ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР Российский патент 2008 года по МПК G01K7/32 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для работы с термопреобразователями с частотным выходным сигналом и может быть использовано при измерениях температуры.

Известен цифровой термометр (пат. RU №2212637, G01K 7/32), 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, второй реверсивный счетчик, первый и второй регистр, второй преобразователь кода в частоту.

Недостатками известного устройства являются его сложность, обусловленная структурой построения, а также ограниченные функциональные возможности, поскольку термометр предназначен лишь для тех термопреобразователей с частотным выходом, у которых выходная частота F связана с температурой t зависимостью F˜√°t.

Известно устройство (заявка RU №2001118050, G01K 7/32) для измерения давления и температуры, содержащее первый и второй пьезорезонаторы, первый и второй автогенераторы, первый, второй и третий счетчики, первую и вторую схемы И, генератор тактовых импульсов, триггер, блок управления, вычислительный блок, ПЗУ.

Недостатком известного устройства является его сложность, обусловленная избыточностью структуры. Так, функции управления работой устройства дублируются блоком управления и вычислительным устройством. Вызывает сомнения также работоспособность устройства, поскольку в формуле указана связь только с одним входом триггера.

Из числа аналогов, наиболее близких по технической сущности, является устройство для измерения температуры (пат. RU №2008633, G01K 7/32), содержащее термочувствительный пьезорезонатор, помещенный в защитную капсулу и включенный в частотозадающую цепь измерительного автогенератора, подключенного выходом к первому входу блока формирования разностной частоты, вторым входом подключенного к выходу опорного автогенератора, а также мостовую схему с двумя терморезисторами, включенными в ее смежные плечи, и дифференциальный усилитель постоянного тока, подключенный входом к измерительной диагонали мостовой схемы, последовательно соединенные блок управления, счетчик и блок индикации, а также формирователь кода времени счета, подключенный входом к выходу дифференциального усилителя постоянного тока, и программируемый формирователь интервала времени счета, подключенный группой входов к соответствующим выходам формирователя кода времени счета, а выходом соединенный с первым входом блока управления, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходу блока формирования разностной частоты и выходу опорного автогенератора, а второй выход соединен со счетным входом программируемого формирователя интервала времени счета, при этом терморезисторы размещены в дополнительной защитной капсуле в центре ее полости и на ее внутренней поверхности соответственно.

Недостатком устройства является его повышенная сложность, а также недостаточно высокая точность измерения. При индивидуальной градуировке каждого конкретного устройства определяются коэффициенты A₀, A₁ полинома первой степени, которым аппроксимируется температурная зависимость частоты термочувствительного пьезорезонатора, имеющая вид:

Т=A₀+A₁ F, где Т - значение температуры среды, в которую помещен термочувствительный резонатор, °С; F - значение выходной частоты блока формирования разностной частоты, Гц. Однако полином первой степени не дает высокой точности аппроксимации зависимости, и поэтому не позволяет добиться высокой точности измерения температуры устройством.

Техническим результатом заявляемого является повышение точности измерения температуры при одновременном упрощении устройства.

Указанный результат достигается тем, что в цифровой термометр, содержащий первый термочувствительный пьезорезонатор, помещенный в защитную капсулу и включенный в частотозадающую цепь первого измерительного автогенератора, выход которого соединен с первым входом первого блока формирования разностной частоты, второй вход которого соединен с выходом опорного автогенератора, блок индикации, дополнительно введены второй термочувствительный пьезорезонатор, помещенный в защитную капсулу и включенный в частотозадающую цепь второго измерительного автогенератора, выход которого соединен с первым входом второго блока формирования разностной частоты, второй вход второго блока формирования разностной частоты соединен с выходом опорного автогенератора, вычислительный блок, первый счетный вход которого соединен с выходом первого блока формирования разностной частоты, второй счетный вход вычислительного блока соединен с выходом второго блока формирования разностной частоты, третий - таймерный вход вычислительного блока соединен с выходом опорного автогенератора, а четвертый вход соединен с выходом ПЗУ, вход которого соединен с первым выходом вычислительного устройства, второй выход которого, в свою очередь, соединен с входом блока индикации.

Использование одного опорного автогенератора для формирования сигналов разностной частоты от двух термочувствительных пьезорезонаторов позволяет упростить устройство для тех применений, в которых для измерения температур требуется более одного датчика, например, при измерении температуры в прямом и обратном трубопроводе теплосчетчика.

Введение вычислительного блока и ПЗУ позволяет повысить точность измерения температуры.

На чертеже представлена блок-схема цифрового термометра.

Устройство содержит первый термочувствительный пьезорезонатор 1, защитную капсулу 2, первый измерительный автогенератор 3, первый блок формирования разностной частоты 4, опорный автогенератор 5, блок индикации 6, второй термочувствительный пьезорезонатор 7, защитную капсулу 8, второй измерительный автогенератор 9, второй блок формирования разностной частоты 10, вычислительный блок 11, ПЗУ 12, причем первый и второй термочувствительные пьезорезонаторы 1 и 7 включены в частотозадающие цепи первого и второго измерительных автогенераторов 3 и 9 соответственно, выходы которых соединены с первыми входами первого и второго блоков формирования разностной частоты 4 и 10 соответственно, вторые входы блоков формирования разностной частоты 4 и 10 соединены с выходом опорного автогенератора 5, который соединен также, с третьем - таймерным входом вычислительного блока 11, первый и второй счетные входы которого соединены с выходами первого и второго блоков формирования разностной частоты соответственно, четвертый вход соединен с выходом ПЗУ 12, вход которого соединен с первым выходом вычислительного блока 11, второй выход которого, в свою очередь, соединен с входом блока индикации 6 и первый и второй термочувствительные пьезорезонаторы 1 и 7 помещены в защитные капсулы 2 и 8 соответственно.

Цифровой термометр работает следующим образом.

Сигналы от первого 1 и второго 7 термочувствительных пьезорезонаторов, сформированные первым 3 и вторым 9 измерительными автогенераторами, поступают на первые входы соответственно первого 4 и второго 10 блоков формирования разностной частоты, на вторые входы которых поступает сигнал от опорного генератора 5, а с их выходов сигналы разностной частоты F_1P и F_2P (F_1P=F₁-F_оп, F_2Р=F₂-F_оп, где F₁, F₂ - выходные частоты соответственно первого 3 и второго 9 измерительных автогенераторов, F_оп - выходная частота опорного автогенератора 5) поступают соответственно на первый и второй счетные входы вычислительного блока 11. Вычислительный блок 11 подсчитывает количество периодов (N₁, N₂) разностной частоты (F_1P, F_2P). Вычислительный блок 11 подсчитывает также количество N₃ периодов сигнала частоты F_оп, поступающего на его таймерный вход от опорного генератора 5, и, таким образом, отсчитывает заданное время измерения температуры. Измеренные значения количества периодов N₁, N₂ поступают из вычислительного блока 11 на адресные входы ПЗУ 12, из которого по поступившим в него адресам считываются в вычислительный блок 11 значения измеренных температур. Из вычислительного блока 11 значения температур выдаются на индикатор 6.

Предлагаемое изобретение позволяет упростить схему цифрового термометра, поскольку для формирования сигналов разностной частоты от двух термочувствительных пьезорезонаторов 1, 7 используется лишь один опорный автогенератор 5. Кроме того, предлагаемый цифровой термометр обладает более широкими функциональными возможностями, поскольку его структура не привязана к какой-либо одной функциональной зависимости частоты от температуры, как в известных устройствах. В предлагаемом цифровом термометре возможна реализация зависимостей F˜√°t и Т=А₀+А₁F, а также зависимостей другого вида, поскольку при калибровке термочувствительных пьезорезонаторов составляется таблица зависимости температуры Т от частоты F и размещается в ПЗУ.

Кроме того, в предлагаемом термометре, достигается повышение точности за счет применения аппроксимации зависимости температуры от частоты полиномом более высокого порядка, чем полинома Т=А₀+A₁F, используемого в известном устройстве. Повышение точности достигнуто, например, при применении в качестве термочувствительного пьезопреобразователя термопреобразователя частоты кварцевого (ТЧК) РКТВ 206А (ТУ 307-182.003-94). Рабочая частота колебаний резонаторов кварцевых термочувствительных высокотемпературных РКТВ 206А при 37°С 32650,0÷32733,5 Гц, интервал рабочих температур - от минус 50 до плюс 180°С. Температурно-частотные характеристики резонаторов РКТВ 206 определяются зависимостью следующего вида:

где А₁=(-1,78±0,2)1/°С; А₂=(-0,003±0,0005)1/°С²;

А₃=(-0,000000038)1/°С³;

Т₀ - опорное значение температуры, °С;

F₀ - частота резонатора при температуре Т=Т₀, Гц;

F_T - частота резонатора при текущем значении температуры, Гц;

Т - текущее значение температуры, °С.

Поскольку для ТЧК РКТВ 206А опорное значение температуры Т₀=0°С, то зависимость (1) может быть переписана следующим образом:

Аппроксимация зависимости частоты от температуры (1) полиномом третьей степени с градуировкой резонаторов производителем и определение коэффициентов A₁, А₂, А₃ позволяет достичь точности порядка 0,5°С. Для достижения большей точности измерения температуры пользователю необходимо производить индивидуальную градуировку резонаторов полиномом более высокой степени. При использовании в предлагаемом цифровом термометре термочувствительных пьезорезонаторов РКТВ 206А и аппроксимации зависимости температуры от частоты полиномом четвертой степени вида:

достигнута точность не хуже 0,1°С.

Здесь Т - температура, измеряемая цифровым термометром;

4N - количество импульсов частоты (F₁-F_оп, F₂-F_оп), измеренное за 4 секунды;

F₁, F₂ - частоты первого 1 и второго 7 термочувствительных пьезорезонаторов при текущем значении температуры;

F_оп - частота опорного термостабильного кварцевого резонатора РК206 (ТУ 307.-182.004-96) на 32240 Гц;

B₁-B₄ - коэффициенты полинома, определяемые при калибровке термочувствительных пьезорезонаторов 1, 7.

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для работы с термопреобразователями с частотным выходным сигналом и может быть использовано при измерениях температуры, например, в теплосчетчиках для повышения точности измерения температуры при одновременном упрощении устройства. Цифровой термометр содержит два термочувствительных пьезорезонатора, помещенных в защитные капсулы и включенных в частотозадающие цепи измерительных автогенераторов, выходы которых соединены с первыми входами блоков формирования разностной частоты, вторые входы которых соединены с выходом опорного автогенератора, и третьим - таймерным входом вычислительного блока, первый и второй счетные входы которого соединены с выходами первого и второго блоков формирования разностной частоты, а четвертый вход соединен с выходом ПЗУ, вход которого соединен с первым выходом вычислительного блока, второй выход которого, в свою очередь, соединен с входом блока индикации. Технический результат - повышение точности измерения температуры при одновременном упрощении устройства. 1 ил.

Цифровой термометр, содержащий первый термочувствительный пьезорезонатор, помещенный в защитную капсулу и включенный в частотозадающую цепь первого измерительного автогенератора, выход которого соединен с первым входом первого блока формирования разностной частоты, второй вход которого соединен с выходом опорного автогенератора, блок индикации, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй термочувствительный пьезорезонатор, помещенный в защитную капсулу и включенный в частотозадающую цепь второго измерительного автогенератора, выход которого соединен с первым входом второго блока формирования разностной частоты, второй вход второго блока формирования разностной частоты соединен с выходом опорного автогенератора, вычислительный блок, первый счетный вход которого соединен с выходом первого блока формирования разностной частоты, второй счетный вход вычислительного блока соединен с выходом второго блока формирования разностной частоты, третий - таймерный вход вычислительного блока соединен с выходом опорного автогенератора, а четвертый вход соединен с выходом ПЗУ, вход которого соединен с первым выходом вычислительного блока, второй выход которого, в свою очередь, соединен с входом блока индикации.