Nova generacija industrijskih šumnih termometrov

Nova generacija industrijskih šumnih termometrov (ARRS J2-1721) 2019-2022

Pri šumnem termometru je osnova merjenje izjemno majhnih vrednosti napetosti Johnsonovega šuma na električnem uporu. Za določitev temperature upora je potrebno poleg šumne napetosti poznati še njegovo upornost ter frekvenčni razpon. Primer; če je upornost upora enaka 100 Ω in je frekvenčni razpon enak 100 kHz, potem je efektivna vrednost šumne napetosti samo 400 nV pri temperaturi 20 °C. Ta napetost je tako primerljiva s šumom ojačevalnikov v električnem vezju za zajem signala. Pri tem je sistem zelo podvržen elektromagnetnim motnjam iz okolice.

Nov predlagani način delovanja šumnega termometra ne potrebuje referenčnega upora in stikala za preklapljanje. Uporablja psevdonaključni napetostni izvor belega šuma – vsoto velikega števila sinusnih signalov različnih frekvenc z enako amplitudo in naključno fazo. Ta signal je shranjen v digitalni obliki in se ob uporabi pretvori v analogno obliko. Takšna izvedba šumnega termometra 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 glede na enačbo 1 efektivna napetost Johnsonovega šuma bistveno večja. Zmanjša se tudi čas ene meritve, ki je lahko manj kot minuta. Pri obstoječi izvedbi šumnega termometra je merjenje dolgotrajno, lahko tudi nekaj tednov ali celo mesecev, nato pa je potrebna statistična obdelava velike količine podatkov.

Cilj raziskave je zasnovati in izdelati industrijski šumni termometer nove generacije po novi predlagani metodi z uporabo psevdonaključnega izvora šuma. 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.

Pomembna lastnost izdelanega termometra je tudi enostavna uporaba, torej želena lastnost, da šumni termometer ne potrebuje stalnega vzdrževanja in dodatne opreme za delovanje.

ARRS šifra projekta: J2-1721

Temeljni projekt, cenovna kategorija C, 2469 ur na leto, 07.2019-06.2022

Tehnika, Meroslovje, Metrologije področij

sestava projektne skupine : (15901) vodja: Jovan Bojkovski

člani projektne skupine: (22480)Samo Beguš, (31981) Vincencij Žužek, (19218) Valentin Batagelj, (39667) Slaven Ranogajec

Projekt je razdeljen v 4 delovne pakete:
WP 1: Teoretične osnove merjenja temperature s pomočjo Johnsonovega šuma: V prvem delovnem paketu bo izvedena analiza obstoječih principov merjenja temperature na podlagi Johnsonovega šuma, na podlagi analize literature bodo identificirane obstoječe težave in omejitve ter predlagane izboljšave. Sestavljen bo nabor čim več vplivnih veličin, ki vplivajo na rezultat merjenja ter teoretično bo načrtovan praktični šumni termometer.
WP 2:  Analiza analognih električnih komponent: V sklopu tega delovnega paketa bodo analizirane vse analogne električne komponente (ojačevalniki, upori, kondenzatorji, kabli, priključne sponke, načini priključitve, analogni filtri, …). Glede na zahteve merjenja Johnsonovega šuma, izvedene analize in simulacije, bodo izbrane optimalne komponente, ki bodo omogočile najboljše razmerje signal/šum, najširše temperaturno območje (vsaj med -50 °C in 300 °C) ter ustrezno hitrost merjenja temperature (pod 60 s).
WP3: Analiza digitalnega dela: V sklopu tega delovnega paketa bodo analizirane vse digitalne komponente (psevdonaključni vir, ki bo omogočal kalibracijo ter ustrezno hitro delovanje termometra, različni načini digitalne obdelave zajetih signalov – uporaba različnih tipov korelacij, digitalnega filtriranja ter izračuna napetosti električnega šuma in posredno temperature).
WP4: Sestavljanje in preskušanje končnega šumnega termometra: V sklopu tega delovnega paketa bo sestavljen končni šumni termometer, ki bo potem preverjen v različnih kalibracijskih kopelih ter fiksnih točkah. Izdelanemu šumnemu termometru bomo ugotovili metrološke parametre: linearnost, obnovljivost, ponovljivost, ločljivost, občutljivost, histerezo in merilno negotovost. Poleg tega bo preverjen tudi dinamični odziv celotnega sistema. Izvedene bodo analize vplivnih parametrov na vrednosti izmerjene temperature, razvrščanje posameznih prispevkov negotovosti v skupine ter modeliranje in izračun celotne merilne negotovosti.