ЦИФРОВОЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТЕРМОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01K5/62 

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

Известно устройство для измерения температуры, содержащее биометаллическую спираль, внутренним концом закрепленную на оси с помощью растяжек, установленных в обойме. На оси также закреплен диск с кодовой шкалой, на которой размещены бесконтактные датчики. Выходные сигналы этих датчиков формируют параллельные код, содержащий информацию о температуре, вводимую в ЭВМ [1].

Для визуального отсчета температуры в устройстве имеется шкала.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату 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, причем проекции точек крепления внутренних концов на диск с круговой шкалой, установленной на подвижной оси и размещенной внутри неподвижной оси, расположены на одной окружности, на одинаковом расстоянии друг от друга и элементами считывания кода, установленными над кодовой шкалой, три вспомогательные оси, параллельные подвижной оси, многоканальные усилители - 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 входами 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 (а+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 разрешения 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 вспомогательных осей, первые концы которых укреплены шарнирно на диске, а к вторым концам осей прикреплены внешние концы биметаллических спиралей. Увеличение или уменьшение длины биметаллических спиралей приводит к повороту диска со шкалой в ту или другую сторону, тем самым на разрядных выходах датчика температуры будет присутствовать информация об измеряемой температуре.

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

Цель изобретения - повышение точности измерения температуры.

Цель достигается тем, что в известное устройство введены три дополнительные биметаллические спирали, идентичные основным и размещенные соосно им, внутренние концы которых жестко закреплены на неподвижной оси, причем проекции точек крепления внутренних концов дополнительных биметаллических спиралей на диск с круговой кодовой шкалой, в котором вдоль окружности с радиусом, равным радиусу внешнего витка биметаллических спиралей, на равном расстоянии друг от друга выполнены три отверстия, расположены на одной окружности, на одинаковом расстоянии друг от друга, а верхний и нижний концы каждой из трех вспомогательных осей, пропущенных через отверстия в диске, прикреплены к внешним концам соответствующих биметаллических спиралей, симметричных относительно диска.

На фиг. 1 представлена блок-схема цифрового интегрального термометра; на фиг. 2 - схема датчика температуры.

Цифровой интегральный термометр содержит датчик 1 температуры, разрядные выходы которого соединены с многоканальным усилителем-формирователем 2 логических двоичных единиц, выходы которого подключены к преобразователю 3 "код Грея - двоичный код". Разрядные выходы преобразователя 3 соединены с первыми разрядными входами двоичного сумматора 4, разрядные выходы которого соединены с разрядными входами первого запоминающего устройства (ЗУ) 5. Разрядные выходы ЗУ 5 соединены с разрядными входами второго ЗУ 6, разрядные выходы которого соединены с вторыми разрядными входами двоичного сумматора 4. Первый выход таймера 7 соединен с входом "Разрешение записи" первого ЗУ 5. Второй выход таймера 7 соединен с входом "Разрешение записи" второго ЗУ 6. Обнуляющие входы ЗУ 5 и 6 соединены с обнуляющими входом 10 цифрового интегрального термометра. Кроме того, разрядные выходы старших разрядов до (a+1)-го включительно первого ЗУ 5 соединены с входами преобразователя 8 двоичного кода в двоично-десятичный. Причем значение а является целым числом и определяется как:
A=log₂M, где M - 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 двух групп идентичных биметаллических спиралей 11 Архимеда: верхний и нижней, в каждой из которых находятся по три спирали 11. Спирали 11 каждой группы расположены друг над другом горизонтально в параллельных плоскостях, с зазорами между собой по высоте. Внутренние концы биметаллических спиралей каждой группы 11 жестко соединены с полой неподвижной вертикальной осью 12, составленной из двух частей: верхней и нижней, при этом указанные внутренние концы спиралей 11 разнесены в пространстве на угол 120^оС. Внутри неподвижной оси 12 располагается укрепленная на кернах подвижная ось 13. На подвижной оси 13, имеющей свободу вращения в горизонтальной плоскости, укреплен диск 14 с круговой кодовой шкалой. Через равные промежутки вдоль окружности, радиус которой равен радиусу внешнего витка биметаллических спиралей, в диске 14 выполнены три отверстия 15, сквозь которые проходят вспомогательные оси 16, параллельные подвижной оси 13. Внешние концы биметаллических спиралей 11 верхней группы жестко соединены с верхними концами вспомогательных осей 16. Внешние концы биметаллических спиралей 11 нижней группы жестко соединены с нижними концами вспомогательных осей 16. Элементы 17 считывания кода расположены относительно диска 14 над кодовыми дорожками его шкалы. Выходы элементов 17 считывания кода соединены с входами соответствующих усилителей-формирователей 2. Все элементы конструкции датчика 1 температуры размещены в корпуса 18.

Предложенный цифровой интегральный термометр работает следующим образом.

Под действием температуры воздуха биметаллические спирали 11 датчика температуры 1 изменяют свои геометрические размеры.

Изменение длины биметаллических спиралей 11 вызывает перемещение в пространстве вокруг неподвижной оси 13 вспомогательных осей 16, что приводит во вращение диск 14 с круговой кодовой шкалой. Элементы 17 считывания кода формируют дискретные сигналы двоичных единиц и нулей.

Информационные сигналы с датчика 1 температуры поступают на входы соответствующих усилителей-формирователей 2, 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 кодовая шкала в датчике 1 температуры выполнена в коде 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, хранящаяся в ЗУ 6. На разрядных выходах двоичного сумматора 4 формируется выходной сигнал, равный сумме двух цифровых сигналов: одного - с разрядных выходов преобразователей 3 и второго - с разрядных выходов второго ЗУ 6. Описанный суммарный цифровой сигнал (кодовая комбинация) поступает с разрядных выходов двоичного сумматора 4 на разрядные входы ЗУ 5. После поступления разрешающего сигнала, который вырабатывается таймером 7, на вход "Разрешение записи" ЗУ 5 с первого выхода таймера 7 происходит запись кодовой комбинации суммарного цифрового сигнала в ЗУ 5. После этого кодовая комбинация суммарного цифрового сигнала будет присутствовать на разрядных выходах этого ЗУ. Разрядные выходы первого ЗУ 5 соединены с соответствующими разрядными входами второго ЗУ 6. Кодовая комбинация суммарного цифрового сигнала будет присутствовать поэтому на разрядных входах второго ЗУ 6, на разрядных выходах которого в это время по-прежнему будет находиться кодовая комбинация суммарного цифрового сигнала предыдущего суммирования. После поступления разрешающего сигнала с второго выхода таймера 7 на вход "Разрешение записи" ЗУ 6 происходит запись кодовой комбинации суммарного цифрового сигнала текущего измерения в этом ЗУ 6. После записи указанная кодовая комбинация суммарного цифрового сигнала текущего измерения температуры присутствует на разрядных выходах второго ЗУ 6. Так как разрядные выходы ЗУ 6 соединены с вторыми разрядными входами двоичного сумматора 4, кодовая комбинация суммарного цифрового сигнала текущего измерения температуры будет присутствовать на указанных входах двоичного сумматора 4. Отображение результатов измерения происходит в блоке 9 индикации. Сброс результатов измерения осуществляется подачей на обнуляющий вход 10 цифрового интегрального термометра обнуляющего сигнала.

Выше был рассмотрен полный цикл работы цифрового интегрального термометpа за одно измерение температуры и накопление суммы результатов измерения температуры. В дальнейшем весь процесс измерения повторяется снова. После окончания этого цикла измерения на первый 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 первого 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 00 1 (25^оС). Так как на вторые разрядные входы двоичного сумматора 4 в это же время с разрядных выходов второго АЗУ 6 поступает число, равное нулю:
0 000 000 000 000 000, 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 сначала 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 установится новое значение температуры 011100 (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 будет осуществлена M= 2^a раз, где а - целое число. Пусть 2^а=16, то есть суммирование температуры осуществляется через 1,5 ч. Для получения среднесуточной температуры достаточно число, состоящее из суммы 12^а членов, разделить на 2^а, то есть среднесуточная температура:
T_cp= .

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 включительного первого ЗУ 5 всегда будет находиться кодовая комбинация, характеризующая измеряемую величину - интегральную температуру.

Применение в датчике 1 температуры предложенного цифрового интегрального термометра в качестве усилие передающих элементов вспомогательных осей 16, верхние и нижние концы каждой из которых жестко соединены с внешними концами верхних и нижних биметаллических спиралей 11 Архимеда, позволяет снизить требования к прочности на изгиб диска с круговой кодовой шкалой и, следовательно, уменьшить момент сопротивления измерительного механизма за счет уменьшения веса (массы) диска с круговой кодовой шкалой; устранить люфт осей в шарнирном соединении с диском с круговой кодовой шкалой за счет симметричного закрепления вспомогательных осей на внешних витках биметаллических спиралей Архимеда относительно диска с круговой кодовой шкалой.

Все это приводит к уменьшению инструментальной погрешности при измерении температуры заявляемым цифровым интегральным термометром, а следовательно, к повышению точности измерения температуры.

Использование: термометрия окружающей среды. Сущность изобретения: устройство содержит датчик температуры, многоканальный усилитель-формирователь логических двоичных единиц, преобразователь "код Грея - двоичный код", двоичный сумматор, два запоминающих устройства, таймер, преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный, блок индикации. Чувствительный элемент датчика температуры выполнен в виде двух групп биметаллических спиралей, по три спирали в каждой, установленных в параллельных плоскостях. Внутренние концы спиралей жестко закреплены на неподвижной оси, внутри которой размещена подвижная ось с диском, снабженным круговой кодовой шкалой. К внешним концам соответствующих биметаллических спиралей каждой группы, симметричных относительно диска, прикреплены концы трех вспомогательных осей, параллельных подвижной оси и пропущенных через отверстия в диске. Над кодовой шкалой диска расположены элементы считывания кода, выходы которых являются разрядными выходами датчика температуры. 2 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, причем проекции точек крепления внутренних концов на диск с круговой кодовой шкалой, установленный на подвижной оси, размещенной внутри неподвижной оси, расположены на одной окружности, на одинаковом расстоянии одна от другой, и элементами считывания кода, установленными над кодовой шкалой, три вспомогательные оси, параллельные подвижной 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 со входами преобразователя двоичного кода в двоично-десятичный, подключенного своими выходами к входам индикатора, и таймер, выходы которого соединены с входами "Разрешения записи" запоминающих устройств, подключенных обнуляющими входами к обнуляющему входу цифрового интегрального термометра, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены три дополнительные биметаллические спирали, идентичные основным и размещенные соосно с ними, внутренние концы которых жестко закреплены на неподвижной оси, причем проекции точек крепления внутренних концов дополнительных биметаллических спиралей на диск с круговой кодовой шкалой, в котором вдоль окружности с радиусом, равным радиусу внешнего витка биметаллических спиралей, на равном расстоянии друг от друга выполнены три отверстия, расположены на одной окружности, на одинаковом расстоянии одна от другой, а верхний и нижний концы каждой из трех вспомогательных осей, пропущенных через отверстия в диске, прикреплены к внешним концам соответствующих биметаллических спиралей, симметричных относительно диска.