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 зависимостью Изобретение может найти применение при построении цифровых термометров, работающих с термопреобразователями, имеющими частотный выходной сигнал, например пьезокварцевыми.

Известен цифровой термометр [1], содержащий термопреобразователь с частотным выходом, два генератора опорных частот, реверсивный и суммирующий счетчики, три элемента И, триггер, блок индикации, преобразователи частоты в код и кода в частоту.

Недостатками цифрового термометра [1] являются низкое быстродействие и невысокая точность измерений вследствие наличия пульсаций выходного кода, вызванных неравномерностью импульсных последовательностей.

Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности является цифровой термометр [2], который и выбран в качестве прототипа. Прототип по сравнению с аналогом является более простым устройством.

Прототип содержит термопреобразователь с частотным выходом, генератор опорной частоты, первый и второй элементы И, реверсивный счетчик, суммирующий счетчик, триггер, преобразователь кода в частоту и блок индикации, причем входы второго элемента И объединены соответственно: первый - с вычитающим входом реверсивного счетчика и выходом преобразователя кода в частоту, второй - с первым входом первого элемента И, с выходом триггера и с суммирующим по весовому коэффициенту n входом реверсивного счетчика, а входы триггера подключены соответственно: установочный - к выходу термопреобразователя, сбрасывающий - к выходу переноса суммирующего счетчика, соединенного счетным входом с выходом первого элемента И, второй вход которого объединен с выходом генератора опорной частоты и с частотным входом преобразователя кода в частоту. Кроме того, прототип содержит преобразователь частоты в код, выход которого подключен ко входу блока индикации, а вход соединен с выходом второго элемента И, причем выход реверсивного счетчика соединен с кодовым входом преобразователя кода в частоту.

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

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

На выходе преобразователя частоты в код за принятый интервал времени преобразования Т, определяемый конструкцией этого преобразователя, формируется тождественное выражение в виде кода

Таким образом, код N_x, представляемый блоком индикации, будет пропорционален квадрату частоты термопреобразователя с коэффициентом пропорциональности

то есть

В результате обеспечивается линеаризация характеристики термопреобразователя.

Недостатком прототипа [2] является невысокая точность преобразований вследствие наличия пульсаций выходного кода.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание цифрового термометра со сглаживанием пульсаций при выполнении преобразований, связанных с получением результата.

Техническим результатом является повышение точности линеаризации.

Для решения поставленной задачи в устройство, содержащее термопреобразователь с частотным выходом, генератор опорной частоты, первый и второй элементы И, реверсивный счетчик, суммирующий счетчик, триггер, преобразователь кода в частоту и блок индикации, причем входы второго элемента И объединены соответственно первый - с вычитающим входом реверсивного счетчика и выходом преобразователя кода в частоту, второй - с первым входом первого элемента И, с выходом триггера и с суммирующим по весовому коэффициенту n входом реверсивного счетчика, а входы триггера подключены соответственно установочный - к выходу термопреобразователя, сбрасывающий - к выходу переноса суммирующего счетчика, соединенного счетным входом с выходом первого элемента И, второй вход которого объединен с выходом генератора опорной частоты и с частотным входом преобразователя кода в частоту, согласно изобретению введены второй реверсивный счетчик, два регистра и второй преобразователь кода в частоту, кодовый вход которого подключен к выходу второго регистра и ко входу блока индикации, частотный вход - к выходу генератора опорной частоты, а выход - к вычитающему входу второго реверсивного счетчика, суммирующий вход которого соединен с выходом второго элемента И, а выход cоединен с кодовым входом второго регистра, причем кодовый вход первого регистра соединен с выходом реверсивного счетчика, а выход - с кодовым входом преобразователя кода в частоту, прямые динамические входы записи регистров подключены к выходу триггера.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании цифрового термометра с повышенной точностью преобразований за счет двукратного использования запоминающей обратной связи при каскадном получении квадратичной зависимости в процессе линеаризации, благодаря чему сглаживаются пульсации, возникающие при выполнении преобразований.

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, генератор опорной частоты 2, первый и второй элементы И 3 и 4, реверсивный счетчик 5, суммирующий счетчик 6, триггер 7, преобразователь кода в частоту 8 и блок индикации 9, второй реверсивный счетчик 10, два регистра 11 и 12 и второй преобразователь кода в частоту 13, причем входы второго элемента И 4 объединены соответственно: первый - с вычитающим входом реверсивного счетчика 5 и выходом преобразователя кода в частоту 8, второй - с первым входом первого элемента И 3, с выходом триггера 7 и с суммирующим по весовому коэффициенту n входом реверсивного счетчика 5, а входы триггера 7 подключены соответственно установочный - к выходу термопреобразователя 1, сбрасывающий - к выходу переноса суммирующего счетчика 6, соединенного счетным входом с выходом первого элемента И 3, второй вход которого объединен с выходом генератора опорной частоты 2 и с частотным входом преобразователя кода в частоту 8, причем кодовый вход второго преобразователь кода в частоту 13 подключен к выходу второго регистра 12 и ко входу блока индикации 9, частотный вход - к выходу генератора опорной частоты 2, а выход - к вычитающему входу второго реверсивного счетчика 10, суммирующий вход которого соединен с выходом второго элемента И 4, а выход соединен с кодовым входом второго регистра 12, причем кодовый вход первого регистра 11 соединен с выходом реверсивного счетчика 5, а выход - с кодовым входом преобразователя кода в частоту 8, прямые динамические входы записи регистров 11 и 12 подключены к выходу триггера 7.

Цифровой термометр работает следующим образом.

Генератор опорной частоты 2 вырабатывает опорную импульсную последовательность с частотой F₁, причем частота F₁ должна быть много больше выходной частоты F(t) термопреобразователя 1.

Пусть в начальный момент времени счетчики 5, 6 и 10, регистры 11 и 12, а также триггер 7 находятся в нулевом состоянии, и вследствие этого элементы И 3 и 4 закрыты.

Первый импульс с выхода термопреобразователя 1 поступает на вход установки S триггера 7 и устанавливает его в единицу. Появление единичного уровня на выходе триггера 7 инициирует запись нулевого кода из счетчиков 5 и 10 в регистры 11 и 12 соответственно, а фиксация этого уровня обеспечивает пропускание частотной последовательности F₁ от генератора 2 через элемент И 3 на суммирующий счетчик 6, что делает его состояние отличным от нуля. Установка триггера 7 в единичное состояние приводит также к срабатыванию счетчика 5 по суммирующему с весовым коэффициентом n входу, при этом счетчик 5 сразу увеличивает свое содержимое на n.

На суммирующем входе второго реверсивного счетчика 10 и на вычитающих входах обоих счетчиков 5 и 10 импульсы с преобразователей кода в частоту 8 и 13 отсутствуют, что обусловлено нулевыми кодами на выходах регистров 11 и 12.

Счетчик 6, считая импульсы опорной частоты F₁, через время τ переполняется и, тем самым, сбрасывает триггер 7. В результате этого элементы И 3 и 4 запираются, что приводит к блокировке поступления импульсов с выхода генератора частоты 2 на счетный вход счетчика 6.

Это состояние устройства сохраняется до появления следующего импульса с выхода термопреобразователя 1.

Второй импульс с выхода термопреобразователя 1 снова устанавливает триггер 7 в единичное состояние. Появление единичного уровня на выходе триггера 7 инициирует запись ненулевого кода из счетчика 5 в регистр 11 и нулевого кода из счетчика 10 в регистр 12, а фиксация этого уровня обеспечивает пропускание частотной последовательности F₁ от генератора 2 через элемент И 3 на суммирующий счетчик 6, что вновь делает его состояние отличным от нуля. Установка триггера 7 в единичное состояние приводит также к срабатыванию счетчика 5 по суммирующему с весовым коэффициентом n входу, при этом счетчик 5 вновь увеличивает свое содержимое на n.

Ненулевой код, удерживаемый на выходе регистра 11, приводит к срабатыванию преобразователя кода в частоту 8, что обеспечивает появление импульсов на вычитающем входе счетчика 5. Эти же импульсы проходят на суммирующий вход счетчика 10 через элемент И 4, открытый единичным состоянием триггера 7. На вычитающем входе второго реверсивного счетчика 10 импульсы с преобразователя кода в частоту 13 отсутствуют, что обусловлено нулевым кодом на выходе регистра 12.

Счетчик 6, считая импульсы опорной частоты F₁, через время τ переполняется и, тем самым, вновь сбрасывает триггер 7. В результате этого элементы И 3 и 4 снова запираются, что приводит к блокировке поступления импульсов с выхода генератора частоты 2 на счетный вход счетчика 6, а также импульсов с выхода преобразователя кода в частоту 8 на суммирующий вход реверсивного счетчика 10.

Это состояние устройства сохраняется до появления следующего импульса с выхода термопреобразователя 1.

Третий импульс с выхода термопреобразователя 1 снова устанавливает триггер 7 в единичное состояние. Появление единичного уровня на выходе триггера 7 обеспечивает запись содержимого счетчиков 5 и 10 в регистры 11 и 12 соответственно. Фиксация единичного уровня на выходе триггера 7 обеспечивает прохождение частотной последовательности F₁ от генератора 2 через элемент И 3 на суммирующий счетчик 6, что вновь делает его состояние отличным от нуля. Установка триггера 7 в единичное состояние приводит также к срабатыванию счетчика 5 по суммирующему с весовым коэффициентом n входу, при этом счетчик 5 вновь увеличивает свое содержимое на n.

Код, удерживаемый на выходе регистра 11, приводит к срабатыванию преобразователя кода в частоту 8, что обеспечивает появление импульсов на вычитающем входе счетчика 5. Эти же импульсы проходят на суммирующий вход счетчика 10 через элемент И 4, открытый единичным состоянием триггера 7.

Ненулевой код, зафиксированный на выходе регистра 12, обеспечивает срабатывание преобразователя кода в частоту 13, что приводит к появлению импульсов на вычитающем входе реверсивного счетчика 10.

Счетчик 6, считая импульсы опорной частоты F₁, через время τ снова переполняется, и вновь сбрасывает триггер 7. В результате этого элементы И 3 и 4 запираются, что приводит к блокировке поступления импульсов с выхода генератора частоты 2 на счетный вход счетчика 6, а также импульсов с выхода преобразователя кода в частоту 8 на суммирующий вход реверсивного счетчика 10.

Это состояние устройства сохраняется 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 запоминающих обратных связей, с целью выработки и автоматической компенсации сигналов рассогласования в каскадах при получении линеаризующей квадратичной зависимости, что обеспечивает фиксацию в каскадах значений кодов, сформированных в течение периода, и выработку благодаря этому постоянных на периоде соответствующих частотных последовательностей при стабильном удержании результата.

Наличие в устройстве контуров отрицательных обратных связей обеспечивает выход в режим установившегося динамического равновесия. Этот режим характеризуется равенством количества импульсов с учетом их весовых коэффициентов, которые поступают на суммирующий N₊ и на вычитающий N_- входы реверсивных счетчиков 5 и 10 в течение временного интервала τ, то есть
nN_+(СТ5)=N_-(СТ5) или nF_+(СТ5)=F_-(СТ5) (1)
и
N_+(СТ10)=N_-(СТ10) или F_+(СТ10)=F_-(СТ10),
где F₊ и F_- - средние значения частот импульсных последовательностей на суммирующем и вычитающем входах счетчиков 5 и 10.

На суммирующий вход счетчика 5 за период сигнала от термодатчика приходит один импульс, и, исходя из этого, можно записать равенство

На вычитающий вход реверсивного счетчика 5 поступает импульсная последовательность с выхода преобразователя кода в частоту 8
F_-(СТ5)=N_(RG12)F₁/2^r. (4)
где N_(RG11) - входной код преобразователя кода в частоту 8, снимаемый с выхода регистра 11,
r - разрядность преобразователя кода в частоту 8 и регистра 11.

Среднее значение частоты импульсной последовательности на суммирующем входе счетчика 10 за период сигнала от термопреобразователя определяется следующим образом
F_+(СТ10)=F_-(СТ5)θ,
или с учетом (4)
F_+(СТ10)=θN_(RG11)F₁/2^r, (5)
где относительная длительность единичного уровня на выходе триггера за период сигнала термодатчика.

На вычитающий вход реверсивного счетчика 10 поступает импульсная последовательность с выхода преобразователя кода в частоту 13
F_-(CT10)=N_(RG12)F₁/2^r (6)
где N_(RG12) - входной код преобразователя кода в частоту 13, снимаемый с выхода регистра 12.

В установившемся режиме количество импульсов, пришедших на суммирующий и вычитающий входы реверсивных счетчиков за один период T_f(t) работы устройства, равны, что и позволяет получить следующие равенства:
- для счетчика 5 из уравнения (1) с учетом (3), (4)

или
(7)
- для счетчика 10 из уравнения (2) с учетом (5), (6)
θN_(RG11)F₁/2^r=N_(RG12)F₁/2^r или N_(RG12)=θN_(RG11). (8)
Относительная длительность θ определяется через постоянную длительность единичного импульса τ =k/f₁ и частоту термопреобразователя F(t^o) следующим образом
θ = τF(t^°),
где к - коэффициент деления счетчика 6.

Принимая соотношение веса n суммирующего входа счетчика 5
n = τF₁,
из равенств (7) и (8) получаем
N_(RG12)=n²2^rF(t^o)²/F₁ ². (9)
Таким образом, за один период сигнала термодатчика на регистре 12 будет сформировано текущее значение кода, пропорционального измеряемой температуре, которое поступит на блок индикации 9.

При этом на выходе преобразователя кода в частоту 13 будет формироваться импульсная последовательность с частотой, определяемой равенствами (6) и (9)
F_-(CT10)=n²F(t^o)²/F₁,
что за принятый интервал времени преобразования Т, будет соответствовать коду
N_x=TF_-(CT10)
или
N_x=n²TF(t^o)²/F₁.

Таким образом, функциональная характеристика заявляемого устройства соответствует функциональной характеристике прототипа.

В прототипе в течение периода сигнала от термопреобразователя T_F(t) получаемый в частотном виде результат F(t, θ) представляет собой широтно-модулированную импульсную последовательность

где i= 0, 1, 2,...;
t - текущее время.

Эта импульсная последовательность имеет значительную неравномерность, определяемую широтным модулированием (10). Поэтому для получения результата с приемлемым уровнем пульсаций требуется усреднение за большой интервал времени преобразования Т, который должен превышать период сигнала от термодатчика T_f(t) в зависимости от требуемой точности, Т>>т_f(t).

В заявляемом устройстве, за счет двукратного использования запоминающей обратной связи, усреднение естественным образом происходит непосредственно в контурах обратных связей, причем за время, равное периоду сигнала от термодатчика T_f(t). Результат удерживается в течение всего периода на выходном регистре контура обратной связи, и, следовательно, здесь в принципе отсутствуют пульсации на выходе устройства.

Кроме того, в заявляемом устройстве не требуется большого интервала времени преобразования Т для подавления пульсаций результата, так как достаточно выполнения условия Т = T_F(t).

Таким образом, в заявляемом устройстве решена задача сглаживания пульсаций при выполнении преобразований, связанных с получением результата, и тем самым повышена точность линеаризации.

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

2. Патент РФ 2135965. Бондаренко П.Н., Сафьянников Н.М. Цифровой термометр, кл. G 01 К 7/32, заявлено 1997 г., опубликовано 1999 г., бюл. 24.

Изобретение предназначено для работы с термопреобразователями с частотным выходным сигналом и направлено на создание цифрового термометра со сглаживанием пульсаций при выполнении преобразований, связанных с получением результата. Цифровой термометр включает термопреобразователь с частотным выходом, генератор опорной частоты, первый и второй элементы И, реверсивный счетчик, суммирующий счетчик, триггер, преобразователь кода в частоту и блок индикации, второй реверсивный счетчик, два регистра и второй преобразователь кода в частоту. Техническим результатом является повышение точности линеаризации. 3 ил.

Цифровой термометр, содержащий термопреобразователь с частотным выходом, генератор опорной частоты, первый и второй элементы И, реверсивный счетчик, суммирующий счетчик, триггер, преобразователь кода в частоту и блок индикации, причем входы второго элемента И объединены соответственно первый с вычитающим входом реверсивного счетчика и выходом преобразователя кода в частоту, второй - с первым входом первого элемента И, с выходом триггера и с суммирующим по весовому коэффициенту n входом реверсивного счетчика, а входы триггера подключены соответственно установочный к выходу термопреобразователя, сбрасывающий - к выходу переноса суммирующего счетчика, соединенного счетным входом с выходом первого элемента И, второй вход которого объединен с выходом генератора опорной частоты и с частотным входом преобразователя кода в частоту, отличающийся тем, что в устройство введены второй реверсивный счетчик, два регистра и второй преобразователь кода в частоту, кодовый вход которого подключен к выходу второго регистра и ко входу блока индикации, частотный вход - к выходу генератора опорной частоты, а выход - к вычитающему входу второго реверсивного счетчика, суммирующий вход которого соединен с выходом второго элемента И, а выход соединен с кодовым входом второго регистра, причем кодовый вход первого регистра соединен с выходом реверсивного счетчика, а выход - с кодовым входом преобразователя кода в частоту, прямые динамические входы записи регистров подключены к выходу триггера.