ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР Российский патент 2007 года по МПК G01K7/32 G01K3/02 

Предлагаемое изобретение касается температурных измерений и предназначено для работы с термопреобразователями с импульсным выходным сигналом. Изобретение может быть использовано при построении цифровых термометров, работающих с термопреобразователями, представляющими измерительную информацию в импульсной форме.

Известно устройство [Пат. №2212637 Российская Федерация, МПК⁷ G01K 7/32. Цифровой термометр / Сафьянников Н.М., Буренева О.И., Бондаренко П.Н. - №2002119072; заявл. 15.07.02; опубл. 20.09.03, Бюл. №26], содержащее термопреобразователь, генератор опорной частоты, два элемента И, два реверсивных счетчика, суммирующий счетчик, два регистра, триггер, два преобразователя код-частота и блок индикации. Устройство выполняет следящее отказоустойчивое измерение температуры и предназначено для работы с термопреобразователями с импульсным выходным сигналом, у которых связь выходной частоты F и температуры t выражена полиномом второй степени

,

где F(t°) - выходная частота термопреобразователя;

t° - температура;

а - постоянный коэффициент.

Недостатком устройства является малый диапазон измерения, определяющийся использованием квадратичной функции, а также сложность реализации, обусловленная необходимостью формирования квадратичной зависимости.

Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности является устройство [A Hardware Interface for the TMP04 / Serial Digital Output Thermometers [Electronic resource] // Data Sheets Analog Devices. - 2002. - p.15 // Режим доступа: http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/14820945TMP03_4_a.pdf], которое и выбрано в качестве прототипа (принципиальная электрическая схема прототипа приведена в приложении). Прототип выполняет обработку сигнала от термопреобразователя, представленного в импульсной форме, связь которого со значением температуры выражена полиномом первой степени

,

где T₁ - длительность единичного уровня выходного импульсного сигнала;

Т₂ - длительность нулевого уровня выходного импульсного сигнала;

a₁, a₂ - постоянные коэффициенты.

При переходе к частотному аргументу передаточная характеристика прототипа выглядит следующим образом:

.

Прототип имеет более широкий диапазон измерения, определяющийся использованием полинома первой степени, благодаря чему для одного и того же частотного диапазона устройства прототип по сравнению с аналогом позволяет получать значения температуры в более широких пределах. Так, у аналога частоты при измерении температуры 100° отличаются от частот, необходимых для измерения температуры 1°, в 10 раз:

для 100°: или F²(100)=100 a²,

для 1°: или F²(1)=a²,

откуда

или .

Соотношение аналогичных частот у прототипа меньше

для 100°:

для 1°:

Пользуясь для упрощения вычислений значениями, соответствующими одному из типовых датчиков серии TMP, a₁=235, а₂=400 и T₁=10 мс, имеем для 1° в численных значениях

, откуда F(1)=369 Гц,

для 100°:

, откуда F(100)=252 Гц.

В результате соотношение частот составляет .

Кроме того, прототип является более простым устройством.

В состав прототипа входят термопреобразователь, генератор частоты, счетчик, регистр, два элемента И и инвертор, причем выход термопреобразователя подключен к первому входу первого элемента И и ко входу инвертора, выход которого подсоединен к первому входу второго элемента И, а выход счетчика подключен ко входу регистра, выход которого является выходом устройства. Прототип содержит также второй регистр, два мультивибратора, элемент исключающее ИЛИ, три резистора, три конденсатора, причем выход термопреобразователя подключен также ко второму входу элемента Исключающее ИЛИ и к выводу первого резистора, второй вывод которого подсоединен к первому входу элемента Исключающее ИЛИ и к выводу первого конденсатора, соединенного другим выводом с нулевой шиной, а выход элемента Исключающее ИЛИ подсоединен к первому входу первого мультивибратора, второй вход которого подсоединен к шине питания, а выход - ко вторым входам первого и второго элементов И и ко второму входу второго мультивибратора, первый вход которого подключен к нулевой шине, а выход - ко входу сброса счетчика, причем второй конденсатор подключен между первым и вторым входами времязадающей цепи первого мультивибратора, а второй резистор - между этим вторым входом и шиной питания, аналогично подключены третий конденсатор и третий резистор к входами времязадающей цепи второго мультивибратора, а выходы первого и второго элементов И подключены ко входам записи соответственно первого и второго регистров, причем выход второго регистра является вторым выходом устройства, а вход подключен к выходу счетчика, соединенного счетным входом с выходом генератора.

Прототип работает в непрерывном режиме и обеспечивает определение характеристик T₁ и Т₂ выходного импульсного сигнала термопреобразователя для их дальнейшей числовой обработки в соответствии с зависимостью

.

Недостатками прототипа являются отсутствие совмещения процессов измерения и вычислительной обработки, что приводит к необходимости проведения дополнительных вычислений для получения значения измеряемой температуры, а также отсутствие следящего отказоустойчивого измерения температуры.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства, выполняющего следящее отказоустойчивое преобразование измерительной информации в соответствии с функциональной характеристикой термопреобразователя.

Техническим результатом является повышение надежности устройства.

Для достижения указанного технического результата в устройство, в состав которого входят термопреобразователь, генератор частоты, счетчик, регистр, два элемента И и инвертор, причем выход термопреобразователя подключен к первому входу первого элемента И и ко входу инвертора, выход которого подсоединен к первому входу второго элемента И, а выход счетчика подключен ко входу регистра, выход которого является выходом устройства, введены элемент И, элемент ИЛИ и три преобразователя код-частота, причем кодовые входы первого и второго преобразователей являются кодовыми входами устройства, а кодовый вход третьего преобразователя подключен к выходу регистра, вход записи которого соединен с выходом термопреобразователя, частотные входы первого, второго и третьего преобразователей код-частота подключены к выходу генератора частоты, а выходы - ко вторым входам второго, первого и третьего элементов И соответственно, первый вход третьего элемента И подключен к выходу инвертора, выход второго элемента И подключен к суммирующему входу счетчика, выполненного с возможностью реверсивного счета, а выходы первого и третьего элементов И подключены соответственно к первому и второму входам элемента ИЛИ, выход которого соединен с вычитающим входом счетчика.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании устройства, выполняющего функциональное преобразование информации, представленной в импульсной форме, за счет использования частотно импульсной следящей системы компенсационного типа, обеспечивающей непрерывное отказоустойчивое формирование результата в соответствии с полиномиальной функцией термопреобразователя.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема прототипа, на фиг.2 изображена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.3 - временные диаграммы процессов, протекающих в устройстве.

Устройство (фиг.2) содержит термопреобразователь 1, генератор частоты 2, счетчик 3, регистр 4, два элемента И 5, 6 и инвертор 7, третий элемент И 8, элемент ИЛИ 9, три преобразователя код-частота 10, 11, 12, причем выход термопреобразователя 1 подключен к первому входу первого элемента И 5 и ко входу инвертора 7, выход которого подсоединен к первому входу второго элемента И 6, а выход счетчика 3 подключен ко входу регистра 4, выход которого является выходом устройства 13, кодовые входы первого 10 и второго 11 преобразователей код-частота являются кодовыми входами устройства 14, 15, а кодовый вход третьего преобразователя 12 подключен к выходу регистра 4, вход записи которого соединен с выходом термопреобразователя 1, частотные входы первого 10, второго 11 и третьего 12 преобразователей код-частота подключены к выходу генератора частоты 2, а выходы - ко вторым входам второго 6, первого 5 и третьего 8 элементов И соответственно, первый вход третьего 8 элемента И подключен к выходу инвертора 7, выход второго элемента И 6 подключен к суммирующему входу счетчика 3, выполненного с возможностью реверсивного счета, а выходы первого 5 и третьего 8 элементов И подключены ко входам элемента ИЛИ 9, выход которого соединен с вычитающим входом счетчика 3.

Устройство работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени счетчик 3 и регистр 4 обнулены, генератор частоты 2 вырабатывает импульсную последовательность с частотой F₀, термопреобразователь 1 вырабатывает импульсный сигнал с длительностью единичного импульса T₁ и длительностью паузы Т₂ (диаграммы F₀ и D, фиг.3). На кодовых входах преобразователей код-частота 10 и 11 постоянно удерживаются коды a₁ и а₂ со входов устройства 14, 15 соответственно, а на частотные входы преобразователей поступает последовательность с частотой F₀ от генератора частоты 2, что обеспечивает постоянное формирование ими соответствующих импульсных последовательностей (диаграммы F₁₀ и F₁₁, фиг.3), которые поступают на вторые входы элементов И 6 и И 5 соответственно. Первый единичный импульс с выхода термопреобразователя 1 инициирует запись нулевого кода из счетчика 3 в регистр 4, а также обеспечивает прохождение импульсной последовательности с выхода преобразователя код-частота 11 на вычитающий вход реверсивного счетчика 3 через элемент И 5 и ИЛИ 9 (диаграммы &₅, f_-СТ фиг.3).

На выходе преобразователя код-частота 12 импульсы отсутствуют, что обусловлено нулевым кодом на выходе регистра 4 (диаграмма F₁₂, фиг.3). Единичный импульс с выхода термопреобразователя 1, проходя через инвертор 7, полученным нулевым значением запирает элементы И 6 и И 8, что приводит к блокировке прохождения импульсов с выхода преобразователя кода в частоту 10.

Окончание единичного импульса на выходе термопреобразователя 1 запирает элемент И 5, что приводит к блокировке поступления импульсов от преобразователя код-частота 11 на вычитающий вход реверсивного счетчика 3 через элемент ИЛИ 9. Нулевое значение на выходе термопреобразователя 1, проходя через инвертор 7, открывает элемент И 6, что приводит к пропусканию импульсных сигналов с преобразователей код-частота 10 на суммирующий вход реверсивного счетчика 3 (диаграмма F_+ст фиг.3), а также отпирает элемент И 8, однако на вход элемента ИЛИ 9 и далее на вычитающий вход реверсивного счетчика 3 импульсы не поступают, что обусловлено отсутствием импульсов на выходе преобразователя код-частота.

Второй единичный импульс с выхода термопреобразователя 1 инициирует запись ненулевого кода из счетчика 3 в регистр 4 (диаграммы СТ, RG фиг.3). Этот же импульс обеспечивает прохождение импульсной последовательности с выхода преобразователя код-частота 11 на вычитающий вход реверсивного счетчика 3 через элемент И 5 и ИЛИ 9.

Ненулевой код, зафиксированный на выходе регистра 4, обеспечивает срабатывание преобразователя кода в частоту 12. Единичный импульс с выхода термопреобразователя 1, проходя через инвертор 7, полученным нулевым значением запирает элементы И 6 и И 8, что приводит к блокировке прохождения импульсов с выхода преобразователя кода в частоту 10 и 12 соответственно.

Окончание единичного импульса на выходе термопреобразователя 1 запирает элемент И 5, что приводит к блокировке поступления импульсов от преобразователя код-частота 11 на вычитающий вход реверсивного счетчика 3 через элемент ИЛИ 9. Нулевое значение на выходе термопреобразователя 1, проходя через инвертор 7, открывает элементы И 6 и И 8, что приводит к пропусканию импульсных сигналов с преобразователя код-частота 10 на суммирующий вход реверсивного счетчика 3 (диаграммы &₈, F_-СТ фиг.3) и с преобразователя код-частота 12 через элемент ИЛИ 9 на вычитающий вход реверсивного счетчика 3.

С приходом очередного импульса с выхода термопреобразователя 1 процесс повторяется.

Принцип действия цифрового термометра основан на модуляции широтно-импульсными сигналами термопреобразователя частотно-импульсных последовательностей, функционально сформированных на основе опорной частоты, для выработки и автоматической компенсации с помощью запоминающей обратной связи сигнала рассогласования устройства в процессе получения его функциональной характеристики в соответствии с параметрами датчика, что обеспечивает отслеживание изменений температуры 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 счетчика 3 в течение периода Т сигнала от термопреобразователя, т.е.

,

где F₊ и F_- - средние значения частот импульсных последовательностей на суммирующем и вычитающим входах счетчика 3 соответственно.

На суммирующий вход счетчика 3 за период Т сигнала от термопреобразователя поступают импульсы с выхода преобразователя код-частота 10, количество которых определяется выражением

,

где n - разрядность преобразователя код-частота 10;

F₀ - частота опорной импульсной последовательности.

На вычитающий вход счетчика 3 за период Т сигнала от термопреобразователя в течение времени T₁, соответствующие его единичному значению, поступают импульсы с выхода преобразователя код-частота 11, количество которых определяется выражением

,

а в течение времени T₂, соответствующие нулевому значению сигнала от термопреобразователя, поступают импульсы с выхода преобразователя код-частота 12, количество которых определяется выражением

,

где N - выходной код устройства.

В режиме установившегося динамического равновесия (1) характеристика устройства будет иметь вид

.

Подставляя в последнее выражение численные характеристики импульсных последовательностей (2), (3), (4), имеем

,

откуда

.

В результате функциональная характеристика заявляемого устройства соответствует функциональной характеристике частотного термопреобразователя.

Таким образом, в заявляемом устройстве решена задача интеграции процессов измерения и вычисления, что устраняет необходимость проведения дополнительных вычислений для получения значения измеряемой температуры и что приводит в повышению надежности.

Кроме того, в отличие от прототипа в заявляемом устройстве отсутствуют навесные аналоговые элементы, что повышает его технологичность и позволяет минимизировать массо-габаритные показатели, а также обеспечивает возможность его реализации использованием микросхем с программируемой структурой.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к цифровым термометрам, работающим с термопреобразователями, представляющими измерительную информацию в импульсной форме. Техническим результатом изобретения является повышение надежности за счет того, что в цифровой термометр входят термопреобразователь, генератор, счетчик, регистр, два элемента И и инвертор, третий элемент И, элемент ИЛИ, три преобразователя код-частота. Причем выход термопреобразователя подключен к первому входу первого элемента И и ко входу инвертора, выход которого подсоединен к первому входу второго элемента И, а выход счетчика подключен ко входу регистра, выход которого является выходом устройства. Кодовые входы первого и второго преобразователей код-частота являются кодовыми входами устройства, а кодовый вход третьего преобразователя подключен к выходу регистра, вход записи которого соединен с выходом термопреобразователя. Частотные входы преобразователей код-частота подключены к выходу генератора, а выходы - ко вторым входам второго, первого и третьего элементов И соответственно. Первый вход третьего элемента И подключен к выходу инвертора, выход второго элемента И подключен к суммирующему входу счетчика, выполненного с возможностью реверсивного счета, а выходы первого и третьего элементов И подключены ко входам элемента ИЛИ, выход которого соединен с вычитающим входом счетчика. Изобретение обеспечивает функциональное преобразование импульсной информации за счет использования частотно-импульсной следящей системы компенсационного типа, обеспечивающей непрерывное отказоустойчивое формирование результата в соответствии с полиномиальной функцией термопреобразователя. 3 ил.

Цифровой термометр, содержащий термопреобразователь, генератор частоты, счетчик, регистр, два элемента И и инвертор, причем выход термопреобразователя подключен к первому входу первого элемента И и ко входу инвертора, выход которого подсоединен к первому входу второго элемента И, а выход счетчика подключен ко входу регистра, выход которого является выходом устройства, отличающийся тем, что в устройство введены третий элемент И, элемент ИЛИ и три преобразователя код-частота, причем кодовые входы первого и второго преобразователей являются кодовыми входами устройства, а кодовый вход третьего преобразователя подключен к выходу регистра, вход записи которого соединен с выходом термопреобразователя, частотные входы первого, второго и третьего преобразователей код-частота подключены к выходу генератора частоты, а выходы - ко вторым входам второго, первого и третьего элементов И соответственно, первый вход третьего элемента И подключен к выходу инвертора, выход второго элемента И подключен к суммирующему входу счетчика, выполненного с возможностью реверсивного счета, а выходы первого и третьего элементов И подключены соответственно к первому и второму входам элемента ИЛИ, выход которого соединен с вычитающим входом счетчика.