ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР Российский патент 2003 года по МПК G01K7/32 

Изобретение касается температурных измерений и предназначено для работы с термопреобразователями с частотным выходным сигналом, у которых выходная частота F связана с температурой t^o зависимостью Изобретение может быть использовано при построении цифровых термометров, работающих с термопреобразователями, имеющими частотный выходной сигнал, например, пьезокварцевыми термопреобразователями.

Известен цифровой термометр [1], содержащий термопреобразователь с частотным выходом, генератор частоты смешения, смеситель, счетчик, два коммутирующих элемента, схему совпадения, схему управления, схему И, счетчик результата, триггер знака, ревесивную систему индикации. В этом устройстве термочастотная характеристика реального термопреобразователя линеаризируется с помощью кусочно-линейной аппроксимации.

Недостатками цифрового термометра [1] являются низкая точность вследствие наличия методической погрешности при реализации аппроксимации квадратичной функции и низкая помехоустойчивость из-за необходимости последовательного выбора диапазонов значений температур при отсутствии контроля за состоянием выходной информации.

Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности является цифровой термометр [2], который и выбран в качестве прототипа. Прототип по сравнению с аналогом обладает более высокой точностью из-за отсутствия методической погрешности и имеет лучшую помехоустойчивость благодаря реализации оператора усреднения.

В состав прототипа входят: термопреобразователь с частотным выходом, первый и второй генераторы частот, реверсивный и суммирующий счетчики, три элемента И, триггер, блок индикации, преобразователи частоты в код и кода в частоту, причем выход термопреобразователя соединен с установочным входом триггера, сбрасывающий вход которого подключен к выходу переноса суммирующего счетчика, соединенного счетным входом с выходом первого элемента И, первый вход которого соединен с выходом первого генератора частоты, а второй - с выходом триггера и со вторыми входами второго и третьего элементов И, причем первые входы этих элементов И соединены соответственно второго - с выходом второго генератора частоты и с опорным частотным входом преобразователя кода в частоту, а третьего - с выходом преобразователя кода в частоту и с вычитающим входом реверсивного счетчика, суммирующий вход этого счетчика подключен к выходу второго элемента И, а выход третьего элемента И соединен со входом преобразователя частоты в код, выход которого подсоединен ко входу блока индикации, кроме того, в прототипе кодовый вход преобразователя кода в частоту подключен к выходу реверсивного счетчика.

Прототип [2] работает в непрерывном режиме и обеспечивает линеаризацию характеристик термопреобразователей с зависимостью

где F(t^o) - выходная частота термопреобразователя;
t^o - температура;
а - постоянный коэффициент.

Импульсный сигнал с выхода термопреобразователя благодаря квадратичной функциональной характеристике термометра
N=F(t^o)²F₂k²Θ/F₁ ²,
при выполнении условия
a=F₂k²Θ/F₁ ²,
без методической погрешности однозначно связан с измеряемой температурой
N=t^o.

Здесь:
F₁ и F₂ - частоты импульсных последовательностей с выходов первого и второго генераторов частот;
k - коэффициент деления счетчика 5;
Θ - время, много большее периода следования импульсов от термопреобразователя.

Недостатком прототипа [2] является длительное время выхода в установившийся режим.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание цифрового термометра с ускоренной отработкой изменений частоты выходных сигналов термопреобразователя.

Техническим результатом является повышение быстродействия цифрового термометра.

Решение поставленной задачи состоит в том, что в цифровой термометр, в состав которого входят: термопреобразователь с частотным выходом, первый и второй генераторы частот, реверсивный и суммирующий счетчики, три элемента И, триггер, блок индикации, преобразователи частоты в код и кода в частоту, причем выход термопреобразователя соединен с установочным входом триггера, сбрасывающий вход которого подключен к выходу переноса суммирующего счетчика, соединенного счетным входом с выходом первого элемента И, первый вход которого соединен с выходом первого генератора частоты, а второй - с выходом триггера и со вторыми входами второго и третьего элементов И, причем первые входы этих элементов И соединены соответственно второго - с выходом второго генератора частоты и с опорным частотным входом преобразователя кода в частоту, а третьего - с выходом преобразователя кода в частоту и с вычитающим входом реверсивного счетчика, суммирующий вход этого счетчика подключен к выходу второго элемента И, а выход третьего элемента И соединен со входом преобразователя частоты в код, выход которого подсоединен ко входу блока индикации, кроме того, введен регистр, кодовый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, прямой динамический вход записи - с выходом триггера, а выход - с кодовым входом преобразователя кода в частоту.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании цифрового термометра с повышенным быстродействием линеаризации частотного сигнала за счет использования запоминающей обратной связи при получении квадратичной зависимости, благодаря чему ускоряется отработка изменений частоты выходных сигналов термопреобразователя.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого цифрового термометра, на фиг.2 - временные диаграммы переходного процесса, а на фиг.3 - временные диаграммы процессов, протекающих в устройстве в установившемся режиме.

Цифровой термометр содержит термопреобразователь 1 с частотным выходом, первый и второй генераторы частот 2 и 3, реверсивный и суммирующий счетчики 4 и 5, три элемента И 6, 7 и 8, триггер 9, блок индикации 10, преобразователи частоты в код 11 и кода в частоту 12, а также регистр 13, причем выход термопреобразователя 1 соединен с установочным входом триггера 9, сбрасывающий вход которого подключен к выходу переноса суммирующего счетчика 5, соединенного счетным входом с выходом первого элемента И 6, первый вход которого соединен с выходом первого генератора частоты 2, а второй - с выходом триггера 9 и со вторыми входами второго 7 и третьего 8 элементов И, причем первые входы этих элементов И соединены соответственно второго 7 - с выходом второго генератора частоты 3 и с опорным частотным входом преобразователя кода в частоту 12, а третьего 8 - с выходом преобразователя кода в частоту 12 и с вычитающим входом реверсивного счетчика 4, суммирующий вход этого счетчика 4 подключен к выходу второго элемента И 7, а выход третьего элемента И 8 соединен со входом преобразователя частоты в код 11, выход которого подсоединен ко входу блока индикации 10, кодовый вход регистра 13 соединен с выходом реверсивного счетчика 4, прямой динамический вход записи - с выходом триггера 9, а выход - с кодовым входом преобразователя кода в частоту 12.

Цифровой термометр работает в непрерывном режиме и обеспечивает линеаризацию характеристик термопреобразователей с зависимостью

Цифровой термометр работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени счетчики 4, 5 и регистр 13 обнулены, генераторы частот 2 и 3 вырабатывают импульсные последовательности с частотами F₁ и F₂, термопреобразователь 1 вырабатывает частоту F(t^o).

Первый импульс с выхода термопреобразователя 1 поступает на установочный вход триггера 9, устанавливая его в единицу. Появление единичного уровня на выходе триггера 9 инициирует запись нулевого кода из счетчика 4 в регистр 13, а фиксация этого уровня обеспечивает прохождение через элемент И 6 импульсов, следующих с частотой F₁, с выхода генератора частоты 2 на счетный вход счетчика 5 и через элемент И 7 импульсов, следующих с частотой F₂, с выхода генератора частоты 3 на суммирующий вход реверсивного счетчика 4. Нулевой код, содержащейся в регистре 13, обуславливает отсутствие импульсов на выходе преобразователя кода в частоту 12, поэтому на вычитающий вход реверсивного счетчика 4 и на вход преобразователя частоты в код 11 импульсы не поступают.

В момент, когда в счетчике 5 возникнет переполнение, сигнал переноса сбросит триггер 9, что приведет к блокировке поступления импульсов с выхода генератора частоты 2 на счетный вход счетчика 5 и импульсов с выхода генератора частоты 3 на суммирующий вход реверсивного счетчика 4. Это состояние устройства будет сохраняться до появления следующего импульса с выхода термопреобразователя 1.

Следующий импульс с выхода термопреобразователя 1 поступает на установочный вход триггера 9, устанавливая его в единицу. Появление единичного уровня на выходе триггера, как и в предыдущем случае, инициирует запись накопленного кода из счетчика 4 в регистр 13. Зафиксированный единичный уровень на выходе триггера 9 обеспечивает прохождение импульсов с выхода генератора частоты 2 на счетный вход счетчика 5, импульсов с выхода генератора частоты 3 на суммирующий вход реверсивного счетчика 4 и, кроме того, прохождение импульсов с выхода преобразователя кода в частоту 12 на вход преобразователя частоты в код 11 через элемент И 8. Код, формируемый преобразователем частоты в код 11, индицируется блоком индикации 10. На вычитающий вход реверсивного счетчика 4 поступают импульсы, вырабатываемые преобразователем кода в частоту 12 под воздействием кода, содержащегося в регистре 13, и импульсов, следующих с частотой F₂, с выхода генератора частоты 3.

В момент, когда в счетчике 5 возникнет переполнение, сигнал переноса сбросит триггер 9, что приведет к блокировке поступления импульсов с выхода генератора частоты 2 на счетный вход счетчика 5, импульсов с выхода генератора частоты 3 на суммирующий вход реверсивного счетчика 4, а также импульсов с выхода преобразователя кода в частоту 12 на вход преобразователя частоты в код 11. Это состояние устройства будет сохраняться до появления следующего импульса с выхода термопреобразователя 1.

С приходом очередного импульса с выхода термопреобразователя 1 процесс повторяется.

Принцип действия цифрового термометра основан на модуляции опорной частотно-импульсной последовательности широтно-импульсными сигналами с постоянной длительностью и изменяющимся в зависимости от входного сигнала периодом, определяющим время срабатывания запоминающей обратной связи, с целью выработки и автоматической компенсации сигнала рассогласования устройства при получении линеаризирующей квадратичной зависимости, что обеспечивает быстрое отслеживание изменений входных данных при формировании результата.

Наличие в устройстве отрицательной обратной связи обеспечивает выход в режим установившегося динамического равновесия, характеризующийся равенством количества импульсов, приходящих на суммирующий N₊ и на вычитающий N_- входы реверсивного счетчика 4 в течение временного интервала τ, т. е.

N₊=N_- или F₊=F_-, (1)
где F₊ и F_- - средние значения частот импульсных последовательностей на суммирующем и вычитающим входах счетчика 4 соответственно.

Среднее значение частоты импульсной последовательности на суммирующем входе счетчика 4 за период сигнала от термодатчика определяется следующим образом
F₊=F₂γ,
где γ - относительная длительность единичного уровня на выходе триггера за период сигнала термодатчика.

На вычитающий вход реверсивного счетчика 4 поступает импульсная последовательность с выхода преобразователя кода в частоту 12
F_-=F₂N_RG/2ⁿ,
где N_RG - входной код преобразователя кода в частоту 12, снимаемый с выхода регистра 13,
n - разрядность преобразователя кода в частоту 12 и регистра 13.

В установившемся режиме количество импульсов, пришедших на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика в течение времени Θ устройства, равны, что и позволяет получить следующее равенство
F₂γ=F₂N_RG/2ⁿ,
или
γ2ⁿ=N_RG. (2)
При этом на выходе преобразователя кода в частоту 12 будет формироваться импульсная последовательность с частотой F₁₂, модулирование которой сигналом, снимаемым с выхода триггера 9, позволит получить результирующую импульсную последовательность со средним значением частоты за период сигнала от термодатчика
F_вых=F₁₂γ,
или с учетом характеристики преобразователя кода в частоту 12
F_вых=γF₂N_RG/2ⁿ.

Отсюда с учетом (2) имеем
F_вых = F₂γ². (3)
Разрядность n преобразователя кода в частоту 12, регистра 13 и реверсивного счетчика 4 определяют точность преобразований. Таким образом, значение опорной частоты F₂ задается исходя из разрядностей указанных элементов и с учетом минимального значения частоты термопреобразователя 1
F₂≤2ⁿF(t^o)_min. (4)
Относительная длительность γ определяется через длительность τ единичного импульса, формируемого на выходе триггера 9, и частоту термопреобразователя 1 F(t^o) следующим образом
γ = τF(t^o).

При этом длительность единичного импульса является постоянной величиной и определяется коэффициентом деления счетчика 5
τ=k/F₁.

Подставляя эти выражения в (3), имеем результирующую импульсную последовательность
F_вых=F₂F(t^o)²(k/F₁)².

Таким образом код, формируемый преобразователем частоты в код 11, в течение времени Θ будет определен как
N=F₂F(t^o)²Θ(k/F₁)²
или
N=aF(t^o)²,
где a=F₂k²Θ/F₁ ².

Выходной код преобразователя частоты в код 11 N однозначно связан с измеряемой температурой t^o и отображается цифровым индикатором блока индикации 10.

После первого T₁ периода работы устройства реверсивный счетчик 4 сформирует код
N_СТ(γ,N_RG)₁=N_RG0+γF₂/F(t^o)-N_RG0F₂/2ⁿF(t^o)=N_RG0[1-F₂/2ⁿF(t^o)] +γF₂/F(t^o), (5)
где N_RG0 - начальное значение выходного кода, снимаемое с регистра 13.

Запись содержимого счетчика 4 в регистр 13 осуществляется в начале каждого периода по переднему фронту широтно-модулированного сигнала, и полученный код неизменно присутствует на выходе регистра 13 в течение всего периода
N_RG1=N_RG0[1-F₂/2ⁿF(t^o)]+γF₂/F(t^o).

После второго Т₂ периода работы устройства реверсивный счетчик 4 сформирует код
N_CT(γ,N_RG)₂=N_RG1+γF₂/F(t^o)-N_RG1F₂/2ⁿF(t^o)={N_RG0[1-F₂/2ⁿF(t^o)] +γF₂/F(t^o)} (1-F₂/2ⁿF(t^o))+γF₂/F(t^o)= N_RG0[1-F₂/2ⁿF(t^o)]²+γF₂/F(t^o)[1+(1-F₂/2ⁿF(t^o))].

После i-гo периода работы устройства реверсивный счетчик 4 сформирует код
N_CT(γ, N_RG)_i= N_RGi-1+γF₂/F(t^o)-N_RGi-1F₂/2ⁿF(t^o)= N_RG0[1-F₂/2ⁿF(t^o)] ⁱ+γF₂/F(t^o)[1+(1-F₂/2ⁿF(t^o))] +(1-F₂/2ⁿF(t^o))²+. . . +(1-F₂/2ⁿF(t^o))^i-1] .

Второе слагаемое этого выражения характеризуется геометрической прогрессией с основанием q=1-F₂/2ⁿF(t^o) и первым членом а₀=1. Таким образом, оно может быть представлено суммой S=а₀/(1-q), то есть S=2ⁿF(t^o)/F₂.

В общем случае код на счетчике 4 в произвольном периоде определяется выражением
N_CT(γ,N_RG)_t=N_RG0[1-F₂/2ⁿF(t^o)]^t+(2ⁿF(t^o)/F₂)γF₂/F(t^o)=N_RG0[1-F₂/2ⁿF(t^o)] ^t+γ2ⁿ.

Из полученного выражения видно, что результат преобразований формируется, когда первое слагаемое становится равным нулю, то есть

Это возможно при выполнении следующего условия
|1-F₂/2ⁿF(t^o)|<1,
или
2ⁿ⁺¹F(t^o)>F₂>0.

Учитывая, что для обеспечения работоспособности устройства с необходимой точностью исходно задается более жесткое ограничение (4), результат преобразований достигается всегда.

При этом достижение результата происходит всегда быстрее, чем у прототипа.

В предлагаемом устройстве действие обратной связи для текущего периода i+1 основано только на итоговых значениях предыдущего i-го периода, которые фиксируются и удерживаются в течение всего текущего периода. При этом текущее состояние счетчика 5 не оказывает влияние на обратную связь, и приращение кода на счетчике к концу периода i+1 будет описываться выражением
Δ(N_CTi+1) = Δ_i+-Δ_i-(N_CTi = N_RGi),
где Δ_i+ - приращение по суммирующему входу счетчика 5;
Δ_i-(N_CTi = N_RGi) - приращение по вычитающему входу счетчика 5, которое в течение периода постоянно и зависит от N_CTi=N_RGi.

В прототипе действие обратной связи для текущего периода i+1 основано в начальный момент на итоговых значениях предыдущего i-го периода, которые сразу изменяются под воздействием отрицательной обратной связи и формируют текущее значение результата. При этом текущее состояние счетчика в течение всего периода оказывает влияние на обратную связь, и приращение кода на счетчике к концу периода i+1 будет описываться выражением

где Δ_i+/- приращение по суммирующему входу счетчика;
приращение по вычитающему входу счетчика, которое в течение периода меняется и зависит как от N_CTi, так и от N_{остек ущее}.

Таким образом, заявляемое устройство к концу любого i+1 периода выходит на больший уровень результата, чем прототип. В итоге в заявляемом устройстве значение приращений результата для достижения установившегося режима на каждом шаге больше, чем у прототипа, следовательно установившийся режим всегда достигается быстрее и обеспечивается ускоренная отработка изменений частоты выходных сигналов термопреобразователя.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1229604. В.Л. Котляров, Клаус Циммерман. Цифровой термометр, кл. G 01 К 7/32, опубликовано 1986 г., бюллютень 17.

2. Авторское свидетельство СССР 1520360. А.И. Гулин, С.В. Забелина, Н. М. Сафьянников и Е.П. Угрюмов. Цифровой термометр, кл. G 01 К 7/32, заявлено 1987 г., опубликовано 1989 г., бюллютень 41, прототип.

Изобретение может быть использовано при построении цифровых термометров, работающих с термопреобразователями, имеющими частотный выходной сигнал. Цифровой термометр содержит термопреобразователь с частотным выходом, первый и второй генераторы частот, реверсивный и суммирующий счетчики, три элемента И, триггер, блок индикации и преобразователи частоты в код и кода в частоту. В устройство также введен регистр, кодовый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, прямой динамический вход записи - с выходом триггера, а выход - с кодовым входом преобразователя кода в частоту. Техническим результатом является повышение быстродействия цифрового термометра. 3 ил.

Цифровой термометр, содержащий термопреобразователь с частотным выходом, первый и второй генераторы частот, реверсивный и суммирующий счетчики, три элемента И, триггер, блок индикации, преобразователи частоты в код и кода в частоту, причем выход термопреобразователя соединен с установочным входом триггера, сбрасывающий вход которого, подключен к выходу переноса суммирующего счетчика, соединенного счетным входом с выходом первого элемента И, первый вход которого соединен с выходом первого генератора частоты, а второй - с выходом триггера и со вторыми входами второго и третьего элементов И, причем первые входы этих элементов И соединены соответственно второго - с выходом второго генератора частоты и с опорным частотным входом преобразователя кода в частоту, а третьего - с выходом преобразователя кода в частоту и с вычитающим входом реверсивного счетчика, суммирующий вход этого счетчика подключен к выходу второго элемента И, а выход третьего элемента И соединен со входом преобразователя частоты в код, выход которого подсоединен ко входу блока индикации, отличающийся тем, что в устройство введен регистр, кодовый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, прямой динамический вход записи - с выходом триггера, а выход - с кодовым входом преобразователя кода в частоту.