ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР Российский патент 1995 года по МПК G01K7/32 

Изобретение относится к температурным измерениям и может быть использовано при построении цифровых термометров, работающих с термопреобразователями, имеющими частотный выходной сигнал, например пьезокварцевыми преобразователями.

Известен цифровой термометр, содержащий термопреобразователь с частотным выходом, генератор опорной частоты, счетчик, два коммутирующих элемента, схему совпадения, схему управления, реверсивную систему индикации, триггер знака, счетчик результата, схему И.

Недостатками известного устройства являются его сложность, обусловленная его структурой построения, и ограниченные функциональные возможности.

Известен цифровой термометр, содержащий термопреобразователь с частотным выходом, счетчик, два коммутирующих элемента, схему И, счетчик результата, триггер знака, реверсивную систему индикации.

Недостатками цифрового термометра являются его сложность, обусловленная его структурой построения, и ограниченные функциональные возможности.

Известен цифровой термометр, содержащий термопреобразователь с частотным выходом, генератор частоты смещения, смеситель, счетчик, два коммутирующих элемента, схему совпадения, схему управления, схему И, счетчик результата, триггер знака, реверсивную систему индикации.

Недостатками цифрового термометра являются его сложность, обусловленная его структурой построения, и ограниченные функциональные возможности.

Наиболее близким по совокупности признаков и по технической сущности к заявляемому техническому решению является известный цифровой термометр, который принят за прототип и изображен на фиг.1.

Термометр по прототипу (фиг.1) содержит термопреобразователь 1 с частотным выходом, первый 2 и второй 3 генераторы частоты, реверсивный счетчик 4, элемент И 5, триггер 6, блок 7 индикации, преобразователь 8 частоты в код, преобразователь 9 кода в частоту, частотный вход которого соединен с выходом второго генератора 3 частоты, при этом суммирующий вход реверсивного счетчика 4 соединен с выходом элемента И 5, первый вход которого подключен к выходу триггера 6, а выход преобразователя 8 частоты в код соединен с входом блока 7 индикации. Кроме того, прототип содержит счетчик 10 и элементы И 11, 12, выходы которых соединены соответственно с входами преобразователя 8 частоты в код и счетчика 10, выход которого подключен к сбрасывающему входу триггера 6, установочный вход которого соединен с выходом термопреобразователя 1, а его выход объединен с первыми входами элементов И 11, 12, вторые входы которых соединены с выходами преобразователя 9 кода в частоту и генератора 2 частоты соответственно, при этом выход преобразователя 9 кода в частоту соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика 4, подключенного выходом к кодовому входу преобразователя 9 кода в частоту, частотный вход которого соединен с вторым входом элемента И 5.

Прототип работает в непрерывном режиме. Он обеспечивает линеаризацию характеристик термопреобразователей с зависимостью
F(t)=a где F(t) выходная частота термопреобразователя;
t температура;
а постоянный коэффициент;
Прототип работает следующим образом.

Генераторы 2 и 3 частот вырабатывают импульсные последовательности с частотами F₁ и F₂ соответственно, причем частоты F₁ и F₂ должны быть много больше выходной частоты F(t) термопреобразователя 1.

Импульс с выхода термопреобразователя 1, поступая на вход триггера 6, переводит его в единичное состояние. По сигналу с выхода триггера 6 открываются элементы И 5, 11, 12. Через элемент И 12 на вход счетчика 10 начинают поступать импульсы от генератора 2, следующие с частотой F₁. Через время τ= k/F₁, где k коэффициент деления счетчика 10, он переполнится и на его выходе сформируется сигнал, устанавливающий триггер 6 в нулевое состояние. Следующий импульс с выхода термопреобразователя 1 вновь переводит триггер 6 в единичное состояние на время τ. Таким образом на выходе триггера 6 формируется последовательность импульсов длительностью τ, следующая с частотой F(t).

За время θ, много большее периода следования импульсов от термопреобразователя 1, на суммирующий вход реверсивного счетчика 4 через элемент И 5 поступает N F₂ ˙ τ ˙ F(t)θ импульсов. Выходной код реверсивного счетчика 4 поступает на входы преобразователя 9 кода в частоту, на частотный вход которого поступает импульсная последовательность с частотой F₂ от генератора 3. Частотный сигнал с выхода преобразователя 9 поступает на вычитающий вход реверсивного счетчика 4. В установившемся режиме при большом коэффициенте преобразования K₉ преобразователя 9 число импульсов, поступающее на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика за интервал времени θ, равно между собой
F₂ ˙ τ ˙ F(t) θ F₉ ˙ θ где F₉ частота импульсного сигнала на выходе преобразователя 9 кода в частоту.

Частотный сигнал с выхода преобразователя 9 поступает через элемент И 11 на вход преобразователя 8 частоты в код. За интервал времени θ, определяемый конструкцией преобразователя 8, на вход преобразователя 8 поступит
N_xF²(t) импульсов, в результате чего код на выходе преобразователя 8 пропорционален квадрату частоты термопреобразователя. При выполнении условия F₂ ˙ K² ˙ θ / F₁² а выходной код N_x преобразователя 8 однозначно связан с измеряемой температурой N_x t. Этот код отражается цифровым индикатором блока 7 индикации.

Недостатком прототипа являются его ограниченные функциональные возможности, что обусловлено наличием лишь множительно-делительных операций в функциональной характеристике устройства.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в создании цифрового термометра с более широкими функциональными возможностями, определяемыми применением множительно-делительной операции при одновременном выполнении операции суммирования, путем совмещения реверсивным счетчиком функций преобразователя частота-интервал времени и запоминающего устройства и коммутирования частотно-импульсных последовательностей под управлением времяимпульсных сигналов.

Существенные признаки заявляемого изобретения состоят в том, что в цифровой термометр, содержащий преобразователь с частотным выходом, первый и второй генераторы частоты, реверсивный счетчик, элемент И, триггер, блок индикации, преобразователь частоты в код, преобразователь кода в частоту, частотный вход которого соединен с выходом второго генератора частоты, при этом суммирующий вход реверсивного счетчика соединен с выходом элемента И, первый вход которого подключен к выходу триггера, а выход преобразователя частоты в код соединен с входом блока индикации, введены коммутатор, третий генератор частоты и вход масштабируемого коэффициента, соединенного с кодовым входом преобразователя кода в частоту, выход которого соединен с первым информационным входом коммутатора, второй информационный вход которого подключен к выходу третьего генератора частоты, а его управляющий вход к инверсному выходу триггера, информационный D-вход которого соединен с выходом переноса реверсивного счетчика, вычитающий вход которого объединен с управляющим С-входом триггера и выходом термопреобразователя, при этом выход первого генератора частоты соединен с вторым входом элемента И, а выход коммутатора с входом преобразователя частоты в код.

Вышеизложенное свидетельствует о наличии в заявляемом техническом решении отличительных от прототипа признаков, включающих как дополнительные элементы (коммутатор, генератор частоты), так и новые связи между ними и элементами прототипа. Эти элементы находят широкое применение в измерительной технике. В заявляемом техническом решении все элементы устройства используются по прямому назначению, проявляя при этом в отдельности известные свойства. Однако, взятые в совокупности, эти элементы и элементы прототипа, сохраняемые и новые связи характеризуют новое свойство, не присущее ни прототипу, ни одному из известных аналогов: расширение функциональных возможностей термометра. Это свойство не повторяет ни одно из известных свойств отличительных признаков и не является их суммой. Другими словами, каждый из введенных элементов, отдельно взятый, необходим для обеспечения сформулированного положительного эффекта, а все они вместе взятые, т.е. с учетом всех взаимосвязей, достаточны, чтобы отличить устройство в целом от других подобного назначения и характеризовать его в том качестве, которое проявляется в сверхсуммарном результате, а именно в расширении функциональных возможностей термометра.

На фиг.2 показано предлагаемое устройство.

Предлагаемое устройство содержит термопреобразователь 1 с частотным выходом, первый 2 и второй 3 генераторы частоты, реверсивный счетчик 4, элемент И 5, триггер 6, блок 7 индикации, преобразователь 8 частоты в код, преобразователь 9 кода в частоту, частотный вход которого соединен с выходом второго генератора 3 частоты, при этом суммирующий вход реверсивного счетчика 4 соединен с выходом элемента И 5, первый вход которого подключен к выходу триггера 6, а выход преобразователя 8 частоты в код соединен с входом блока 7 индикации. Кроме того, термометр содержит коммутатор 10, третий генератор 11 частоты и вход 12 масштабируемого коэффициента, соединенного с кодовым входом преобразователя 9 кода в частоту, выход которого соединен с первым информационным входом коммутатора 10, второй информационный вход которого подключен к выходу третьего генератора 11 частоты, а его управляющий вход к инверсному выходу триггера 6, информационный D-вход которого соединен с выходом переноса реверсивного счетчика 4, вычитающий вход которого объединен с управляющим С-входом триггера 6 и выходом термопреобразователя 1, при этом выход первого генератора 2 частоты соединен с вторым входом элемента И 5, а выход коммутатора 10 с входом преобразователя 8 частоты в код.

Цифровой термометр работает в непрерывном режиме. Он обеспечивает линеаризацию характеристик термопреобразователей с зависимостью
F(t)=a где F(t) выходная частота термопреобразователя 1;
t температура;
а постоянный коэффициент.

Устройство работает следующим образом.

Пусть в исходный момент времени реверсивный счетчик 4 и триггер 6 находятся в нулевом состоянии. На вход 12 подается код масштаба N. Генераторы 2,3 и 11 частоты вырабатывают импульсные последовательности с частотами F₁, F₂ и F₃ соответственно, причем F(t)<F₁ ≥ 2^lF(t), F₂ ≥ F(t) и F₃ ≥ F(t), где l разрядность реверсивного счетчика 4.

На информационный вход триггера 6 с выхода реверсивного счетчика 4 подается сигнал единичного уровня. Следовательно, первый импульс термопреобразователя 1 по переднему фронту переводит триггер 6 в единичное состояние.

Реверсивный счетчик 4 по вычитающему входу срабатывает по заднему фронту импульсов входного сигнала, а триггер 6 по переднему. Логическая "1" c прямого выхода триггера 6 открывает элемент И 5. Импульсы от генератора 2 частоты, следующие с частотой F₁, начинают проходить через элемент И 5 на суммирующий вход реверсивного счетчика 4. Так как состояние реверсивного счетчика 4 изменяется, то на его выходе появляется сигнал логического "0", поступающий на D-вход триггера 6. Передний фронт следующего импульса, поступающего от термопреобразователя 1 на управляющий С-вход триггера 6, устанавливает триггер 6 в нулевое состояние. В результате этого прохождение импульсов через элемент И 5 на суммирующий вход реверсивного счетчика 4 останавливается.

Таким образом, на прямом выходе триггера 6 формируется сигнал, длительностью равный периоду τ_o входных импульсов F(t) термопреобразователя 1. Следовательно, на суммирующий вход реверсивного счетчика 3 за время τ_o поступит m импульсов опорной частоты:
m F₁τ_o.

Так как во время счета импульсов по суммирующему входу на вычитающий вход счетчика 4 поступит один задний фронт входной частоты, то число, записанное в реверсивном счетчике 4, будет равно
m_pc m-1.

Далее импульсы входного сигнала с выхода термопреобразователя 1 продолжают поступать на вычитающий вход реверсивного счетчика 4. После поступления m-1 импульсов реверсивный счетчик 4 возвращается в состояние нуля и на его выходе появляется логическая "1". Следующий импульс с выхода термопреобразователя 1 вновь переводит триггер 6 в единичное состояние на время τ_o, и процесс аналогичным образом повторяется.

В основу работы устройства положен метод цифрового преобразования частота интервал времени частота при частотном задании опорных величин и организации их двухканального частотного коммутирования.

В установившемся режиме на прямом выходе триггера 6 формируется последовательность импульсов длительностью τ_o, а на его инверсном выходе -τ₁= (m-1) τ_o c периодом повторения
T τ_o + τ₁ τ_o + (m 1)τ_o
τ_o + mτ_o τ_o mτ_o
F₁τ_oτ_o F₁τ_o²
Таким образом, на прямом выходе триггера 6 формируется последовательность времяимпульсных сигналов длительностью τ_o, следующая с частотой
F(x) а на инверсном длительностью τ₁ T τ_o F₁τ_o² τ_o.

Преобразователь 9 кода в частоту осуществляет линейное преобразование кода в частоту, т.е. вырабатывает импульсную последовательность с частотой, среднее значение которой пропорционально соответствующему управляющему коду, и может быть выполнен в виде двоичного умножителя частоты с динамическим частотным выходом.

На частотный вход преобразователя 9 кода в частоту поступает импульсная последовательность от генератора 3 частоты, следующая с частотой F₂. Следовательно, на его выходе вырабатывается импульсная последовательность с частотой
F_D/f где n разрядность преобразователя 9 кода в частоту.

Эта последовательность импульсов подается на первый информационный вход коммутатора 10, выполненного в виде, например, элемента 2И-ИЛИ. На второй информационный вход коммутатора 10 поступает импульсная последовательность с частотой F₃ c выхода генератора 11 частоты, а на его управляющий вход времяимпульсные сигналы с инверсного выхода триггера 6, под управлением которых коммутируются импульсные последовательности, поступающие на его информационные входы, т. е. через коммутатор 10 на частотный вход преобразователя 8 частоты в код поступает импульсная последовательность с частотой
F_MUX(t)
где t текущее время;
Т период следования времяимпульсного сигнала на инверсном выходе триггера 6, равный F₁τ_o²;
τ_o длительность времяимпульсного сигнала на прямом выходе триггера 6;
k 0,1,2,
n разрядность преобразователя 9 кода в частоту.

За время θ, много большее периода следования импульсов от термопреобразователя 1 и определяемое конструкцией преобразователя 8, на вход преобразователя 8 поступит N_x импульсов:
N_x τ_oF(x)+F₃τ₁F(x)
+
+ F1
+ F1
+ F
F(t) + (F₁-F(t)).

Таким образом, устройство воспроизводит функциональную зависимость, благодаря чему может быть реализован широкий набор частотных зависимостей.

В качестве примера для получения квадратной зависимости достаточно задаться следующим соотношением частот:
F₂ F(t), F₃ 0, в частном случае получаем
N_xF²(t).

Cледовательно, при таком соотношении частот код на выходе преобразователя 8 пропорционален квадрату частоты термопреобразователя 1, что соответствует функциональной характеристике прототипа. При выполнении условия
a выходной код N_х преобразователя 8 однозначно связан с измеряемой температурой N_х t. Этот код отражается цифровым индикатором блока 7 индикации.

Важным достоинством заявляемого устройства являются его более широкие функциональные возможности. Например, при обеспечении значения F₂ F(t), обозначив a, b,F₃θ= c, F(t) x, устройство воспроизводит функциональную зависимость полинома вида ах²-bx+c.

Например, при обеспечении значения F₃ 0 получаем множительно-делительную зависимость
N_x
Например, при обеспечении исходных соотношений частот F₂ 0, F₃ F₁ получаем зависимость вычитания двух частот
N_x θ [F₁-F(t)]
Например, при обеспечении исходных соотношений F₂(F₁-F(t)) получаем зависимость суммирования двух частот
N_xF(t) + или
N_x(F(t)+F₃)
При обеспечении исходных соотношений частот F₃ 0, F₁=F(t) получаем
N_x
Таким образом предлагаемое устройство по отношению к прототипу имеет более широкие функциональные возможности, что приводит и к расширению класса решаемых задач.

Одновременно предлагаемое устройство существенно проще прототипа, так как позволило отказаться от использования ряда блоков прототипа (одного счетчика, двух элементов И), а вместo этого добавился лишь двухразрядный коммутатор частоты.

В результате сокращения затрат оборудования повысилась и надежность устройства, численные характеристики которой будут зависеть от способа технологической реализации.

Использование: изобретение относится к температурным измерениям и может быть использовано при построении цифровых термометров, работающих с термопреобразователями, имеющими частотный выходной сигнал, например пьезокварцевыми преобразователями. Сущность изобретения цифровой термометр с более широкими функциональными возможностями, определяемыми применением множительно делительной операции при одновременном выполнении операции суммирования путем совмещения реверсивным счетчиком функций преобразователя частота интервал времени и запоминающего устройства и коммутирования частотно импульсных последовательностей под управлением времяимпульсных сигналов. 2 ил.

ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР, содержащий термопреобразователь с частотным выходом, первый и второй генераторы частоты, реверсивный счетчик, элемент И, триггер, блок индикации, преобразователь частоты в код, преобразователь кода в частоту с частотным входом, соединенным с выходом второго генератора частоты, и с кодовым входом, при этом суммирующий вход реверсивного счетчика соединен с выходом элемента И, первый вход которого подключен к выходу триггера, а выход преобразователя частоты в код соединен с входом блока индикации, отличающийся тем, что в него введены коммутатор, третий генератор частоты, кодовый вход преобразователя кода в частоту выполнен в виде входа масштабируемого коэффициента, а выход его соединен с первым информационным входом коммутатора, второй информационный вход которого подключен к выходу третьего генератора частоты, а его управляющий вход к инверсному выходу триггера, информационный D-вход которого соединен с выходом переноса реверсивного счетчика, вычитающий вход которого объединен с управляющим C-входом триггера и выходом термопреобразователя, при этом выход первого генератора частоты соединен с вторым входом элемента И, а выход коммутатота с входом преобразователя частоты в код.