ЦИФРОВОЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТЕРМОМЕТР Российский патент 1994 года по МПК G01K5/62 

Изобретение относится к термометрии окружающей среды и может быть использовано в составе цифровых систем сбора метеорологической информации или систем управления технологическими процессами, характер протекания которых зависит от температуры воздуха.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее биметаллическую спираль, внутренним концом закрепленную на оси, с помощью растяжек установленной в обойме. На оси также закреплен диск с кодовой шкалой, над которой размещены бесконтактные датчики, выходные сигналы которых формируют параллельный код, содержащий информацию о температуре, вводимую в ЭВМ [1].

Для визуального отсчета температуры в устройстве имеется шкала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является цифровой интегральный термометр, содержащий последовательно соединенные датчик температуры с термочувствительным элементом в виде трех установленных соосно в параллельных плоскостях биметаллических спиралей, внутренние концы которых жестко закреплены на неподвижной оси, внутри которой размещена подвижная ось с закрепленным на ней диском с круговой кодовой шкалой, над которой установлены элементы считывания кода, а внешний конец каждой биметаллической спирали жестко соединен с одним из концов дополнительной оси, многоканальные усилитель-формирователь логических двоичных единиц и преобразователь код Грея - двоичный код, разрядные выходы которого соединены с первыми разрядными входами двоичного сумматора, подключенного своими разрядными выходами и разрядным входом первого запоминающего устройства, а вторыми разрядными входами - к разрядным выходам второго запоминающего устройства, разрядные входы которого соединены с разрядными выходами первого запоминающего устройства, выходы старших разрядов которого до (a+1)-го включительно, при разряде a=log₂M, где М - число отсчетов температуры в сутки, соединены с входами преобразователя двоичного кода в двоично-десятичный, подключенного своими выходами к входам индикатора, и таймер, выходы которого соединены с входами "Разрешение записи" запоминающих устройств, подключенных своими обнуляющими входами к обнуляющему входу цифрового интегрального термометра [2].

В известном устройстве усилие от биметаллических спиралей Архимеда передается на диск с круговой кодовой шкалой с помощью дополнительных осей, первые концы которых укреплены шарнирно на диске с круговой кодовой шкалой, а к вторым концам осей прикреплены внешние концы биметаллических спиралей, Увеличение или уменьшение длины биметаллических спиралей приводит к повороту кодовой шкалы в ту или другую сторону, тем самым на разрядных выходах датчика температуры будет присутствовать информация об измеряемой температуре.

Шарнирное крепление дополнительных осей на диске с круговой кодовой шкалой предъявляет повышенные требования как к прочности на изгиб самого кодового диска, так и к прочности на изгиб указанных осей. Качество шарнирного крепления осей к кодовому диску также должно быть высоким, в противном случае будет наблюдаться люфт указанных осей, что приведет к снижению точности измерений.

Цель изобретения - повышение точности измерения температуры.

Цель достигается тем, что в известном устройстве дополнительные оси, выполненные идентичными, вторыми своими концами жестко закреплены на подвижной оси под углом 90^о к ней, причем проекции точек крепления этих концов на диске с круговой кодовой шкалой расположены на одной окружности, на одинаковом расстоянии друг от друга.

На фи г.1 представлена блок-схема цифрового интегрального термометра; на фиг. 2 - схема датчика температуры; на фиг.3-5 - разрезы А-А, Б-Б, В-В, указанные на фиг.2.

Цифровой интегральный термометр содержит датчик 1 температуры (фиг.1), каждый разрядный выход которого соединен со своим усилителем-формирователем 2 логических двоичных единиц, выходы которых подключены к преобразователю 3 код Грея - двоичный код. Разрядные выходы преобразователя 3 код Грея - двоичный код соединены с первыми разрядными входами двоичного сумматора 4. Разрядные выходы двоичного сумматора 4 соединены с разрядными входами первого запоминающего устройства 5. Разрядные выходы первого запоминающего устройства 5 соединены с разрядными входами второго запоминающего устройства 6. Разрядные выходы второго запоминающего устройства 6 соединены с вторыми разрядными входами двоичного сумматора 4. Первый выход таймера 7 соединен с входом "Разрешение записи" первого запоминающего устройства 5. Второй выход таймера 7 соединен с входом "Разрешение записи" второго запоминающего устройства 6. Обнуляющие входы первого запоминающего устройства 5 и второго запоминающего устройства 6 соединены с обнуляющим входом 10 цифрового интегрального термометра. Кроме того, разрядные выходы старших разрядов до (а+1)-го включительно первого запоминающего устройства 5 соединены с входами преобразователя 8 двоичного кода в двоично-десятичный. Причем значение а является целым числом и определяется как
a = log₂M. где М - число отсчетов температуры в сутки, также является целым числом, выбирается кратным "2".

Выходы преобразователя 8 двоичного кода в двоично-десятичный соединены с входами блока 9 индикации.

Датчик 1 температуры выполнен в виде трех идентичных биметаллических спиралей 11 Архимеда (фиг.2), расположенных друг над другом горизонтально в параллельных плоскостях с зазорами между собой по высоте. Внутренние концы спиралей 11 жестко соединены с полой неподвижной вертикальной осью 12, составленной из двух частей: верхней и нижней, при этом указанные концы расположены равномерно по окружности оси 12, то есть разнесены в пространстве на угол 120^о. Внутри неподвижной оси 12 располагается укрепленная на кернах подвижная ось 13. На подвижной оси 13, имеющей свободу вращения в горизонтальной плоскости, укреплен и жестко связан с ней диск 14 с круговой кодовой шкалой. К подвижной оси 13 под углом 90^о жестко присоединены три идентичные дополнительные оси 15, к внешним концам которых присоединены внешние концы биметаллических спиралей 11. Элементы 16 считывания кода расположены над кодовыми дорожками круговой шкалы. Выходы элементов 16 считывания кода соединены с входами соответствующих усилителей-формирователей 2, выходы которых соединены с входами преобразователя 3 код Грея - двоичный код. Разрядные выходы преобразователя 3 соединены с первыми разрядными входами двоичного сумматора 4. Все элементы конструкции датчика 1 температуры размещены в корпусе 17.

Предложенный цифровой интегральный термометр работает следующим образом.

Информационные сигналы с датчика 1 температуры поступают на входы соответствующих усилителей-формирователей 2 логических двоичных единиц, на выходах которых формируются сигналы из стандартных логических двоичных единиц и нулей, образующих собой кодовую комбинацию измеряемой в данный момент температуры. Для уменьшения ошибки при считывании кода температуры в датчике 1 применен код Грея. На разрядных выходах преобразователя 3 после преобразования кода Грея в обычный двоичный код формируется цифровой сигнал в двоичном коде. Сформированная таким образом кодовая комбинация двоичных единиц и нулей подается на первые разрядные входы двоичного сумматора 4, на вторые разрядные входы которого поступает информация (кодовая комбинация), характеризующая результат предыдущего суммирования, которая хранится во втором запоминающем устройстве (ЗУ) 6. На разрядных выходах двоичного сумматора 4 формируется выходной сигнал, равный сумме двух цифровых сигналов: одного - с разрядных выходов преобразователя 3 код Грея - двоичный код и второго - с разрядных выходов второго ЗУ 6. Описанный суммарный цифровой сигнал (кодовая комбинация) поступает с разрядных выходов двоичного сумматора 4 на разрядные входы первого ЗУ 5. После поступления разрешающего сигнала, который вырабатывается таймером 7 на вход "Разрешение записи" первого ЗУ 5 с первого выхода таймера 7, происходит запись кодовой комбинации суммарного цифрового сигнала в первом ЗУ 5. После этого кодовая комбинация суммарного цифрового сигнала будет присутствовать на разрядных выходах первого ЗУ 5, которые соединены с соответствующими разрядными входами второго ЗУ 6. Кодовая комбинация суммарного цифрового сигнала будет присутствовать на разрядных входах второго ЗУ 6. В это время на разрядных выходах ЗУ 6 по-прежнему будет находиться кодовая комбинация суммарного цифрового сигнала предыдущего суммиpования, а на его разрядных входах - кодовая комбинация суммарного цифрового сигнала, полученного при текущем суммировании в процессе текущего измерения температуры. После поступления разрешающего сигнала с второго выхода таймера 7 на вход "Разрешение записи" второго ЗУ 6 происходит запись кодовой комбинации суммарного цифрового сигнала текущего измерения в этом ЗУ. После записи указанная кодовая комбинация суммарного цифрового сигнала текущего измерения температуры присутствует на разрядных выходах ЗУ 6. Так как разрядные выходы этого ЗУ соединены с вторыми разрядными входами двоичного сумматора 4, то кодовая комбинация суммарного цифрового сигнала текущего измерения температуры будет присутствовать на указанных входах двоичного сумматора 4. Разрядные выходы старших разрядов до (а+1)-го включительно первого ЗУ 5 заведены на разрядные входы преобразователя 8 двоичного кода в двоично-десятичный, разрядные выходы которого сведены на блок 9 индикации, в котором происходит отображение результатов измерения. Сброс результатов измерения осуществляется подачей на обнуляющий вход 10 цифрового интегрального термометра обнуляющего сигнала. С обнуляющим входом 10 соединены обнуляющие входы ЗУ 5 и 6.

Выше был рассмотрен полный цикл работы цифрового интегрального термометра за одно измерение температуры и накопление суммы результатов измерения температуры. В дальнейшем весь процесс измерения повторяется снова. После окончания этого цикла измерения на первые разрядные входы двоичного сумматора 4 с датчика 1 температуры после усилителей-формирователей 2 логических двоичных единиц и преобразователя 3 код Грея - двоичный код поступает новая кодовая комбинация цифровых сигналов, соответствующая новому значению измеряемой температуры. На вторых входах двоичного сумматора 4 присутствует кодовая комбинация суммарного цифрового сигнала текущего измерения температуры. На разрядных выходах двоичного сумматора 4 будет присутствовать сумма новой кодовой комбинации и кодовой комбинации суммарного цифрового сигнала текущего измерения температуры. Эта новая сумма присутствует на разрядных входах ЗУ 5.

Перед началом работы после подачи напряжения питания на цифровой интегральный термометр с выходов датчика 1 температуры на первые разрядные входы двоичного сумматора 4 будет поступать двоичное число, соответствующее измеряемой температуре в данный момент времени. Пусть это число равно 011 001 (25^оС). Так как на вторые разрядные входы двоичного сумматора 4 в это же время с разрядных выходов второго ЗУ 6 поступает число, равное нулю 0 000 000 000 000 000, то на выходе двоичного сумматора будет присутствовать число 0 000 000 000 011 001. Таймер 7 периодически М = 2^а раз в сутки посылает разрешающий сигнал вначале на вход "Разрешение записи" первого ЗУ 5, а затем на вход "Разрешение записи" второго ЗУ 6. Поэтому число:
0 000 000 000 011 001 вначале будет записано в первое ЗУ 5. а затем перезаписано во второе ЗУ 6. Пусть по прошествии времени, равного периоду повторения импульсов таймером 7, на выходе датчика 1 температуры установится новое значение температуры 011 100 (28^оС), тогда на выходе двоичного сумматора 4 будет число
, означающее десятичное число "53", которое сначала будет записано в первое ЗУ 5, а затем во второе ЗУ 6. В течение суток операция суммирования буде осуществлена М = 2^а раз, где а - целое число. Пусть 2^а= 16, то есть суммирование температур осуществляется через 1,5 ч. Для получения среднесуточной температуры достаточно число, составляющее из суммы 2^а членов, разделить на 2^а, то есть среднесуточная температура
Toс

_р= t_i
Для усреднения двоичного числа после 2^а сложений достаточно поставить запятую в делимом, отсчитав а разрядов слева, В цифровом интегральном термометре это усреднение достигается тем, что информация снимается с разрядных выходов старших разрядов по (а+1)-й включительно первого ЗУ 5. На разрядных выходах старших разрядов до (а+1)-го включительно первого ЗУ 5 всегда будет находиться кодовая комбинация, характеризующая измеряемую величину - интегральную температуру.

Три биметаллические спирали 11 датчика температуры под действием температуры изменяют свои геометрические размеры (удлиняются при повышении температуры и укорачиваются при уменьшении температуры). Изменение длины биметаллических спиралей 11 вызывает перемещение в пространстве вокруг подвижной оси 13 внешних концов дополнительных осей 15, что приводит во вращение подвижную ось 13 и, следовательно, диск 14. В элементах 16 считывания кода формируются дискретные сигналы двоичных единиц и нулей.

Применение в датчике 1 температуры данного цифрового интегрального термометра в качестве усилиепередающего элемента штоков 15 позволяет снизить требования к прочности на изгиб диска с круговой кодовой шкалой и, следовательно, уменьшить момент сопротивления измерительного механизма; устранить люфт дополнительных осей, имеющих шарнирное соединение с диском с круговой кодовой шкалой и используемых в устройстве, взятом за прототип, в качестве усилиепередающих элементов. Все это приводит к уменьшению инструментальных погрешностей при измерении температуры заявляемым цифровым интегральным термометром а, следовательно, к повышению точности измерения температуры.

Использование: системы сбора метеорологической информации. Сущность изобретения: термометр содержит датчик температуры, усилитель-формирователь логических двоичных единиц, преобразователь код Грея - двоичный код, двоичный сумматор, два запоминающих устройства, таймер, преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный, индикатор. Чувствительный элемент датчика температуры выполнен в виде трех биметаллических спиралей, установленных в параллельных плоскостях. Внутренние концы спиралей закреплены на неподвижной оси, внутри которой размещена подвижная ось с закрепленным на ней диском с круговой газовой шкалой. Внешние концы спиралей жестко соединены с концами идентичных дополнительных осей, вторые концы которых закреплены на подвижной оси, под углом 90° к ней. Над кодовой шкалой установлены элементы считывания кода. 5 ил.

ЦИФРОВОЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТЕРМОМЕТР, содержащий последовательно соединенные датчик температуры с термочувствительным элементом в виде трех установленных соосно в параллельных плоскостях биметаллических спиралей, внутренние концы которых жестко закреплены на неподвижной оси, внутри которой размещена подвижная ось с закрепленным на ней диском с круговой кодовой шкалой, над которой установлены элементы считывания кода, а внешний конец каждой биметаллической спирали жестко соединен с одним из концов дополнительной оси, многоканальные усилитель-формирователь логических двоичных единиц и преобразователь код Грея - двоичный код, разрядные выходы которого соединены с первыми разрядными входами двоичного сумматора, подключенного своими разрядными выходами к разрядным входам первого запоминающего устройства, а вторыми разрядными входами - к разрядным выходам второго запоминающего устройства, разрядные входы которого соединены с разрядными выходами первого запоминающего устройства, выходы старших разрядов которого до (a + 1 )-го включительно, при разряде a = log₂M, где M - число отсчетов температуры в сутки, соединены с входами преобразователя двоичного кода в двоично-десятичный, подключенного своими выходами к входам индикатора, и таймер, выходы которого соединены с входами "Разрешение записи" запоминающих устройств, подключенных своими обнуляющими входами к обнуляющему входу цифрового интегрального термометра, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, дополнительные оси, выполненные идентичными, вторыми своими концами жестко закреплены на подвижной оси, под углом 90^o к ней, причем проекции точек крепления этих концов на диск с круговой кодовой шкалой расположены на одной окружности, на одинаковом расстоянии одна от другой.