Импульсный термошумовой термометр Советский патент 1985 года по МПК G01K7/30 

1 Изобретение относится к термомет рии, в частности к термометрам, дей ствие которых основано на измерении шумов теплового возбуждения регистров и проводников, и может быть использовано при измерении низких и сверхнизких температур веществ. Целью изобретения является повышение точности измерения. На чертеже приведена функциональ ная схема устройства. Термометр содержит термошумовой резисторный датчик 1, два-усилителя 2,1 и 2.2, две схемы 3.1 и 3.2 формирования импульсов, две схемы И 4,1 и 4.2, аналоговый инвертор 5, схему ИЛИ 6, линию 7 задержки, логи ческую схему 8, реверсивный счетчик 9., схему 10 компенсации, и схему ре гистрации нулевого состояния реверсивного счетчика. В качестве датчика температуры может быть использован резистор типа БЛП. Схема компенсации должна обеспечивать формирование шумового напряжения (О ц, ) . Например, она может быть выполнена на шумовом диоде две. В этом случае средний квадрат напряжения Uj равен D 1„л К 1, (1) 1 где I - заряд электрона, Af - полоса частот, R - сопротивление нагрузки шумо вого диода, 1(3, - анодный ток диода. Логическая схема 8 формирует на своем выходе сигнал, равный логической единице при поступлении на ее вход сигнала с выхода первой схе И и сигнал логического нуля при поступлении на ее вход сигнала с вт рой схемы И. Она может быть выполиена, например, на основе логически элементов ИЛИ-НЕ. Схема регистрации нулевого состо ния реверсивного счетчика может быт вьтолнена, например, в виде последо вательно соединенных дешифратора, интегратора и вольтметра. Остальные элементы устройства могут быть выпо йены на основе стандартных микросхе Термометр работает след-ующим образом. -. При помещении датчика 1 в среду с температурой Т он генерирует шумовое напряжение и 4R. , 42) где К - постоянная Больцмана-, 0 величина сопротивления датчика;полоса частот. Шумовое напряжение U усиливается в фазе усилителями 2,1 и 2,2, напряжение компенсирующего шума U усиливается в противофазе. С выхода усилителей шумовое напряжение поступает на формирователи 3.1 и 3.2 импульсов соответственно. С выхода первого формирователя 3.1 шумовые импульсы поступают непосредственно на один из входов схем. И 4.1 и 4.2 с выхода второго формирователя 3.2. шумовые импульсы поступают, непосредственно на другой вход первой схемы И 4.1 и через инвертор на другой вход этой схемы 4.2 И. При поступлении на входы первой схемы И 41 ш мовых импульсов U , превышаюш 1х пороговое напряжение схемы И 4,1, импульс с выхода этой схемы поступает на схему ИЛИ 6 и на вход логической схемы 8, с выхода последней положительный импульс подготавливает реверсивный счетчик к операции Суммирование импульса схемы И 4.1, прошедшего через схему ИЛИ 6 и линию 7 задержки. При поступлении на входы схемы И 4,1 шумовых импульсов , превышающих пороговое напряжение, выходное напряжение схемы И 4.1 равно ну.пю, поскольку и противофазны. При поступлении на входы схемы И 4,1 шумовых импульсов Цущ и илии1 щ ., или инш, и ,или UH, и и,, или и,,и и, и UHK выходное напряжение схемы И 4.1 так;,,равно нулю, поскольку указанные им пульсы некоррелированы, и, следовательно, неодновременные. Таким образом, счетчик термометра суммирует только импульсы шума датчика, поступающие на вход первой схемы.И 4,1, При поступлении на входы второй схемы И 4.2 импульсов U , превышающих- пороговое напряжение схемы, .импульс с вьЕхода этой схемы поступает на схему ИЛИ 6 и на вход логической схемы 8, нулевое напряжение на выходе последней подготавливает реверсивньй счетчик к операции Вычитание импульса схемы И 4.2, прошедшего через схему ИЛИ и линию 7 задержки. При поступлении на входы схемы 4.2 И импульсов , превьшшющих пороговое напряжение, выходное напряжение схемы И 4.2 равно нулю, поскольку и. противофазно, и при поступлении на входы схемы И 4.2 импульсов , , и UKOJ ™ цш и Уид, или Unui2 Uj, или или или и и UMK выходное на пряжение схемы;4.2 И также равно нулю, поскольку указанные импульсы некоррелированы и, следовательно, неодновременные. Таким образом, счетчик термометра вычитает только импульсы компенси рующего шума, поступающие на вход второй схемы 4.2 И. Показания реверсивного счетчика за интервал времени равно п rij.-fi где Пид- число импульсов шума датчика, а число импульсов компенсирую щего напряжения, поступивших в ревер сивньш счетчик за интервал времени При измерении температуры величину компенсирующего шума изменяют до тех пор пока показание на выходе реверсивного счетчика не будет равно нулю что регистрируется схемой регистрации нулевого состояния реверсивного счетчика. В этом случае U Uи и компенсирующее напряжение U, служи мерой шумового напряжения датчика. Если в качестве источника шумового напряжения используется шумовой диод, то величина его тока будет однозначно связана с измеряемой температурой I ВТ (I) , где В определяет04ся калибровкой термометра при известной температуре. Устройство позволяет повысить точ-. ность измерения температуры, поскольку -исключает ошибки, связанные с нестабильностью коэффициентов усиления и порогового напряжения, исключает требования к идентичности коэффициентов усиления каналов. Число импульсов зарегистрированных реверсивным счетчиком, равно (V2/2..) () (,е ..-,2 -(v,v /2v;:k K2 -De - - - J) j где V ,V - пороговые напряжения первой и второй схем И соответственно;К,, К, - коэффициенты усиления первого и второго усилительного трактаi - средний квадрат компенси рутощего шумового напряжения. При точной компенсации и, какследует из (3), ошибка в числе импульсов, связанная с нестабильно-стью К, К, и V. определится ч, , -f через производные .dv., «JK, (4) 1 .V, 2 i K дифференцируя (4) и учитывая условие компенсации получим .

. ИМПУЛЬСНЫЙ ТЕРМОШУМОВОП ТЕРМШЕТР, содержащий термошумовой датчик, подключеннь .к первым входам двух усилителей, выходы которых через формирователи импульсов подключены к входам первой схемы И, отличающийся тем, что, с цепью повьшения точности измерения, в него введены вторая схема И, схема ИЖ, линия задержки, реверсивный счетчик со схемой регистрации нулевого состояния шумового компенсирующего напряжения, причем первый усилитель выпсшнен суммируюцин, а второй - дифференциальным, при этом вторые входы усилителей соединены с источником шумового компенсирумцего напряжения, а выходы соответственно соединены с входом аналогового инвертора и первым входом второй схемы И, второй вход которой соединен с выходом аналогового .инвертора, а выход подключен к первым входам схемы управления и схемы ИШ, второй вход которой соединен с выходом первой схемы И, и вторым входом схемы управления, а выход через линию задержки подключен к информационному входу реве{к:ивного счетчика, управляюцнй вход которого соединен с выходом схемы ущ авления. Од м i4i СЛ