Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой...
Таксономические единицы (категории) растений: Каждая система классификации состоит из определённых соподчиненных друг другу...
Топ:
Определение места расположения распределительного центра: Фирма реализует продукцию на рынках сбыта и имеет постоянных поставщиков в разных регионах. Увеличение объема продаж...
Проблема типологии научных революций: Глобальные научные революции и типы научной рациональности...
Теоретическая значимость работы: Описание теоретической значимости (ценности) результатов исследования должно присутствовать во введении...
Интересное:
Отражение на счетах бухгалтерского учета процесса приобретения: Процесс заготовления представляет систему экономических событий, включающих приобретение организацией у поставщиков сырья...
Принципы управления денежными потоками: одним из методов контроля за состоянием денежной наличности является...
Аура как энергетическое поле: многослойную ауру человека можно представить себе подобным...
Дисциплины:
2017-10-09 | 1385 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
Термошумовой метод измерения температуры базируется на уравнении Найквиста, которое устанавливает связь между напряжением тепловых шумов, возникающим на любом резисторе, и его термодинамической температурой
, (1.3)
где u ш2 - среднее квадратическое значение шумового напряжения;
k - постоянная Больцмана, равная 1,38·10-23 Дж/К;
R -сопротивление резистора;
Δ f - полоса частот, в которой производятся измерения.
Уравнение Найквиста справедливо для резисторов из различных материалов и не зависит от свойств этих материалов. Если обеспечить постоянство R и Δ f,то на основании уравнения Найквиста можно получить
, (1.4)
где T0 =373,16 К - термодинамическая температура тройной точки воды;
uш0 2 - среднее квадратическое значение шумового напряжения при T0.
Условие R =const удовлетворяется при изготовлении резистора из материала с температурным коэффициентом электрического сопротивления, близким к нулю.
Таким образом, термошумовой метод позволяет определить размер единицы термодинамической температуры - кельвина в соответствии с ее определением как независимой единицы, что обеспечивает независимую реализацию термодинамической температурной шкалы и дает возможность уточнить МПТШ.
Рисунок 1.4 – Структурная схема термошумового термометра
Термошумовой метод можно использовать для измерения температур в диапазоне от 0,001 до 2000-2500 К. В качестве измерительных преобразователей применяются безреактивные резисторы из платины, манганина, константана, нихрома, вольфрама, графита, непроволочные резисторы, а также емкостные и индуктивные неконтактные преобразователи, представляющие собой резонансный колебательный контур. Источником теплового шума в двух последних преобразователях служит сопротивление среды, температура которой измеряется, например ионизированного газа или пламени. Это дает возможность избирательно определять температуру отдельных участков газа, отличающихся по удельной электропроводимости.
|
Трудности использования термошумового метода заключаются в низком уровне полезного сигнала, который составляет доли или единицы микровольт. Основными факторами, ограничивающими точность термошумового метода, являются зависимость сопротивления резистора от температуры, собственные шумы измерительного канала, особенно входных усилителей, помехи в линии связи, изменение коэффициента усиления входного усилителя. Существуют различные пути реализации термошумового метода, отличающиеся главным образом способами коррекции погрешностей от указанных мешающих факторов. Термошумовые термометры строятся как приборы прямого преобразования или как приборы сравнения. Наибольшее распространение получили термошумовые термометры, основанные на сравнении средних квадратических значений напряжений шумов двух резисторов, один из которых находится при известной температуре T0, а другой - при измеряемой температуре Тx.
На рисунке 1.4 представлена структурная схема термошумового термометра прямого преобразования с коррекцией влияния шумов измерительного канала и температурного коэффициента сопротивления (ТКС) измерительного преобразователя. Измерение производится в два такта. Сначала, когда ключи находятся в положении I, шумовое напряжение с резистора 1 (Rш) через усилитель 2, усилитель-фильтр 3, квадратор 4 поступает в yстройство 5,которое запоминает усиленное и возведенное в квадрат суммарное напряжение тепловых шумов резистора Rш и измерительного канала .В положении ключей II напряжение собственных шумов канала при его закороченном входе Uш.к запоминается устройством 6 и вычитается из суммарного напряжения устройством 7. Разность напряжений Uш.р= - Uш.к поступает на масштабный усилитель 8, учитывающий изменение сопротивления резистора 1 от температуры. С усилителя 8 напряжение поступает на детектор 9 и регистрирующий прибор 10. Такой термошумовой термометр обеспечивает измерение температуры в широком диапазоне с погрешностью ±1% по значению термошумового напряжения без предварительной градуировки.
|
Применение сверхпроводящего термошумового датчика на основе эффекта Джозефсона позволяет распространить термошумовой метод на измерение сверхнизких температур. Схема сверхпроводящего термошумового термометра представлена на рисунке 1.5.
Рисунок 1.5 - Схема сверхпроводящего термошумового термометра
Сверхпроводящее кольцо 1 с резистивным участком 2 и переходом Джозефсона 3, индуктивно связанное с LC-контуром, находится при измеряемой сверхнизкой температуре и совместно с контуром образует датчик температуры. Термочувствительным элементом является резистивный участок 2 с сопротивлением R= 10-5 Ом, который служит источником напряжения тепловых шумов, значение которого определяется в соответствии с формулой Найквиста. Поскольку напряжение шумов может принимать нулевое значение, то через резистор R пропускается ток смещения I =10-8 А, который создает начальное напряжение смещения U1 = IR ≈10-11В.
Таким образом, к· переходу Джозефсона приложено напряжение U = U1 + Uш, которое в соответствии с нестационарным эффектом Джозефсона вызывает через переход переменный ток, частота которого определяется из выражения
hf =2 eU, (1.5)
где e - заряд электрона;
h - постоянная Планка.
Отсюда
f =(IR + Uш)/ Фo, (1.6)
где Фо = h /(2 е)=2,07·10-15Вб - квант магнитного потока.
Член IR / Фо определяет среднее значение частоты, которое при указанных значениях R и I примерно равно 5 кГц. Если сопротивление R мало по сравнению с сопротивлением источника тока смещения и сопротивлением перехода, то напряжение теплового шума будет определяющим для флюктуаций частоты тока через переход, которая несет информацию о температуре резистора R.
Таким образом, переход Джозефсона в данном применении используется как преобразователь напряжение - частота, преобразующий напряжение тепловых шумов в переменный ток с частотой f = U / Фo. Этот ток модулирует высокочастотное напряжение на LC-контуре, настроенном на частоту питающего его генератора высокой частоты (ГВЧ) 4. Обычно несущая частота ГВЧ равна нескольким десяткам мегагерц. Напряжение с LC-контура подается через усилитель высокой частоты 5 на детектор 6,который выделяет сигнал переменного тока, флюктуация частоты которого пропорциональна измеряемой температуре.
|
С помощью цифрового частотомера 7 и микро-ЭВМ 8 путем многократных измерений определяется дисперсия частоты сигнала σ2,пропорциональная измеряемой температуре. Дисперсия вычисляется из выражения
σ 2=(f - fср)2=2 kTR /(τФо)2, (1.7)
где τ - время счета частотомера.
Для исключения погрешности от температурных изменений сопротивления резистивного участка его сопротивление R определяется в процессе измерения температуры путем измерения тока смещения и средней частоты fср.
Таким образом, этот метод позволяет определять термодинамическую температуру, пользуясь выражением
Tx = σ 2 τIФо /(2 kfср), (1.8)
которое связывает абсолютную температуру с достаточно точно измеряемыми величинами (I, fср, τ, σ2) через фундаментальные физические постоянные (k и Фо).
Минимальная температура, измеряемая рассматриваемым методом, ограничена шумами самого перехода, которые эквивалентны температуре 10-8 К.
Практически с помощью эффекта Джозефсона можно измерять абсолютную температуру в диапазоне 10 мК – 10 К с погрешностью 1% при усреднении результатов измерений в течение нескольких минут.
|
|
Архитектура электронного правительства: Единая архитектура – это методологический подход при создании системы управления государства, который строится...
Адаптации растений и животных к жизни в горах: Большое значение для жизни организмов в горах имеют степень расчленения, крутизна и экспозиционные различия склонов...
Индивидуальные очистные сооружения: К классу индивидуальных очистных сооружений относят сооружения, пропускная способность которых...
Автоматическое растормаживание колес: Тормозные устройства колес предназначены для уменьшения длины пробега и улучшения маневрирования ВС при...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!