Вимірювання температури шумовими методами. Теорія і практика

Abstract

Дисертація присвячена розробці й використанню шумових термометрів для відтворення та передачі термодинамічної температурної шкали. Викладено актуальність проблеми, обґрунтовано переваги шумового методу вимірювання температури. Розглянуто основні проблеми, які виникають під час проектування засобів вимірювання шумової термометрії. Досліджено джерела похибки методів вимірювання середнього значення квадрату шумової напруги, пропорційного до вимірюваної температури, та виведено вираз для граничної похибки кожного з методів. Для покращення метрологічних характеристик шумових термометрів запропоновано перенести операції множення та усереднення шумових сигналів у цифрову частину, фільтрацію шумових сигналів проводити з допомогою цифрових фільтрів на основі перетворення Фур’є та використовувати первинні перетворювачі з мінімальним температурним коефіцієнтом опору. Сформовано основні концепції створення інтелектуальних фільтрів на основі перетворення Фур’є. Експериментально підтверджено коректність запропонованих математичних моделей вхідного кола шумового термометра, методики оцінки граничної похибки вимірювання температури, методу фільтрації шумових сигналів на основі перетворення Фур’є, теоретичного обґрунтування рівня обмеження гармонік спектру шумового сигналу та використання гістограми спектру як критерію оцінки якості проведеної фільтрації. Реалізовано способи та розроблено алгоритми функціонування шумових термометрів, що передбачають усереднення за частотою та за часом. Диссертационная работа посвящена разработке и использованию шумовых термометров (ШТ) для воспроизведения и передачи термодинамической температурной шкалы. Изложена актуальность проблемы, обоснованно преимущества шумового метода измерения температуры. Рассмотрены проблемы, возникающие в процессе проектирования средств измерения шумовой термометрии: длительное время измерения, предопределенное случайным характером измеряемого сигнала; наличие неинформативных шумовых сигналов во входной цепи; зависимость сопротивления первичного преобразователя (ПП) от температуры; низкий уровень измеряемого сигнала; необходимость использования малошумящих широкополосных усилителей; недостаточная помехоустойчивость средств измерения шумовой термометрии. Исследованы источники погрешности методов измерения среднего значения квадрата шумового напряжения, пропорционального измеряемой температуре. Получены выражения для предельной погрешности каждого из методов. Для анализа методической составляющей погрешности ШТ рассмотрены варианты построения входной цепи ШТ с учетом шумовых параметров ПП, операционного усилителя и резисторов обратной связи первого каскада усилителя, а также линии связи. Кроме того, проанализированы двух-, трех- и четырехпроводные схемы соединения ПП с измерительной частью ШТ, а также проведен анализ методических погрешностей ШТ с использованием одноканальных и двуканальных усилителей. Поскольку принцип работы SQUID преобразователей не позволяет устранить влияние фликер-шума на результат измерения, а метод измерения мощности шумового сигнала, метод замещения и метод сравнения с мерой нуждаются в более длительном времени измерения, оптимальным для построения ШТ с улучшенными метрологическими и техническими характеристиками является метод непосредственной оценки среднего значения квадрата шумового напряжения. Для улучшения метрологических характеристик ШТ предложено перенести операции умножения и усреднения шумовых сигналов в цифровую часть, фильтрацию шумовых сигналов осуществлять посредством цифровых фильтров на основе преобразования Фурье и использовать ПП с минимальным температурным коэффициентом сопротивления. С учетом предложенных изменений синтезирована структурная схема ШТ на основе метода непосредственной оценки среднего значения квадрата шумового напряжения и произведена оценка относительной предельной погрешности измерения температуры. Определена стандартная неопределенность измерения температуры в температурном диапазоне, отвечающем наибольшему температурному промежутку между двумя реперными точками МТШ ‑ 90: алюминия (933.473 К) и серебра (1234.93 К), не превышающая ±0.05 % (время измерения 1000 с, значения сопротивления ПП 1000 Ом, частотная полоса 1 МГц). Учитывая длительное время измерения, предложено проводить усреднение за короткие промежутки времени, а затем усреднять полученные результаты. Реализованы способы и разработаны алгоритмы функционирования шумовых термометров во время проведения усреднения за частотой и по времени. Сформирована концепция создания интеллектуальных фильтров с использованием преобразования Фурье. Исследованы погрешности метода фильтрации по уровню для различных видов помех (синусоидальной, трапециеподобной и прямоугольной). Теоретически обоснован оптимальный уровень ограничения гармоник спектра шумового сигнала. Критерием оптимума фильтрации выбрана гистограмма спектра шумового сигнала. Проведена проверка метрологических и технических характеристик ШТ в температурном диапазоне 273.15 ... 372 К с использованием реперной точки таяния льда, реперной точки кипения воды и дополнительных реперних точек, на основе эвтектических сплавов Ga - In - Sn (283.74 К) и In ‑ In2Bi (345.89 К). Экспериментально подтверждено правильность предложенных математических моделей входной цепи ШТ, методической погрешности шумового метода, методики оценки предельной погрешности измерения температуры, метода фильтрации шумовых сигналов на основе преобразования Фурье, теоретического обоснования уровня ограничения гармоник спектра шумового сигнала и использования гистограммы спектра как критерия оценки качества фильтрации. Результаты экспериментальных исследований воспроизводимости показаний ШТ в реперной точке таяния льда (при времени измерения 1 с погрешность измерения не превышает ± 1.5 %, а при 1000 с ‑ ± 0.07 %) практически соответствуют теоретической оценке погрешности измерения температуры методом непосредственной оценки среднего значения квадрата шумового напряжения (± 2 % и ± 0.072 % соответственно). Dissertation is devoted to development and use of noise thermometers for a recreation and transmission of thermodynamics temperature scale. It was expounded the actuality of problem, grounded advantages of noise method of measuring of temperature. Basic problems which arise up during planning of facilities of measuring of noise thermometry are considered. Investigational sources of error of methods of measuring to the square of mean value of noise voltage, proportional to the measurable temperature and expression is shown out for a maximum error each of methods. For the improvement of metrology descriptions of noise thermometers it is suggested to carry the operations of multiplying and integration of noise signals in digital part, to conduct filtration of noise signals with the help of digital filters on the basis of transformation of Fourier and to use transformers with the as possible less the temperature coefficient of resistance. It was formed basic conceptions of creation of intellectual filters on the basis of transformation of Fourier. It was experimentally confirmed the correctness of the offered mathematical models of entrance circle of noise thermometer, method of estimation of maximum error of measuring of temperature, method of filtration of noise signals on the basis of transformation of Fourier, theoretical ground of level of limitation of spectral components of noise signal and use of histogram of spectrum as a criterion of estimation of quality of the filtration. It was realized methods and the algorithms of functioning of noise thermometers, which are utilize integration after frequency and time.