Projekti / Programi
Nova generacija industrijskih šumnih termometrov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.15.04 |
Tehnika |
Meroslovje |
Metrologije področij |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P180 |
Naravoslovno-matematične vede |
Meroslovje, fizikalna instrumentacija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.02 |
Tehniške in tehnološke vede |
Elektrotehnika, elektronika in informacijski inženiring |
šumni termometer, temperatrura, primarni referenčni merilni postopek, negotovost
Raziskovalci (7)
Organizacije (1)
Povzetek
Šumni termometer je primarni termometer, kar pomeni, da uporablja primarno metodo merjenja – temperaturo določimo neposredno iz fizikalnega zakona, ki opisuje termični električni šum na električnem uporu. Termični ali tudi Johnsonov šum je posledica termičnega gibanja nosilcev naboja na električnem uporu in je odvisen od temperature, električne upornosti in pasovne širine. Kot primarni termometer je bil šumni termometer doslej v uporabi predvsem v laboratorijskem okolju in pri določanju Boltzmannove konstante, kjer so dosegljive negotovosti med 2·10-6 in 3·10-6. Glavne težave so predvsem merjenje zelo nizkih električnih napetosti, uporaba korelatorjev in natančnih kvantnih napetostnih virov, nelinearnost ojačevalnikov ter zelo dolgi časi merjenja. Ti lahko znašajo tudi do 100 dni z namenom zmanjševanja statistične negotovosti. Za vsakodnevna merjenja temperature, kjer bi potrebovali bistveno krajše merilne čase, je taka izvedba šumnega termometra neuporabna.
Nova izvedba šumnega termometra, ki bi bila praktično uporabna v industrijskem okolju, namesto referenčnega upora in stikala za preklapljanje uporablja psevdonaključni napetostni izvor belega šuma – vsoto velikega števila sinusnih signalov različnih frekvenc enake amplitude in naključne faze. Ta signal je shranjen v digitalni obliki in se ob uporabi pretvori v analogno obliko. Takšna izvedba ni več omejena z nizkimi upornostmi in frekvenčnimi razponi. Uporabijo se lahko upori z upornostmi več kΩ in frekvenčni razponi v območju MHz, zaradi česar je efektivna napetost termičnega šuma bistveno večja. Zmanjša se tudi čas meritve, ki je lahko manj kot minuta.
Cilj raziskave je torej zasnovati in izdelati industrijski šumni termometer nove generacije po novi predlagani metodi z uporabo psevdonaključnega izvora šuma. Ta cilj je sestavljen iz več podsklopov. Prvi podsklop je izbira ustreznih elektronskih komponent in izdelava električnega vezja. Drugi podsklop predstavlja določitev načina generiranja psevdonaključnega šuma, kar je možno zagotoviti z vsoto različnih kombinacij sinusnih signalov. Končno pa je potrebno izdelati algoritem za obdelavo izhodnega signala iz korelatorja, ki bo zanesljivo določil moč Johnsonovega šuma na merilnem uporu. Želena merilna negotovost izdelanega termometra je 0,1 °C, kar bi omogočalo široko uporabo v industriji, kjer se sedaj večinoma uporabljajo uporovni termometri in termočleni. Ti termometri so sekundarni termometri, ki jih je potrebno redno umerjati (npr. letno), s čimer spremljamo njihovo lezenje in spremembe karakteristike. Nasprotno pa šumni termometer deluje na primarnem principu merjenja temperature, kar posledično pomeni, da bi ga bilo potrebno umeriti le v eni temperaturni točki. S tem bi bistveno skrajšali čas in znižali stroške, ki so potrebni za vsakoletno umerjanje. Termometer bo brez lezenja in odpornejši na elektromagnetne motnje. Temperaturno območje termometra bo od –50 °C do 300 °C, kar je najpogostejše območje merjenja temperature.
Pomen za razvoj znanosti
Uspešna izdelava šumnega termometra bi pomenila možnost široke uporabe termometrov, ki delujejo na primarnem principu. Njihova glavna prednost je enkratno umerjanje v eni temperaturni točki ter nato merjenje v širšem merilnem območju brez spremembe negotovosti in časovne spremembe kazanja (lezenja) termometra. Potencialni vpliv rezultatov projekta bi lahko pomenil uporabo skoraj kateregakoli upora kot termometra pri točno določenih pogojih.
Klasične termometre, ki delujejo na principu spremembe prostornine, upornosti ali generirane napetosti, je potrebno umeriti v celotnem območju uporabe ter določiti korekcijske tabele ali ustrezne polinomske enačbe, ki v popolnosti opisujejo delovanje termometra. Zaradi sprememb in staranja termometra je pri klasičnih termometrih potrebno redno letno (ali pa pri termometrih, ki se uporabljajo v bolj kritičnih aplikacijah tudi pogosteje) umerjanje. Šumni termometer bo zaradi njegove v osnovi primarne narave merjenja temperature potrebno umeriti le v eni temperaturni točki, potem pa lahko delujejo v širšem temperaturnem območju. Enako bo tudi lezenje bistveno zmanjšano, kalibracijski interval pa podaljšan. Z uporabo primarnih termometrov se bodo dosegli bistveni ekonomski učinki z zmanjšanjem stroškov umerjanja.
Pomen za razvoj Slovenije
Successful design of the noise thermometer would open a possibility of wide primary thermometer use. The main advantage is the one time calibration in one temperature point. The measurements can then be performed in a wide temperature range without the change in uncertainty and without drift. A potential outcome of the project could be the use of virtually any electrical resistor as a thermometer in certain conditions.
Secondary (classical) thermometers that work on the principle of volume change, change in electrical resistance or change in the generated voltage, must be calibrated in the whole temperature range and the correction tables or suitable polynomial equations that completely describe the behavior of the thermometer must be determined. Due to various changes in thermometers, they have to be calibrated annually (or even more frequently if they are used in critical applications). Noise thermometer is a primary thermometer and needs to be calibrated in only one temperature point. The drift will be significantly lower and the calibration interval will be longer. Therefore, the cost of calibration of noise thermometers is almost negligible in comparison with the cost of secondary thermometer calibration.
