряжений радиометра от всех четырех отраженных сигналов запоминают на длительное время, после чего третий и четвертый вспомогательные сигналы отключают; непосредственно перед измерением проинтегрированного напряжения радиометра от объекта выполняют калибровку по внутреннему источнику с подключенной антенной, для чего обеспечивают задаваемое отражение от ее входа, через нее к ее входу подводят третий и четвертый вспомогательные шумовые сигналы, измеряют проинтегрированные напряжения радиометра, соответствующие отраженным сигналам, результаты измерений запоминают по крайней мере на время измерения объекта, после чего третий и четвертый вспомогательные сигналы отключают; при этом в устройство для осуществления заявленного технического решения введены последовательно соединенные источник постоянного тока с двумя выходами и управляемый переключатель, выход которого подключен ко второму входу соединительного элемента, выполненного в виде управляемого переключателя, причем входы управления управляемого переключателя и управляемого переключателя соединительного элемента подключены соответственно к первому и второму дополнительным выходам радиометра, первый вход соединительного элемента является первым входом его управляемого переключателя, выход которого является выходом соединительного элемента, второй вход которого является вторым входом его управляемого переключателя.

Третий частный случай выполнения заявленного технического решения направлен на дальнейшее расширение функциональных возможностей.

Сущность третьего частного случая заключается в том, что по второму частному случаю выполнения заявленного технического решения непосредственно перед калибровкой по внутреннему источнику с подключенной антенной, проводимой непосредственно перед измерением проинтегрированного напряжения радиометра от объекта, антенну заменяют другой.

Четвертый частный случай выполнения заявленного технического решения направлен на дальнейшее расширение функциональных возможностей.

Сущность четвертого частного случая заключается в том, что по заявленному техническому решению и по его первому, второму и третьему частным случаям измерение объекта выполняют путем проведения двух последовательных измерений проинтегрированного напряжения радиометра от объекта, по результатам которых с учетом результатов калибровки по внешним и внутреннему источникам вычисляют температуру и излучательную способность объекта, при этом в устройстве для осуществления первого, второго или третьего частных случаев выполнения заявленного технического решения его соединительный элемент выполнен в виде последовательного соединения первого и второго управляемых переключателей, входы управления которых подключены соответственно ко второму и третьему дополнительным выходам радиометра, второй вход соединительного элемента является вторым входом первого управляемого переключателя, выход которого является выходом соединительного элемента, первый вход которого является входом второго управляемого переключателя.

На фиг. 1 представлена структурная схема известного устройства для осуществления известного способа измерения физической температуры объекта на СВЧ, где 1 - генератор шума, 2 - антенна, 3 - направленное устройство, 4 - модуляционный радиометр, 5, 6 - регулируемые аттенюаторы СВЧ, 7 - управляемый переключатель, 8 - преобразователь сигналов, 9 - приемное устройство, 10 - интегратор, 11 - регистратор.

На фиг. 2 представлена структурная схема предлагаемого устройства для осуществления заявленного технического решения, где 1 - генератор шума, 2 - антенна, 3 - направленное устройство, 4 - модуляционный радиометр, 5 - управляемый переключатель, 6 - преобразователь сигналов, 7 - приемное устройство, 8 - интегратор, 9 - регистратор, 10 - блок кодовых переключателей, 11, 12 - резисторы, 13 - соединительный элемент, 14 - генератор шума.

На фиг. 3 представлена структурная схема предлагаемого устройства для осуществления первого, второго и третьего частных случаев выполнения заявленного технического решения, где цифрами 1-14 обозначены такие же узлы, как на фиг. 2, 15 - источник постоянного тока, 16 - управляемый переключатель.

На фиг. 4 представлена структурная схема предлагаемого устройства для осуществления четвертого частного случая выполнения заявленного технического решения, где цифрами 1-16 обозначены такие же узлы, как на фиг. 3, 17, 18 - управляемые переключатели.

На фиг. 5 представлена структурная схема регистратора предлагаемых устройств, где 19 - аналого-цифровой преобразователь со схемой его управления, 20 - программируемый порт ввода/вывода, 21 - узел центрального процессора с буферным регистром адреса, 22 - постоянное запоминающее устройство, 23 - оперативное запоминающее устройство, 24 - узел формирования цифровой индикации, 25 - цифровой индикатор, 26 - узел кнопочного управления прибора, 27 - дешифратор кодовых переключателей с буферным регистром хранения данных.

Предлагаемое устройство для осуществления заявленного технического решения содержит (фиг. 2) управляемый генератор 1 шума (ГШ1) и последовательно соединенные антенну 2, направленное устройство 3 и радиометр 4 (например, модуляционный). Точно так же, как в устройстве прототипа, радиометр 4 содержит последовательно соединенные управляемый переключатель 5, преобразователь 6 сигналов (содержит последовательно соединенные приемное устройство 7 и интегратор 8) и регистратор 9. Входы переключателя 5 являются первым и вторым входами радиометра 4, третий вход которого является вторым входом регистратора 9. Кроме того, в предлагаемое устройство (фиг. 2) введены блок 10 кодовых переключателей, первый резистор 11, подключенный к входу управления ГШ1, и последовательно соединенные второй резистор 12, соединительный элемент 13 и второй управляемый генератор 14 шума (ГШ 14), выход которого подключен ко второму входу направленного устройства 3. Выход ГШ1 подключен ко второму входу радиометра 4, первый выход которого, являясь выходом интегратора 8 и первым входом регистратора 9, подключен ко входам первого и второго резисторов 11, 12. Выход блока 10 кодовых переключателей подключен к третьему входу радиометра 4 (ко второму входу регистратора 9).

Такие узлы и блоки устройства (радиотермометра) (фиг. 2), как антенна 2, направленное устройство 3 (например, ферритовый циркулятор), узлы радиометра 4: переключатель 5 (выполненный, например, на пин-диодах), приемное устройство 7 (включающее в себя узлы СВЧ усиления и детектирования, генерации импульсов типа "меандр" с частотой модуляции F_о, усиления и синхронных фильтрации и детектирования на частоте F_о и другие вспомогательные узлы) и интегратор 8 (выполненный, например, с помощью операционного усилителя) могут быть выполнены точно так же, как в прототипе. Поэтому возможность их выполнения не вызывает сомнений.

ГШ1, ГШ14 могут быть выполнены, как в прототипе, на лавино-пролетном диоде (ЛПД), мощность собственных шумов которого линейно связана с управляющим напряжением. Еще более упростить радиотермометр позволяет применение ГШ1, ГШ14 в виде миниатюрного нагреваемого током резистора, один из которых (ГШ 14) одновременно выполняет функцию сопротивления нагрузки для второго входа направленного устройства 3.

Блок 10 представляет собой набор механических кодовых переключателей электрических сигналов, применяемых в радиоизмерительной технике. Резисторами 11, 12 могут служить, например, резисторы C2-29. Соединительным элементом 13 может служить простое соединение резистора 12 с резистором ГШ14.

Регистратор 9 может быть построен на базе элементов, микросхем и больших интегральных схем (БИС) цифровой и вычислительной техники. На фиг. 5 представлена структурная схема одного из возможных вариантов выполнения регистратора 9 в предлагаемом радиотермометре. Она содержит аналого-цифровой преобразователь 19 (АЦП 19) со схемой его управления, программируемый порт 20 ввода/вывода цифровой информации, узел 21 центрального процессора с буферным регистром адреса для разделения адреса и шины данных (в случае использования микропроцессора типа 8085, у которого 8 младших разрядов адреса совпадают с 8 разрядами шины данных) и дешифратором для управления и выбора памяти, постоянное запоминающее устройство 22 (ПЗУ 22) для хранения программного обеспечения, оперативное запоминающее устройство 23 (ОЗУ 23) для оперативной поддержки программного обеспечения, а также для запоминания результатов измерения и вычисления, узел 24 формирования цифровой индикации с цифровым индикатором 25, узел 26 кнопочного управления радиотермометром и дешифратор 27 кодовых переключателей с буферным регистром хранения данных. Первый вход регистратора является входом АЦП 19; дополнительные выходы регистратора 9 являются выходами программируемого порта 20, а второй вход регистратора 9 (шина передачи данных от блока 10 с проводником для сигнала опроса) является входами/выходами дешифратора 27 кодовых переключателей. Регистратор 9 обеспечивает следующие функциональные возможности радиотермометра:
- управление процессами калибровки и измерений,
- аналого-цифровое преобразование измерительных сигналов, запоминание их в ОЗУ, вычисление физической температуры и излучательной способности объекта,
- вывод результатов вычислений на цифровой индикатор и запоминание их в ОЗУ,
- передачу массива накопленных данных внешнему компьютеру (при необходимости).

В отсутствие измеряемых сигналов от объекта (на фиг. 2 не показан) напряжение U₁ на выходе интегратора 8 равно нулю, а ГШ1, ГШ14 имеют уровни мощности шума, соответствующие постоянной температуре T_р входной части радиотермометра (узлы 1, 3, 5, 14). Входная часть радиотермометра, как это принято в современных высокоточных радиометрах, размещена в термостате вместе с чувствительным и исполнительным элементами системы термостабилизации (на фиг. 2 не показаны). Усилитель этой системы обычно размещается в радиометре 4 (на фиг. 2 также не показан).

Радиотермометр для осуществления предлагаемого технического решения работает следующим образом.

Когда антенна 2 направлена к объекту, она воспринимает радиоизлучение теплового происхождения от объекта и формирует на своем выходе шумовой сигнал в СВЧ-диапазоне. Этот сигнал, пройдя через устройство 3, в соответствии с известным принципом работы модуляционного радиометра [4], периодически, попеременно с низкой частотой модуляции F_о поступает через переключатель 5 на вход устройства 7. В устройстве 7 шумовой СВЧ-сигнал усиливается, детектируется, далее усиливается, фильтруется (синхронно) и детектируется (синхронно) на частоте Fo, поступает в интегратор 8 и в виде напряжения постоянного тока U₁ подается в регистратор 9 и через резистор 11 - на вход управления ГШ1. Управляемый СВЧ шумовой сигнал с выхода ГШ1 поступает на второй вход переключателя 5, выполняющего роль сравнивающего устройства в замкнутой следящей системе автоматического регулирования (САР) с отрицательной обратной связью (узлы 5-8, 11, 1). Входным воздействием для следящей САР служит сигнал на первом входе радиометра 4. При достаточно большом коэффициенте передачи разомкнутой САР СВЧ шумовой сигнал на выходе ГШ1 (первый вспомогательный шумовой сигнал) в замкнутой системе практически равен входному воздействию. Шумовые температуры этих сигналов также практически равны между собой, так как в соответствии с известной формулой Найквиста мощность шумового сигнала связана с его температурой пропорциональной зависимостью. Мощность входного воздействия САР на время калибровки по внешним источникам и измерения физической температуры равна сумме мощностей двух шумовых сигналов. Мощность одного из них, сигнала излучения от объекта, пропорциональна его яркостной температуре T_я = T_фE, где T_ф и E - физическая температура и излучательная способность объекта соответственно. Для создания второго шумового сигнала на время калибровки по внешним источникам и измерения физической температуры формируется и через антенну 2 к объекту подводится второй вспомогательный шумовой сигнал с температурой, практически равной физической температуре объекта T_ф. В предлагаемом радиотермометре это выполняется следующим образом.

Напряжение сигнала ошибки U₁ через резистор 12, соединительный элемент 13 поступает на вход ГШ14, конструктивно идентичный ГШ1. Подбором величины резистора 12 относительно величины резистора 11 при изготовлении радиотермометра добиваются такой мощности шума на выходе ГШ14, чтобы с учетом возможной электрической неидентичности ГШ1 и ГШ14 по уровню шума и потерь шумового сигнала при прохождении его с выхода ГШ14 через устройство 3 и антенну 2 к объекту второй вспомогательный шумовой сигнал имел температуру, практически равную физической температуре объекта T_ф. При достаточно большом коэффициенте передачи в замкнутой САР этот подбор уровней мощностей ГШ1 и ГШ14 не нарушается при изменении измеряемой физической температуры объекта. В таком случае температура отраженной части второго вспомогательного шумового сигнала будет равной T_от = T_фR = T_ф(1-E), где R - коэффициент отражения (по мощности) объекта при направлении на него антенны 2. Тогда мощность входного воздействия (а также мощности первого и второго вспомогательных сигналов) будут пропорциональны физической температуре объекта T_ф. В соответствии с теорией следящей САР при достаточно большом ее коэффициенте передачи между измеряемой разностью температур (T_ф-T_р) и квадратом напряжения сигнала ошибки U₁ (для ГШ в виде нагреваемого током резистора) или напряжением U₁ (для ГШ с линейной зависимостью) практически выполняется пропорциональная зависимость.

По способу заявленного технического решения производят калибровку радиотермометра по двум внешним калибровочным источникам с заданными температурами T₁ и T₂, причем T_р<T₁<T₂. После прогрева радиотермометра и установления температуры его входной части T_р антенну 2 направляют к источнику с температурой T₁. Результат измерения его радиоизлучения получают в виде напряжения на выходе АЦП 19 (фиг. 5), которое отличается от напряжения U₁ лишь масштабным коэффициентом. Это напряжение в регистраторе 9 возводится в квадрат (здесь и далее имеется в виду ГШ с квадратичной зависимостью мощности шума от управляющего напряжения) и в виде значения Q₁ высвечивается на индикаторе 25 (фиг. 5). Затем антенну 2 направляют к источнику с температурой T₂, измеряют его радиоизлучение и квадрат результата измерения в виде значения Q₂ также высвечивают на цифровом индикаторе 25. Значения T₁, T₂, Q₁, Q₂ запоминают на длительное время путем установки в соответствующие положения четырех кодовых переключателей блока 10. Операции калибровки по внешним калибровочным источникам выполняют единожды в процессе производства радиотермометра и повторяют при повторных его поверках через межповерочный интервал времени (не менее года) лишь в необходимых случаях. Для измерения неизвестной физической температуры T_ф антенну 2 направляют к объекту, измеряют его радиоизлучение, получают квадрат результата измерения в виде значения Q_ф и после вычисления в регистраторе 9 по формуле

значение T_ф высвечивают на индикаторе 25.

Упрощение процесса измерения по предлагаемому техническому решению (способу) и упрощение конструкции радиотермометра для их осуществления достигается за счет следующего. Отпадает необходимость оперативной калибровки по внешнему калибровочному источнику - высокоточному прибору, подлежащему периодической метрологической аттестации в органах Госстандарта и требующему высокой квалификации оператора. При этом отпала необходимость включать в комплект радиотермометра внешний калибровочный источник, стоимость которого близка к стоимости радиотермометра. Отпадает необходимость использования в радиотермометре сложных, трудоемких СВЧ- узлов: делителя мощности, регулируемых аттенюаторов, которые при размещении их в термостате с целью получения высокой точности еще более усложнили бы конструкцию.

Предлагаемое устройство для осуществления первого, второго или третьего частных случаев выполнения заявленного технического решения содержит (фиг. 3) устройство для осуществления заявленного технического решения (фиг. 2), в которое дополнительно введены последовательно соединенные источник постоянного тока 15 с двумя выходами и управляемый переключатель 16, выход которого подключен ко второму входу соединительного элемента 13, выполненного в виде управляемого переключателя, причем входы управления управляемого переключателя 16 и управляемого переключателя соединительного элемента 13 подключены соответственно к первому и второму дополнительным выходам радиометра 4, первый вход соединительного элемента 13 является первым входом его управляемого переключателя, выход которого является выходом соединительного элемента 13, второй вход которого является вторым входом его управляемого переключателя.

Источник 15 может быть выполнен на базе стандартных стабилизаторов постоянного напряжения с нестабильностью не более 0,2%.

Переключатели 16, 13 могут быть выполнены с помощью электрически управляемых реле, например, типа РЭС 79.

Предлагаемый радиотермометр (фиг. 3) работает следующим образом. В положении переключателя элемента 13 "1" (устанавливается сигналом управления от регистратора 9) работа его не отличается от работы радиотермометра, выполняемого по схеме фиг. 2. В положении переключателя элемента 13 "3" по способу первого частного случая выполнения заявленного технического решения после калибровки по внешним калибровочным источникам выполняют калибровку по внутреннему калибровочному источнику. С помощью переключателя 16 на вход управления ГШ14 подают от источника 15 заданные нижний E_н или верхний E_в уровни для формирования на выходе ГШ14 соответственно третьего и четвертого вспомогательных шумовых сигналов. Эти сигналы после прохождения их ко входу радиотермометра и отражения от него измеряют, результаты измерения запоминают и используют при вычислении физической температуры объекта.

При этом возможны различные варианты измерений, в том числе по способам второго и третьего частных случаев выполнения заявленного технического решения. По способу второго частотного случая непосредственно после калибровки по внешним калибровочным источникам, в тех же условиях окружающей среды, выполняют калибровку по внутреннему источнику, при этом отключают от входа устройства 3 антенну 2 и обеспечивают, например, полное отражение (холостой ход или короткое замыкание) от входа устройства 3. Через устройство 3 к его входу поочередно подводят третий и четвертый вспомогательные шумовые сигналы, уровни которых заданы такими, чтобы соответствующие им отраженные сигналы были бы близки соответственно измеряемым сигналам от внешних калибровочных источников с температурами T₁ и T₂. Квадраты результатов измерений отраженных третьего и четвертого вспомогательных сигналов высвечивают на индикаторе 25 в виде значений Q₃, Q₄ и с помощью блока 10 запоминают на длительное время. К входу устройства 3 вновь подключают антенну 2, обеспечивают, например, полное отражение от ее входа, с помощью третьего и четвертого вспомогательных сигналов выполняют калибровку, квадраты результатов которой высвечивают на индикаторе 25 в виде значений Q₅, Q₆ и с помощью блока 10 также запоминают на длительное время.

Вышеописанные операции выполняют в процессе производства радиотермометра. При его эксплуатации непосредственно перед измерением проинтегрированного напряжения радиометра U₁ от объекта выполняют калибровку с подключенной антенной и задаваемым отражением от ее входа (например, полным отражением) с использованием третьего и четвертого вспомогательных шумовых сигналов, квадраты результатов калибровки высвечивают на индикаторе 25 в виде значений Q₇, Q₈ и с помощью ОЗУ 23 запоминают по крайней мере на время измерения объекта, после чего третий и четвертый вспомогательные сигналы отключают. После проведения измерений объекта, получения значения Q_ф вычисляют в регистраторе 9 значения T_ф по формуле

где

Значение T_ф высвечивают на индикаторе 25.

По способу третьего частного случая выполнения заявленного технического решения при эксплуатации радиотермометра непосредственно перед измерениями объекта первую антенну (для которой проводились калибровки по внешним калибровочным источникам и внутреннему источнику при производстве радиотермометра), заменяют другой, имеющей другие диагностические возможности. Другая антенна может отличаться от первой потерями на СВЧ. Кроме того, температуры окружающей среды при производстве радиотермометра и при его эксплуатации могут различаться. Поэтому, после замены антенны на другую, обеспечивают от ее входа, например, полное отражение и перед измерениями объекта выполняют калибровку с использованием третьего и четвертого вспомогательных шумовых сигналов с запоминанием результатов калибровки в виде значений Q₇ и Q₈, как описано выше. После проведения измерений объекта, получения значения Q_ф с использованием формулы (2) вычисляют и высвечивают на индикаторе 25 значение T_ф.

Уменьшение погрешности измерения в предлагаемых способах измерения и радиотермометре для их реализации достигается за счет учета изменения температуры окружающей среды и потерь мощности антенны и соединительного кабеля в процессе эксплуатации, шумовой вклад которых неотличим от вклада шумового излучения объекта. Расширение функциональных возможностей достигается за счет появления возможности оперативного контроля при эксплуатации радиотермометра его метрологических характеристик с помощью автономно управляемого второго генератора с калибровочными уровнями шума. С его помощью можно контролировать также правильность функционирования основных аналоговых систем компенсации погрешности измерения, возникающей при рассогласовании антенны с объектами измерения. Дополнительно в третьем частном случае заявленного технического решения расширяются функциональные возможности за счет возможности измерения с помощью антенн с другими функциональными возможностями. При этом калибровка по внешним калибровочным источникам не требуется.

Предлагаемое устройство для осуществления четвертого частного случая выполнения заявленного технического решения содержит (фиг. 4) устройство для осуществления заявленного технического решения (фиг. 3), в котором его соединительный элемент выполнен в виде последовательного соединения первого и второго управляемых переключателей 17 и 18, входы управления которых подключены соответственно ко второму и третьему дополнительным выходам радиометра 4, второй вход соединительного элемента 13 является вторым входом первого управляемого переключателя 17, выход которого является выходом соединительного элемента 13, первый вход которого является входом второго управляемого переключателя 18.

Предлагаемый радиотермометр (фиг. 4) работает следующим образом. В положении переключателей 17 и 18 элемента 13 "1" (устанавливается сигналом управления от регистратора 9) работа его не отличается от работы радиотермометра, выполняемого по схеме фиг. 2. Если сигналами от регистратора 9 установлены переключатель 18 в положение "1", а переключатель 17 - в положение "3", то в предлагаемом радиотермометре (фиг. 4) могут выполняться операции внутренней калибровки точно так же, как в радиометре, выполняемом по схеме фиг. 3.

Для измерения неизвестных физической температуры T_ф и излучательной способности объекта E по четвертому частному случаю выполнения заявленного технического решения сначала устанавливают переключатели 17 и 18 в положение "1" и проводят первое измерение объекта. После первого измерения переключатель 18 (фиг. 4) устанавливают в положение 3 и второй вспомогательный сигнал отключается. Выполняют второе измерение, получают квадрат его результата в виде значения Q_я, пропорционального разности температур (T_я - T_р), и после вычисления значений T_ф и T_я по формуле (1) и по формуле

где

значения T_ф и E высвечивают на индикаторе 25 (фиг. 5).

Если в схеме фиг. 2 соединительный элемент 13 выполнить в виде управляемого переключателя (как в схеме фиг. 3), то в таком радиотермометре (фиг. 2) также появляется возможность осуществлять четвертый частный случай выполнения заявленного технического решения.

Расширение функциональных возможностей достигается за счет измерения дополнительной характеристики - излучательной способности объекта.

На предлагаемые радиотермометры разработана рабочая документация. Изготовлены и испытаны их образцы с участием представителей Госстандарта. Результаты испытаний положительны.

Литература.

1. Ostrrieder S., Schaller G. Ein Mikrowellen-Radiometer fur medizinische Anwendungen "Frequenz" 37(1983). N1, S.7-12.

2. Ludeke K., Kohler I., Kanzenbach I.:A new radiation - balance microwave thermograph for simultaneous and independent temperature and emissivity measurement. Journal of Microwave Power, 14(1979), 2, p. 117=121.

3. Ludeke K., Schiek B., Konler I., Method And Arrangement For Measuring The Physical Temperature Of An Object By Means Of Microwaves. United States Patent, N4,235,107; Nov.25.1980.

4. Есепкина Н.А. и др. "Радиотелескопы и радиометры". М. Наука, 1973 г.

5. Троицкий В. С. и др. "Метод измерения температуры тела человека дециметровым радиотермометром". Медицинская техника, 1984, N3, с.5-6.

Заявленное техническое решение относится к технике измерения интенсивности теплового радиоизлучения объектов. Технический результат: упрощение процесса разнесенных по времени измерений и устройства для его осуществления (радиотермометра). По способу измерения физической температуры объектов на СВЧ с применением радиометра, включающему разнесенные по времени измерения, для каждого измерения к объекту направляют антенну для формирования на ее выходе шумового сигнала от объекта. Формируют первый вспомогательный шумовой сигнал, на время измерения физической температуры формируют и через антенну подводят к объекту второй вспомогательный шумовой сигнал. Сигнал с выхода антенны и первый вспомогательный шумовой сигнал подводят к первому и второму входам радиометра соответственно, уровень шума первого и второго вспомогательных сигналов регулируют проинтегрированным напряжением радиометра, которое измеряют. Калибровку по внешним калибровочным источникам выполняют единожды перед разнесенными по времени измерениями проинтегрированного напряжения радиометра от объектов и результаты ее запоминают на длительное время, а физическую температуру объектов вычисляют по результатам измерений проинтегрированного напряжения радиометра с учетом запоминаемых результатов калибровки. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ измерения физической температуры объектов на сверхвысоких частотах с применением радиометра, включающий калибровку по внешним калибровочным источникам и разнесенные по времени измерения, при которых для каждого измерения к объекту направляют антенну для формирования на ее выходе шумового сигнала от объекта, формируют первый вспомогательный шумовой сигнал, на время измерения физической температуры формируют и через антенну проводят к объекту второй вспомогательный шумовой сигнал, сигнал с выхода антенны и первый вспомогательный шумовой сигнал проводят к первому и второму входам радиометра соответственно, уровень шума первого и второго вспомогательных сигналов регулируют проинтегрированным напряжением радиометра, которое измеряют, а физическую температуру объектов вычисляют по результатам измерений проинтегрированного напряжения радиометра с учетом результатов калибровки, отличающийся тем, что на время калибровки по внешним источникам формируют второй вспомогательный шумовой сигнал с температурой практически, равной физической температуре объекта Т_ф, а калибровку проводят по двум внешним калибровочным источникам с заданными температурами Т₁ и Т₂, причем Т_р < Т₁ < Т₂, где Т_р - температура входной части радиотермометра, результаты калибровки по внешним калибровочным источникам запоминают и сохраняют в течение межповерочного интервала времени. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после калибровки по внешним калибровочным источникам выполняют калибровку по внутреннему калибровочному источнику, результаты которой запоминают и используют при вычислении физической температуры объекта. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что непосредственно после выполнения калибровки по внешним калибровочным источникам выполняют калибровку по внутреннему источнику, при этом антенну отключают, обеспечивают задаваемое отражение от входа устройства, реализующего способ измерения, через него к его входу проводят третий и четвертый вспомогательные шумовые сигналы заданных уровней и измеряют проинтегрированные напряжения радиометра, соответствующие отраженным сигналам, к входу устройства, реализующего способ измерения, вновь подключают антенну, обеспечивают задаваемое отражение от ее входа, через нее к ее входу проводят третий и четвертый вспомогательные шумовые сигналы и измеряют проинтегрированные напряжения радиометра, соответствующие отраженным сигналам, результаты измерения проинтегрированных напряжений радиометра от всех четырех отраженных сигналов запоминают и сохраняют в течение межповерочного интервала времени, после чего третий и четвертый вспомогательные сигналы отключают, непосредственно перед измерением проинтегрированного напряжения радиометра от объекта выполняют калибровку по внутреннему источнику с подключенной антенной, для чего обеспечивают задаваемое отражение от ее входа, через нее к ее входу подводят третий и четвертый вспомогательные шумовые сигналы, измеряют проинтегрированные напряжения радиометра, соответствующие отраженным сигналам, результаты измерений запоминают по крайней мере на время измерения объекта, после чего третий и четвертый вспомогательные сигналы отключают. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что непосредственно перед калибровкой по внутреннему источнику с подключенной антенной, проводимой непосредственно перед измерением проинтегрированного напряжения радиометра от объекта, антенну заменяют другой. 5. Способ по пп.1, 2, 3 или 4, отличающийся тем, что, измерение объекта выполняют путем проведения двух последовательных измерений проинтегрированного напряжения радиометра от объекта, по результатам которых с учетом результата калибровки по внешним и внутреннему источникам вычисляют физическую температуру и излучательную способность объекта. 6. Устройство для осуществления способа измерения физической температуры объектов на сверхвысоких частотах с применением радиометра, содержащее управляемый генератор шума и последовательно соединенные антенну, направленное устройство и радиометр, содержащий регистратор, отличающееся тем, что в него введены блок кодовых переключателей, первый резистор, подключенный ко входу управления генератора шума, и последовательно соединенные второй резистор, соединительный элемент и второй управляемый генератор шума, выход которого подключен ко второму входу направленного устройства, вход первого генератора шума подключен ко второму входу радиометра, первый выход которого подключен ко входам первого и второго резисторов, а выход блока кодовых переключателей подключен к третьему входу радиометра. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные источник постоянного тока с двумя выходами и управляемый переключатель, выход которого подключен ко второму входу соединительного элемента, выполненного в виде управляемого переключателя, причем входы управления управляемого переключателя и управляемого переключателя соединительного элемента подключены соответственно к первому и второму дополнительным выходам радиометра, первый вход соединительного элемента является первым входом его управляемого переключателя, выход которого является выходом соединительного элемента, второй вход которого является вторым входом его управляемого переключателя. 8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные источник постоянного тока с двумя выходами и управляемый переключатель, выход которого подключен ко второму входу соединительного элемента, выполненного в виде последовательного соединения первого и второго управляемых переключателей, причем входы управления управляемого переключателя и первого и второго управляемых переключателей соединительного элемента подключены соответственно к первому, второму и третьему дополнительным выходам радиометра, второй вход соединительного элемента является вторым входом первого управляемого переключателя, выход которого является выходом соединительного элемента, первый вход которого является входом второго управляемого переключателя.