Цифровой измеритель температуры Советский патент 1984 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к темпера-/ турным измерениям, а именно к цифровым измерителям температуры, принцип работы которых заключается в формировании интервала времени, пропорционального времени разряда конденсатора через термопреобразователь сопротивления. Известно устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь сопротивления, эталонный резистор, идентичные конденсаторы, источник напряжения, ключевые элемен ты, коммутатор, формирователь импуль сов, преобразователь длительности импульсов в код, счетчик импульсов и индикатор tlJ. Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, обусловленная неидентичностью конден саторов, нуль-органов формирователя импульсов и других элементов. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является цифровой измеритель температуры, содержащий конденсатор, первый вывод кото рого соединен с первыми выводами термопреобразователя сопротивления эталонного резистора, источника напряжения и точкой нулевого потенциала формирователя импульсов, а второй вьшод через управляемые ключи подключен к вторым выводам термопреобразователя сопротивления, эталонного резистора, источника -напряжения и входу формирователя импульсов, сое диненному через управляемый ключ с точкой нулевого потенциала формирователя импульсов, выходы которого подключены к входам преобразователя длительности импульсов в код, счетчик результата измерения, выход которого через дешифратор Соединен с инди ка тором, коммутатор, вход которого соединен с выходом преобразователя длительности импульсов в код, а выходы подключены к управляющим входам ключей, формирователя импульсов и счетчика результата измерения два счетчика, выходы которых соединены с входами схемы совпадения, входящими в состав блока выделения разности кодов, входы которого соеди нены с выходами преобразователя длительности импульсов в код, а выход подключен к входу счетчика результата измерения t23. Недостатком известного устройства является низкая точность измерения при удалении объекта, температуру которого измеряют, от индикатора информации, а также при большом диапазоне измеряемых температур. При удалении объекта от регистратора информации (индикатора) необходимо либо использовать длинную четырехпроводную линию связи между термопреобразователем сопротивления и эталонным резистором и остальными элементами устройства, либо использовать длинную линию связи между блоком вьщеления разности кодов и индикатором. В первом случае из-за воздействия дестабилизирую1Г1х. факторов, например температуры,сопротивление линии изменяется и для обеспечения заданной точности измерения необходимо чормировать линию связи по активному сопротивлению, добиваясь идентичности сопротивления линии связи термопреобра-зователя и линии связи эталонноТо резистора. Во втором случае для снижения Требований к параметрам линии связи при передаче число-импульсного кода необходимо понижать частоту преобразования (частоту следования информативных импульсов), чтобы реактивные параметры линии обеспечили передачу и прием информации с заданной достоверностью и точностью. Но со снижением частоты преобразования время цикла измерения может оказаться таким, что элементы, участвующие в преобразовании, могут изменить свои характеристики, что ведет к снижению точности измерения. Кроме того, при большом динамическом диапазоне измерения температуры И соответственно большой разности значений сопротивлений термопреобразователя сопротивления и эталонного резистора на погрешность измерения оказывает влияние нелинейность разряда ковденсатора. Цель изобретения - повышение точности измерения температуры. Поставленная цель достигается тем, что в цифровой измеритель температуры, содер;жащий конденсатор, первый вывод которого соединен с первыми выводами термопреобразователя сопротивления, эталон11ого резистора, источника напряжения и точкой нулевого потенциала формирователя импульсов, а второй вывод через управляемые ключи подключен к вторым выводам термопреобразо3.1 1

вателя сопротивления, эталонного резистора, источниканапряжения и входу формирователя импульсов, соединенному через управляемый ключ с точкой нулевого потенциала формирователя импульсов, выходы которого подключены к входам преобразователя длительности импульсов в код, счетчик результата измерения, выходкоторого через дешифратор соединен с индикатором, коммутатор, вход которого соединен с выходом преобразователя длительности импульсов в код, а выходы подключены к управляющим входам ключей, формирователя импульсов и счетчика результата измерения, два счетчика, выходы которых соединены с входами схемы сравнения кодов, введены генератор нормированной частоты, задатчик точек коррекции, два формирователя импульсов коррекции, схема управления формирователями импульсов и распределитель импульсов, входы которого соединены с информационными выходами преобразователя длительности импульсов в код, выходами схемы совпадения и первого формирователя импульсов коррекции, информационные выходы соединены с входами двух счетчиков, а тактирующий выход соединен с входом схемы управления формирова1телями импульсов и тактирующим входом генератора нормированной частоты, выход которого подключен к входу распределителя импульсов и входу счетчика результата измерения, установочные входы первого счетчика соединены с выходами второго формирователя импульсов коррекции, а выходы соединены с входами задатчика точек коррекции, выходы которого подключены к установочным входам формирователей импульсов коррекции и входам схемы управления формирователями импульсов, выходы которой подключены к тактирующим входам формирователей импульсов коррекции, при этом выходкоммутатора соединен с установочными входами распределителя импульсов, задатчик точек коррекции и схемы управления формирователями импульсов.

На фиг. 1 приведена блок-схема цифрового измерителя температуры; на фиг.2 - эпюры напряжений, поясняющие его работу.

Цифровой измеритель температуры 1содержит термопреобразователь сопротивления 1, эталонный резистор 2, конденсатор 3, источник напряжения

10384

t, управляемые ключи 5-9, формирователь импульсов 10, преобразователь длительности импульсов в код 11, коммутатор 12, расположенные в оте дельном блоке 13 генератор нормированной частоты 14, формирователи импульсов коррекции 15 и 16, задатчик точеккоррекции 17, распределит.ель импульсов 18, схему управления фор0 мирователями импульсов 19, счетчики импульсов 20 и 21 и схему совпадения кодов 22, счетчик результатаизмерения 23 с дешифратором 24, индикатор 25.

5 Распреде литель импульсов 18 содержит триггер 26, элемент 2ИЛИ 27, элементы 2Ш1И-НЕ 28, 29 и 30 и элемент ЗИЛИ-НЕ 31.

Задатчик точек коррекции 17 имеет

0 в своем составе счетчик импульсов, выполненный, например, в виде десятичного счетчика 32 с выходами 33 36, элемент ЗИ-НЕ 37, многовходовый элемент И-НЕ 38 и формирователь ко5 роткого импульса 39.

Схема управления формирователями импульсов 19 в свою очередь состоит из триггера 40, элементов 2И 41, 42 и 43 и инвертора 44.

Выходы формирователя импульсов 10

0 подключены к входам преобразователя длительности импульсов в код 11, один выход которого подключен к входу коммутатора 12, а другие выходы соединены с первыми входами элемен- /

5 тов 2ИЛИ-НЕ 28 и 29 распределителя импульсов 18 и первым входом элемента ЗИЛИ-НЕ 31.

Выходы 45, 46 и 47 коммутатора 12 подключены к управляющим входам клю0чей 5-9 (не показано), причем выходы 46 и 47 дополнительноподключены к входам формирователя импульсов 10.

Выход 48 же коммутатора 12 / 5 (Сброс) подключен к установочному входу 49 счетчика импульсов 23, к входу установки нуля триггера 26 и первому входу элемента 2Ш1И 27, к входу установки нуля счетчика 32 за0 датчика точек коррекции 17, к входу установки нуля триггера 40 схемы управления формирователями импульсов 19. Выход генератора нормированной частоты 14 подключен, с одной сторо5 ны, к первому входу элемента 2ИПИ-НЕ 30 распределителя импульсов 18, а с другой стороны, к входу счетчика результата измерения 23 (через линию связи 50) . Вход генератора нормированной частоты 14 подключен к второ|Му вхояУ Элемента 2ИЛИ-НЕ 29, выход которого соединен с вторым входом элемента 2ИЛИ-НЕ 30, к прямому выходу триггера 26 и к первому входу эле мента 2И-НЕ 42 схемы 19. Инверсный выход триггера 26 соеди нен со своим статическим информацион ным D входом, с вторьм входом элемен та 2ИЛИ-НЕ 28, выход которого подклю чан к второму входу элемента ЗИЛИ-НЕ 31, третий вход которого соединен с выходом формирователя импульсов коррекции 15, тактирующий вход 51 которого соединен с выходом элемента 2И-НЕ 42 схемы управления формирователями импульсов 19, а входы разрешения 52 - 55 соответственно подключены к выходам 33 - 36 счетчика 32 задатчика точек коррекции 17. Входы счетчиков импульсов 20 и 21 соединены с выходами элементов 2ИЛИНЕ 27, 2ИЛИ-НЕ 30 и ЗИЛИ-НЕ 31. Выходы счетчиков импульсов 20 и 21 сое динены с входами схемы совпадения кодов 22, причем выходы первого счет чика импульсов 2Г подключены к одним из входов, элемента 2И-НЕ 37 задатчика точек коррекции 17. Выход схемы совпадения кодов 22 соединен с вторым входом элемента 2ИЛИ 27 и с динамическим входом С триггера 26, К установочным входам установки единицы каскадов счетчика импульсов 21 подключены выходы форми рователя импульсов коррекции 16, вхо ды разрешения 56 - 59 которого соответственно соединены с выходами 33 - 36 счетчика 32 задатчика точек коррекции 17 (не показано). Тактирующий вход 60 формирователя импульсов коррекции 16 подключен к выходу элемента 2И 43 схемы 19. Выходы элементов ЗИЛИ-НЕ 37 задатчика точек коррекции подключены к входам элемента И-НЕ 38, выход которого через формирователь короткого импуль са 39 подключен R второму входу элемента 2И 41 схемы 19. Выход элемента 2И 41 подключен к первым входам элементов 2И 42 и 43 и информационно му (t) входу счетчика 32 задатчика точек коррекции 17. Вход разрешениясчетчика 32 соединен с точкой нулег вого потенциала. Вторые входы элементов 42 и 43 схемы управления формирователями импульсов 19 соответственно соединены С прямым и инверсным выходами триггера 40, вход установки в единицу которого соединен через инвертор 44 с одним из входов элемента И-НЕ 38 и одним из входов элемента ЗИ-НЕ 37 задатчика точек коррекции 17. Динамический С. и статический .О входы триггера 40 схемы 19 соединены с точкой нулевого потенциала. j Кроме того, выходы 33 - 36 счетчика 32 задатчика точек коррекции 17 также соответственно соединены с другими разрешающими входами 6164 элементов ЗИ-НЕ 37. Работа устройства сводится к следующему . С помощью коммутатора 12, электронных ключей 5-9, источника напряжения 4, конденсатора 3 и форлирователя импульсов 10, на выходах последнего раздельно и последовательно формируются импульсы, длительность которых зависит от длительности разряда кбндейсатора 3 через эталонный резистор 2 и термопреобразователь сопротивления 1. Затем с помощью преобразователя длительности импульсов в код }1 на его выходах формируется число-импульсный код N2, однозначно определяющий значение величины эталонного резистора 2, и чис ло-импульсный код N1, однозначно . определяющий значение величины сопро тивления термопреобразователя 1 и, следовательно, температуры. С помощью элементов 14 и 18 число N2 записывается в счетчик импульсов 20. После записи числа N2 в чик импульсов 21 начинает записываться число N1. В момент равенства схема совпадения Кодов 22 формирует первьй импульс совпадения, который с помощью триггера 26 и элементов 27 - 31 стирает информацию в счетчике импульсов 20 и записывает в него Остаток числа Nlj который равен величине N1-N2 и пропорционален измеряемой температуре. Указанное преобразование определяется частотой работы коммутатора 12, которая из соображений повьшения точности измерения температуры выбирается довольно-таки высокой. Одновременно с приходом первого импульса совпадения запускается генератор нормированной (низкой) частоты 14, который вырабатывает прямоугольные импульсы, период повторения которых выбирается исходя из параметров конкретной линии связи 50. Прямоугол ные импульсы одновременно поступают через распределитель импульсов на информационный вход счетчика импульсов 21 и через линию связи 50 на информационный вход счетчика результата измерения 23, В момент равенства числа импульсов, поступающих на счетчик 21 с генератора нормированной частоты 14 с ранее записанным в счетчик 20 числом N1-N2, схема совпадения кодов 22 (вырабатьшает второй импульс совпадения, который устанавливает в исходно состояние триггер 26, и работа генератора нормированной частоты прекращается. При этом в счетчик 23 записывается число N1-N2. Одновременно в течение времени записи импульсов с reHejJaTopa 14 в счетчик импульсов 21 с его выходов поступает информация на задатчик точек коррекции, который формирует конкретные точки аппроксимации нелинейной характеристики преобразования сопротивления - код и с помощью его многовходового элемента И-НЕ 38, фор мирователя коротких импульсов 39, схемы управления формирователями импульсов 19 и формирователей импульсов коррекции 15 и 16 добавляет необ ходимое число импульсов в счетчик 20, или 21, тем самым параллельно проводя операцию линеаризации нелинейной градуировочной характеристики преобразователя сопротйвлёния-код, нелинейность которого обусловлена ка нелинейностью градуировочной характе ристики термопреобразователя сопротивления 1, так и нелинейностью преобразования других элементов цифрово го измерителя температуры. Таким образом, процесс снижения частоты число-импульсного кода Н1-Ы2 несущего информацию об измеряемой температуре, совмещен с процессом коррекции нелинейности преобразовани сопротивления-код. (фиг. 2 а В интервале времени на установочные входы распределителя импульсов, задатчик точек коррекции и схемы, управления фopмиpoвaтeля и импульсов с коммутатора 12 приходит иготульс Сброс. При этом на прямом выходе триггеipa 26 устанавливается состояние логического нуля (фиг. 26), а на 11 88 инверсном выходе - состояние логической единицы (фиг. 2 в). Так как на выходе схемы совпадения кодов 22 присутствует логический нуль (фиг.)у то элемент 2И 27 пропускает импульс Сброс (фиг. 2 д) и устанавливает, счетчики импульсов 20 и 21 в исходное, состояние. Так как на выходе фор мирователя импульсов коррекции 15, на выходе элемента 2ИЛИ-НЕ 28 (фиг. 2 е) и на выходе N2 преобразователя длительности импульсов в код установлено значение логического нуля, то на выходе элемента ЗИЛИ-НЕ 31. установлено значение логической единицы, которая поступает на информационный вход счетчика импульсов 20 (фиг. 2 ж). Эта логическая единица не дает в начальный момент времени работы устройства сформировать им Пульс совпадения схемой совпадения кодов 22, так как информация на выходах счетчиков импульсов 20 и 21 одинакова (нулевая). Состояние логического нуля установлено также на выходе N1 преобразователя 11 (фиг. 2 т), элемента 29 (фиг. 2 з) , генератора нормированной частоты 19 (фиг. 2 л7, элемента 2Ш1И-НЕ 30 (фиг. 2 к), прямом ВЫХОДР триггера 40 (фиг. 2м), элемента Ц-НЕ 38 (фиг. 2ц), формирователя коротких имцульсов 39 (фиг. 2ч), элемента 41 (фиг. 2 р), элемента 2И 42 (фиг. 2 о), элемента 2И 43 (фиг, 2,.п). По приходу импульса Сброс десятичный .счетчик 32 эадатчика точек коррекции 17 также устанавливается в исходное состояние, на его первом выходе 33 устанавливается значение логической единицы (фиг. 2::); tj|-tjp а на втором и последующих выходах 34-36 значение логического нуля (состояние второго выхода, фиг. 2 , Ьц-Ц;.состояние последнего выхода, фиг. 2 x;4o-i 4 В интервале времени i /t с одного из выходов преобразователя длительности импульсов в код 11 поступает число-импульсный код N2 (фиг.2). Этот код через элемент ЗИЛИ-НЕ 31 (фиг. 2 , записывается в счетчик импульсов 20. . А в интервале времени с другого выхода преобразователя длительности импульсов .в код 11 поступает число-импульсный код N1 (фиг. ), который в инвертированном виде про- ходит через элементы 2ИЛИ-НЕ 29 (фиг. 2з , ) и 2ИЛИ-НЕ 30 (фиг. 2 к , ,) и начинает записываться в счетчик 21. В момент времени t число-импульсный код N1 становится равным числу импульсов N2. Схема совпадения кодов вырабатывает импульс сравнения (фиг. 2г), который устанавливает прямой выход триггера 26 в состояние логической единицы (фиг. 2 6,-fc). Следовательно, в этот момент времени на одном из входов элемента 2РШИ-НЕ 29 также появляется логическая единица, запись остатка числа N1 в счетчик импульсов 21 прекращается, генератор нормированной частоты 14 формирует импульсы (фиг. 2л, ), которые через элемент 2ИЛИНЕ 30 (фиг. 2 к ,t()записываются в счетчик импульсов 21. Так как инверсньй выход триггера 26 переведен в состояние логического нуля, элемент 2ИЛИ-НЕ 28 пропускает |остаток импульсов (фиг. 2 , ), которые записываются через элемент 3 в счетчик импульсов 20. Импульс совпадения схемы 22 ранее в момент времени tfc через схему 2ИЛИ 27 (фиг.2д стер информацию о числе N2 в счетчике импульсов 20. Таким образом, в счетчик импульсов 20 записано число N1-N2, несущее информацию о температзфе. Так как на входе 61 первого элеме та ЗИ-НЕ 37 в исходном состоянии присутствует логическая единица, он соединен с первым вькодом десятичного счетчика 32 (фиг. 2 V ,,) при первой точке коррекции (т.е.при наличии логической единицы на оставшихся двух входах первого элемента И-НЕ 37) формируется отрицательный импульс, который вьщеляется элементом 38 (фиг. 2 , i-,-i.). По передДему фронту этого импульса формирователь 39 формирует импульс малой длительности (фиг. 2м , t7) который выде ляется на элементе 2И 41 (фиг. ,t.., и при рассматриваемом положении триг гера 40 (фиг. 2м, ь) вьщеляется элементом 2И-43 схемы 19 (фиг.2п ,Ц Этот импульс поступает на тактирующий вход формирователя импульсов кор рекции 16, который формирует необходимое количество импульсов коррекции для данной точки коррекции,Эти импульсы поступают на вход установки единицы каскадов счетчика 21 и добавляют в счетчик необходимое число импульсов. При появлении первого импульса коррекции на выходе элемента 2И 41 (фиг. 2 р , ,) он поступает на информационный вход счетчика 32, при этом на его втором входе 34 появляется состояние логической единицы (фиг.2, ), на первом 33 и остальных г выходах 35 и 36 - соответственно состояние логического нуля (фиг.2 Ф, , Ц-.й). Следовательно, второй импульс коррекции также вьщеляется элементом 38 (фиг. 2ч ,), формирователь 39 формирует короткий импульс (фиг. 2 ч- , ), который вьщел.:ется элементом 2И 41 (фиг. 2 :р ) и элементом 2И-НЕ 43 (фиг. 2,n,,). Этот импульс также поступает на тактир ющий вход формирователя импульсов коррекции 16. В интервал времени t , когда на входе 63 элемента 37 присутствует логическая единица разрещения, поступающая с вькода 35 счетчика 32, импульс коррекции через инвертор 44 устанавливает прямой вход триггера 40 в состояние логической единицы (фиг. 2M,), его инверсный вьщод ,соответственн0 устанавливается в состояние логического нуля. Элемент 38 , так же как и формирователь 39 с элементом 2И 41 пропускает импульс коррекции (фиг. 2 ц ,ч , р , ) . Но в данном случае, так как триггер 40 изменил состояние выходов, этот импульс коррекции пропускает уже элемент 2И 42 (фиг. 29 , С выхода элемента 42 этот импульс поступает на тактирующий вход формирователя 15, который через элемент ЗР1ПИ-НЕ 31 записывает в счетчик 20 дополнительный импульс коррекции. Следующий импульс коррекции (фиг. 2 о , t) также поступает на тактирующий вход формирователя импульсов коррекции 15. В данном случае реальная характеристика преобразователя сопротивление - код име.ет одну точку перегиба и в интервале времени t. числу N1-N2 добавляется необходимое число импульсов, а в интервале вычитается необходимое число импульсов (путем их добавления в счетчик 23). 11.1 Импульс (или импульсы) коррекции может формироваться в интервале времени ij, (фиг. 2. к) , когда в счетчик импульсов 21 записывается число Н1-Ы2(Фиг. 2 п , 5,импуль формирователя 39 заштрихован). Но так как на прямом выходе триггера 26 (фиг.2б tp-tj(,) присутствует логический ноль к он подключен к одному из выходов элемента 2И 41, этот импульс на формирователи коррекции 15 и 16 не по.ступает. В момент времени --t ., приходит новый импульс сброса (фиг.2.«) и начинается новый цикл работы устройства. Предлагаемый цифровой измеритель температуры по сравнению с известным 8 обеспечивает более высокую точность измерения, так как в процессе измерения нестабильности элементов устройства (конденсатора, источника напряжения, формирователя импульсов и др) компенсируются, су1чественно снижается составляющая погрешности, вызванная наРревом те мопреобрадователя измерительным током, а также уменьшается срставляю1цая погрешности, связанная с нелинейностью характеристики преобразования устройства, Кроме того, не снижая TowioctH измерения, устройство позволяет CHHHat.i информацию о температуре при значительных удалениях объекта измерения от регистрирунидей аппаратуры.

П t

JL

fPI I

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий конденсатор, первый вьюод которого соединен с первыми вьшодами термопреобразователя сопротивления, эталонного резистора, источника напряжения и точкой нулеiBoro потенциала формирователя импульсов, а второй вывод через управляемые ключи подключен к вторым выводам термопреобразователя сопротивления, эталонного резистора источника напряжения и входу формирователя импульсов, соединенному через управляемый ключ с точкой нулевого потенциала формирователя импульсов, выходы которого подключены к входам преобразователя длительности импульсов в код, счетчик результата измерения, выход которого через дешифратор соединен с индикатором, коммутатор, вход которого соединен с выходом преобразователя длительности импульсов в код, а выходы подключены к управляющим входам ключей, формирователя импульсов и счетчика результата измерения , два счетчика, выходы которые соединены с входат схемы сравнения кодов, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерения температуры, в него введены генератор нормированной частоты,Эадатчик точек коррекции,два формирователя импульсов коррекции,схема управления формирователями импульсов и распределитель импульсов, входы которого соеданены с информационными выходами преобразователя длительности импульсов в код,выходами схемы совпадения и первого формирователя импульсов коррекции, информационные выходы соединены с входами двух счетчиков, а тактирующий выход соединен с входом схемы управления формирователями импульсов и /f тактирующим входом генератора нормированной частоты, выход которого под|ключен к входу распределителя импуль-g ,сов и входу счетчика результата изме4 ения, установочные входы первого счетчика соединены с выходами второт го формирователя импульсов коррекции, а выходы соединены с входами задатчика точек коррекции, выходы ко- : торого подключены к установочным вхо- СО дам формирователей импульсов коррек- QO ции и входам схемы управления формирователями импульсов, выходы которой подключены к тактирующим входам формирователей импульсов коррекции, при этом выход коммутатора соединен с установочными входами распределителя импульсов, задатчика точек коррекции и схемы управления формирователями . импульсов.

т

ф

X