CN110567606B - 一种噪声温度计及测量温度的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种噪声温度计及测量温度的方法，属于温度测量技术领域。该噪声温度计包括：参考电压噪声源、内阻、传感器电阻、第一调理电路、第二调理电路和处理器；参考电压噪声源的正极通过内阻与传感器电阻的第一端连接，参考电压噪声源的负极与传感器电阻的第二端连接，第一端还分别与第一调理电路的第一输入端、第二调理电路的第一输入端连接，第二端还分别与第一调理电路的第二输入端、第二调理电路的第二输入端连接，第一调理电路的输出端以及第二调理电路的输出端均与处理器连接。该噪声温度计不需要切换开关，就实现了参考电压噪声与待测热噪声的同时测量，从而缩短测量时间。

Description

一种噪声温度计及测量温度的方法

技术领域

本申请属于温度测量技术领域，具体涉及一种噪声温度计及测量温度的方法。

背景技术

目前市场上常用的温度计，例如铂电阻温度计或者热电偶温度计等，在长时间使用过程中，多种因素会影响测量性能进而导致指示温度发生漂移，因此需要定期的计量校准。在某些极端工业环境(如核电站)，即便定期对温度计做计量校准也难以保证其可靠运行，因此研究一种可用于工业现场且免校准的温度计尤为必要。

约翰逊噪声温度计测量与热力学温度相关联的电阻热噪声功率，可以实现免校准的原位测量，其理论依据为奈奎斯特方程：

其中，

是噪声电压平方的时间平均，k_B是玻尔兹曼常数，T是所在环境的热力学温度，R是热噪声源的阻值，Δf是带宽。

目前的约翰逊噪声温度计利用切换开关，通过比较一个放置在已知热力学温度和一个放置在未知热力学温度中的热噪声功率实现未知热力学温度的测量。然而，这种切换方式难以实现阻抗和功率的同时匹配。

发明内容

鉴于此，本申请的目的在于提供一种噪声温度计及测量温度的方法，以改善现有噪声温度计在参考噪声源和待测热噪声源之间切换测量时阻抗与功率无法同时匹配的技术问题。

本申请的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供了一种噪声温度计，包括：参考电压噪声源、内阻、传感器电阻、第一调理电路、第二调理电路和处理器；所述参考电压噪声源的正极通过所述内阻与所述传感器电阻的第一端连接，所述参考电压噪声源的负极与所述传感器电阻的第二端连接，所述第一端还分别与所述第一调理电路的第一输入端、所述第二调理电路的第一输入端连接，所述第二端还分别与所述第一调理电路的第二输入端、所述第二调理电路的第二输入端连接，所述第一调理电路的输出端以及所述第二调理电路的输出端均与所述处理器连接；所述参考电压噪声源用于生成参考电压噪声信号；所述传感器电阻用于生成待测热噪声信号；所述第一调理电路和所述第二调理电路均用于对包含有所述参考电压噪声信号、内阻热噪声信号以及所述待测热噪声信号的混合信号进行放大、滤波以及模数转换；其中，所述内阻热噪声信号由所述内阻产生；所述处理器用于将所述第一调理电路传输的信号以及所述第二调理电路传输的信号进行互相关运算，并根据运算得到的功率计算出包含所述参考电压噪声信号的第一频谱分块对应的互相关功率与第二互相关功率的功率比值，根据所述功率比值和预设公式计算出待测温度，其中，所述第二互相关功率为所述第一频谱分块左右各W个不包含所述参考电压噪声信号的第二频谱分块的互相关功率之和，W为所述第一频谱分块左侧或右侧的所述第二频谱分块的数量。

本申请实施例中，参考电压噪声源与内阻串联后叠加在传感器电阻两端，这种情况下，在待测热噪声源的两端可以同时检测到参考电压噪声信号和待测热噪声源的热噪声信号，不需要切换开关，就实现了参考电压噪声与待测热噪声的同时测量，从而缩短测量时间。此外，由于消除了传统噪声温度计中的切换开关，进而无需匹配传输线。

结合第一方面实施例，在一种可能的实施方式中，所述传感器电阻的阻值大于或等于1kΩ。本申请实施例中，根据奈奎斯特方程可以得出，热噪声源的电阻与对应的热噪声功率成正比，因此通过采用阻值大于或等于1kΩ的大电阻来提高测量的信噪比，以进一步提高测量精度。

结合第一方面实施例，在一种可能的实施方式中，所述传感器电阻的阻值为2kΩ。

结合第一方面实施例，在一种可能的实施方式中，所述内阻的阻值大于等于5kΩ。

结合第一方面实施例，在一种可能的实施方式中，所述内阻的阻值为1MΩ。

结合第一方面实施例，在一种可能的实施方式中，所述第一调理电路包括：顺次连接的前置放大电路、第一滤波电路、缓冲放大电路、第二滤波电路以及模数转换电路；所述前置放大电路的第一输入端和第二输入端分别与所述第一端和所述第二端连接，所述模数转换电路的输出端与所述处理器连接。

结合第一方面实施例，在一种可能的实施方式中，所述第二调理电路包括：顺次连接的前置放大电路、第一滤波电路、缓冲放大电路、第二滤波电路以及模数转换电路；所述前置放大电路的第一输入端和第二输入端分别与所述第一端和所述第二端连接，所述模数转换电路的输出端与所述处理器连接。

结合第一方面实施例，在一种可能的实施方式中，所述参考电压噪声信号为等幅值、等间距的奇分布电压噪声信号。本申请实施例中，采用奇分布的参考电压噪声源能减少偶次谐波失真对测量的影响。

第二方面，本申请实施例提供了一种测量温度的方法，应用于上述第一方面实施例和/或结合第一方面实施例的任一种可能的实施方式提供的所述的噪声温度计中的处理器，所述方法包括：将所述噪声温度计中的第一调理电路传输的信号以及所述噪声温度计中的第二调理电路传输的信号进行互相关运算，得到功率谱；基于所述功率谱计算出包含参考电压噪声信号的第一频谱分块对应的互相关功率与第二互相关功率的功率比值，其中，所述第二互相关功率为所述第一频谱分块左右各W个不包含所述参考电压噪声信号的第二频谱分块的互相关功率之和，W为所述第一频谱分块左侧或右侧的所述第二频谱分块的数量；根据所述功率比值和预设公式计算出待测温度。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本申请的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本申请的主旨。

图1示出了本申请实施例提供的一种噪声温度计的结构框图；

图2示出了本申请实施例提供的第一调理电路的结构框图；

图3示出了本申请实施例提供的一种噪声温度计的原理示意图；

图4示出了本申请实施例提供的一种互相关功率谱示意图；

图5示出了本申请实施例提供的一种实际测量到的热力学温度与拟合曲线图；

图6示出了本申请实施例提供的一种测量温度的方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中诸如“第一”、“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

再者，本申请中术语，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

现有的噪声温度计需要切换开关在参考电压噪声与待测热噪声之间切换，这种切换方式难以实现阻抗和功率的同时匹配，从而导致测量误差较大，鉴于此，本申请实施例提供了一种噪声温度计，以解决上述技术问题。其中，需要说明的是，针对以上方案所存在的缺陷，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本申请实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在本申请过程中对本申请做出的贡献。

如图1所示，本申请实施例提供的噪声温度计包括：参考电压噪声源、内阻、传感器电阻、第一调理电路、第二调理电路和处理器。

所述参考电压噪声源的正极通过所述内阻与所述传感器电阻的第一端连接，所述参考电压噪声源的负极与所述传感器电阻的第二端连接。可选地，所述参考电压噪声源产生的参考电压噪声信号为等幅值、等间距的奇分布电压噪声信号，例如，采用脉冲驱动的量子电压合成系统产生幅值为0.1mV、频谱范围为(1～200)kHz的等幅值、等间距、奇分布的参考电压噪声信号。其中，奇分布可以减小偶次谐波失真对测量的影响。

参考电压噪声源与内阻串联后叠加在传感器电阻两端，这种情况下，在传感器电阻的两端可以同时检测到参考电压噪声信号、内阻热噪声信号和传感器电阻的热噪声信号，不需要切换开关，就实现了参考电压噪声与待测热噪声的同时测量，从而缩短测量时间。其中，由于取消了传统噪声温度计中的切换开关，进而无需匹配传输线，同时根据奈奎斯特方程可以得出，当热噪声源的电阻值增大时，对应的热噪声功率也会增大，因此可以允许增加传感器电阻的阻值以提高测量的信噪比。其中，所述参考电压噪声信号由所述参考电压噪声源产生，所述内阻热噪声信号由所述内阻产生，所述待测热噪声信号由所述传感器电阻产生。

参考电压噪声源的内阻为大阻值电阻，其阻值大于等于5kΩ。例如，所述内阻的阻值可以为5kΩ、6kΩ、7kΩ、8kΩ、9kΩ、1MΩ等符合要求的任意数值。其中，可以理解的是，该内阻可以是一个电阻，也可以是有几个电阻通过串联和/或并联的方式形成的，该部分内容可以参阅下文中对传感器电阻的相关描述。

所述传感器电阻的第一端还分别与所述第一调理电路的第一输入端、所述第二调理电路的第一输入端连接，所述传感器电阻的第二端还分别与所述第一调理电路的第二输入端、所述第二调理电路的第二输入端连接，所述第一调理电路的输出端以及所述第二调理电路的输出端均与所述处理器连接。采用这种六端连接(即第一端连接三个端点、第二端连接三个端点，形成六端)的形式，有利于保证系统结构的对称性，消除不对称引入的系统误差。其中，两个端点连接参考电压噪声源，其余的四个端点连接至第一调理电路以及第二调理电路。

所述传感器电阻的阻值大于等于1kΩ，例如，所述传感器电阻的阻值可以为1kΩ、1.1kΩ、1.2kΩ、1.5kΩ、2kΩ、3kΩ等符合要求的任意数值。可以理解的是，传感器电阻可以仅包含一个电阻，也可以包含多个电阻，即多个电阻可以通过串联和/或并联的方式形成阻值满足要求的传感器电阻。例如，传感器电阻可以由两个阻值为大于等于500Ω的电阻串联形成；又例如，传感器电阻可以由两个阻值为大于等于2kΩ的电阻并联形成；又例如，传感器电阻可以由两个阻值为大于等于1kΩ的电阻并联后，再与一个阻值为大于等于500Ω的电阻串联形成。

上述的传感器电阻等效于测温探头，所处环境的温度不同，其产生的待测热噪声功率也不同，进而最终计算出的温度也不同。

参考电压噪声源产生的参考电压噪声信号、内阻产生的热噪声信号和传感器电阻产生的待测热噪声信号均输入到第一调理电路和第二调理电路中，经过调理电路的放大、滤波、模数转换后输出给处理器进行处理。也即所述第一调理电路和所述第二调理电路均用于对包含有参考电压噪声信号、内阻热噪声信号以及待测热噪声信号的混合信号(包含3个信号)进行放大、滤波以及模数转换，然后输出给处理器进行处理。

如图2所示，作为一种实施方式，所述第一调理电路、第二调理电路包括：顺次连接的前置放大电路、第一滤波电路、缓冲放大电路、第二滤波电路以及模数转换电路。所述前置放大电路的第一输入端和第二输入端分别与所述第一端和所述第二端连接，所述模数转换电路的输出端与所述处理器连接。其中，第一滤波电路和第二滤波电路均使用了无源低通滤波器，例如8阶巴特沃兹低通滤波器，其截止频率为800kHz。其中，需要说明的是，可以根据测量精度要求对应增加或减少级联的放大电路和滤波电路的数量，例如，对于测量精度要求不高时，可以对应减少级联的放大电路和滤波电路的数量。作为又一种实施方式，上述的调理电路可以仅包括：顺次连接的前置放大电路、第一滤波电路以及模数转换电路。又例如，对于测量精度要求很高时，可以对应增加级联的放大电路和滤波电路的数量，作为又一种实施方式，上述的调理电路可以包括：顺次连接的前置放大电路、第一滤波电路、缓冲放大电路、第二滤波电路、缓冲放大电路、第三滤波电路以及模数转换电路。

此外，上述仅示出了第一调理电路与第二调理电路结构相同即对称的情形，对称的结构有利于消除不对称引入的系统误差。可以理解的是，对于一些测量精度要求不高的场合，第一调理电路以及第二调理电路的结构可以不相同，也即可以不对称，例如，第一调理电路可以包括：顺次连接的前置放大电路、第一滤波电路、缓冲放大电路、第二滤波电路以及模数转换电路，第二调理电路可以包括：顺次连接的前置放大电路、第一滤波电路以及模数转换电路。因此不能将上述示例的结构示意图理解成对本申请的限制。包含有参考电压噪声信号、内阻热噪声信号以及待测热噪声信号的混合信号经第一调理电路以及第二调理电路调理后输出给处理器，处理器将这两路信号进行互相关运算，得到功率谱，并根据运算得到的功率谱计算出包含所述参考电压噪声信号的第一频谱分块对应的互相关功率与第二互相关功率的功率比值，以及根据所述功率比值和预设公式计算出待测温度。其中，所述第二互相关功率为所述第一频谱分块左右各W个不包含所述参考电压噪声信号的第二频谱分块的互相关功率之和，W为所述第一频谱分块左侧或右侧的所述第二频谱分块的数量。其中，上述的两路信号一路为第一调理电路输出的信号，另一路为第二调理电路输出的信号。

为了便于理解噪声温度计的原理结构，可以参阅图3所示的原理结构图。其中，上述的处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

互相关功率谱示意图如图4所示，其中实线为包含参考电压噪声信号的频率分量(第一频谱分块)，虚线为不包含参考电压噪声信号的频率分量(第二频谱分块)。根据约翰逊噪声温度计的测温原理，假设包含参考电压噪声信号、内阻热噪声信号和待测热噪声信号的第一频谱分块对应的互相关功率为H_K，则：

其中，A_K为参考电压噪声信号的幅值，R_T为传感器电阻的阻值，R_SE为内阻的阻值，k_B为玻尔兹曼常数，Δf为带宽，T_SE为内阻所在环境的热力学温度，T为待测温度。

同理，假设仅包含内阻热噪声信号以及待测热噪声信号的第二频谱分块对应的互相关功率为H_K+1，则：

通过图4所示的功率谱示意图计算出包含参考电压噪声信号第一频谱分块的互相关功率与其左右共2W个不包含参考电压噪声信号的第二频谱分块的互相关功率之和(第二互相关功率)的比值来导出热力学温度，功率比值ρ为：

其中，第二互相关功率为第一频谱分块左右各W个不包含参考电压噪声信号的第二频谱分块的互相关功率之和。W为第一频谱分块左侧或右侧的第二频谱分块的数量，也即图4中相邻两实线之间的虚线的数量。为了便于理解，结合图4进行说明，假设以数字10、20、30来表示第一频谱分块，假设频谱分块的带宽，默认为2Hz，则10与20这两个第一频谱分块之间包含有4个第二频谱分块，分别为12、14、16、18。同理，20与30这两个第一频谱分块之间也包含有4个第二频谱分块。又假设频谱分块的带宽，默认为1Hz，则10与20这两个第一频谱分块之间包含有9个第二频谱分块，分别为11、12、13、14、15、16、17、18、19。同理，20与30这两个第一频谱分块之间也包含有9个第二频谱分块。

根据上述的公式(2)、(3)、(4)得出待测温度T为：

根据公式(5)推导得到的各个频谱分块对应的热力学温度如图5的散点所示。其中，图中的实线为对散点数据的拟合。拟合外推到直流(0Hz)处的数值即消除了频率响应影响的最终温度测量结果。

请参阅图6，为本申请实施例提供的一种应用于上述噪声温度计的测量温度的方法，下面将结合图6对其所包含的步骤进行说明。

步骤S101：处理器将第一调理电路传输的第一信号以及第二调理电路传输的第二信号进行互相关运算，得到功率谱。

利用第一调理电路对包含有参考电压噪声信号、内阻热噪声信号以及待测热噪声信号的混合信号进行放大、滤波以及模数转换处理，得到第一路测量信号；利用第二调理电路对包含有所述参考电压噪声信号、所述内阻热噪声信号以及所述待测热噪声信号的混合信号进行放大、滤波以及模数转换处理，得到第二路测量信号；处理器将所述第一路测量信号以及所述第二路测量信号进行互相关运算，得到功率谱。

步骤S102：所述处理器基于所述功率谱计算出包含参考电压噪声信号的第一频谱分块对应的互相关功率与第二互相关功率的功率比值。其中，所述第二互相关功率为所述第一频谱分块左右各W个不包含所述参考电压噪声信号的第二频谱分块的互相关功率之和。W为所述第一频谱分块左侧或右侧的所述第二频谱分块的数量。

步骤S103：所述处理器根据所述功率比值和预设公式计算出待测温度。

本申请实施例所提供的测量温度的方法，其实现原理及产生的技术效果和前述装置实施例中相应部分相同，为简要描述，方法实施例部分未提及之处，可参考前述装置实施例中相应内容。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种噪声温度计，其特征在于，包括：参考电压噪声源、内阻、传感器电阻、第一调理电路、第二调理电路和处理器；所述参考电压噪声源的正极通过所述内阻与所述传感器电阻的第一端连接，所述参考电压噪声源的负极与所述传感器电阻的第二端连接，所述第一端还分别与所述第一调理电路的第一输入端、所述第二调理电路的第一输入端连接，所述第二端还分别与所述第一调理电路的第二输入端、所述第二调理电路的第二输入端连接，所述第一调理电路的输出端以及所述第二调理电路的输出端均与所述处理器连接；

所述参考电压噪声源用于生成参考电压噪声信号；

所述传感器电阻用于生成待测热噪声信号；

所述第一调理电路和第二调理电路均用于对包含有所述参考电压噪声信号、内阻热噪声信号以及所述待测热噪声信号的混合信号进行放大、滤波以及模数转换；其中，所述内阻热噪声信号由所述内阻产生；

所述处理器用于将所述第一调理电路传输的信号以及所述第二调理电路传输的信号进行互相关运算，并根据运算得到的功率谱计算出包含所述参考电压噪声信号的第一频谱分块对应的互相关功率与第二互相关功率的功率比值，以及根据所述功率比值和预设公式计算出待测温度，其中，所述第二互相关功率为所述第一频谱分块左右各W个不包含所述参考电压噪声信号的第二频谱分块的互相关功率之和，W为所述第一频谱分块左侧或右侧的所述第二频谱分块的数量，

所述预设公式为：

其中，A_K为参考电压噪声信号的幅值，R_T为传感器电阻的阻值，R_SE为内阻的阻值，k_B为玻尔兹曼常数，Δf为带宽，T_SE为内阻所在环境的热力学温度，T为待测温度，ρ为功率比值。

2.根据权利要求1所述的噪声温度计，其特征在于，所述传感器电阻的阻值大于或等于1kΩ。

3.根据权利要求2所述的噪声温度计，其特征在于，所述传感器电阻的阻值为2kΩ。

4.根据权利要求1所述的噪声温度计，其特征在于，所述内阻的阻值大于等于5kΩ。

5.根据权利要求4所述的噪声温度计，其特征在于，所述内阻的阻值为1MΩ。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的噪声温度计，其特征在于，所述第一调理电路包括：顺次连接的前置放大电路、第一滤波电路、缓冲放大电路、第二滤波电路以及模数转换电路；所述前置放大电路的第一输入端和第二输入端分别与所述第一端和所述第二端连接，所述模数转换电路的输出端与所述处理器连接。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的噪声温度计，其特征在于，所述第二调理电路包括：顺次连接的前置放大电路、第一滤波电路、缓冲放大电路、第二滤波电路以及模数转换电路；所述前置放大电路的第一输入端和第二输入端分别与所述第一端和所述第二端连接，所述模数转换电路的输出端与所述处理器连接。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的噪声温度计，其特征在于，所述参考电压噪声信号为等幅值、等间距的奇分布电压噪声信号。

9.一种测量温度的方法，其特征在于，应用于如权利要求1-8中任一项所述的噪声温度计中的处理器，所述方法包括：

将所述噪声温度计中的第一调理电路传输的信号以及所述噪声温度计中的第二调理电路传输的信号进行互相关运算，得到功率谱；

基于所述功率谱计算出包含参考电压噪声信号的第一频谱分块对应的互相关功率与第二互相关功率的功率比值，其中，所述第二互相关功率为所述第一频谱分块左右各W个不包含所述参考电压噪声信号的第二频谱分块的互相关功率之和，W为所述第一频谱分块左侧或右侧的所述第二频谱分块的数量；

根据所述功率比值和预设公式计算出待测温度，

所述预设公式为：

其中，A_K为参考电压噪声信号的幅值，R_T为传感器电阻的阻值，R_SE为内阻的阻值，k_B为玻尔兹曼常数，Δf为带宽，T_SE为内阻所在环境的热力学温度，T为待测温度，ρ为功率比值。

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