Цифровой термометр Советский патент 1984 года по МПК G01K7/32 

О)

оо Изобретение относится к температурным измерениям и может быть использовано при построении цифровых термометров, работающих в составе с датчиками, имеющими частотный выход, например пьезокварцевыми датчиками температуры. Известно устройство для измерения температуры, содержащее термопреобразователь с частотным выходом и эталонный генератор, подклю,ченные через формирователи импульс : к входам импульсно-фазового детёктора, ключ, к выходу которого подключены соединенные последовательно счетчик импульсов, дешифратор и циф ровой индикатор, а к управляющему входу ключа подсоединены последовательно соединенные формирователь временных интервалов и перестраиваемый генератор ij Однако это устройство обладает низким быстродействием, обусловленным его структурой построения. ; Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемомуявляется цифровой термометр, содержащ термопреобразователь с частотным вы ходом,генератор опорной частоты, счетчик,выходы которого через первы коммутирующий элемент подключены к схеме совпадения, выход которой сое динен с первым входом схемы управления, реверсивную систему индикации, тактирующий вход которой соединен с первым входом схемы управления, а входы соединены с выходами триггера знака и счетчика результата, счетный вход которого соединен с выходом схемы И, установочные входы соединены:; с выходами второго коммутирующего элемента, а выход переноса подключен к первому входу триггера, второй вход которого соединен с входом второго коммутирующе элемента и вторым выходом схемы управления t2J. Однако известный цифровой термометр также обладает низким быстродействием, обусловленным его структурой построения. Цель изобретения - повышение быстродействия цифрового термометра Поставленная цель достигается те что в цифровом термометре, содержащем термопреобразователь с частот йым выходом, генератор опорной част ты, счетчик, выходы которого через Первый коммутирующий элемент подклю чены к схеме совпадения, выход кото рой соединен с первым входом схемы управления, реверсивную систему индикации, тактирующий вход которой соединен с первым выходом схемы управления, а входы соединены с выходами триггера знака и счетчика результата, счетный вход которого соединен с выходом схемы И, установочные входы соединены с выходами второго коммутирующего элемента, в выход переноса подключен к первому входу триггера, второй вход которого соединен с входом второго коммутирующего элемента .и вторым выходом схемы управления, выход термопреобразот . вателя подключен к счетному входу счетчика, первый и второй выходы которого подключены к второму и третьему входам схемы управления, третий выход соединен с установочным входом счетчика, а четвертый подключен к первому входу схемы И, второй вход которой соединен с выходом генератора опорной частоты. На фигл представлена блок-схема цифрового термометра на фиг.2 схема управления на фиг.З - временные диаграммы, поясняющие работу цифрового термометра. Цифровой термометр содержит термопреобразователь (датчик температуры) 1 с частотным выходом, счетчик 2, первый коммутирующий элемент 3, схему 4 совпадения, схему 5 управления, генератор б опорной частоты, схему И 7, второй коммутирующий элемент 8, счетчик 9 результата, триггер 10 знака, реверсивную систему 11 индикации. Входы 12-14 схегуи 5 управления соответственно соединены с первым и вторым выходом счетчика 2 и выходом схемы 4 совпаденияf а выходы .15-18 соответственно соединень/ с входом установки в нуль счетчика 2, вторым входом схемы 7 совпадения, входом второго коммутирующего элемента 8 и тактирующим входом реверсивной системы индикации. Схема 5 управления (фиг.2) содержит два инвертора 19 и 20, пять схем, И 21-24 и 27 и два триггера 25 и 26, причем к входу 13 подключены первый вход схемы И 22, второй вход схемы И 23 и вход инвертора 19, выход которого соединен с вторыми входами схем И 24- и 21, к nepBOt y входупоследней и к перво у входу схемы И 23 подсоединен вход 12, подключенный кроме того к входу инвентора 20, выход которого соединен с вторым входом схемы И, 22 и с первым входом схемы И 24, выход схемы И 23 подключен к входу установки в единицу триггера 25, к входу установки в нуль которого подсоединен вход 14, а инверсные выходы триггеров 25 и 26, последний из которых своим тактирующим входом подключен к инверсному выходу триггера 25, через схему И 27 соединены с третьими входагда схем И 21-23, выход схемы И 21 подключен к выходу 18, выход схемы И 22 к выходу 17, выход триггера 25 к выходу J.6, выход триггера 26 к выходу 15 и к третьему входу схемы И 24,выход которой соединен с входом установки в нуль триггера 26. Цифровой термометр работает сле дующим образом. Импульсный сигнал с выхода термо преобраэователя, частота которого я ляется информативным параметром измеряемой температуры .9, поступает на счетный вход счетчика 2, состоян которого после поступления каждого импульса увеличивается на единицу. Предполагая, что в определенный момент времени t триггеры 25 и 26 схемы 5 управления находятся в нуле вом состоянии, а входы 12 и 13 схемы управления имеют соответственно потенциалы логической единицы и логического нуля, на выходе схелм И 21 возникает положительный импульс (фиг.За, момент времени t), который через выход 18 схемы 5 управлени поступает на тактирующий вход реверсивной системы 11 индикации. При это в нее записываются состояния счетчика 9 результата (фиг.Зд, момент времени t) и инверсного выхода триггера 10.знака,После поступлени очередного импульса с выхода термопреобразователя 1 на счетный вход счетчика 2 его состояние увеличивается на единицу, в результате чего к моменту времени t. на входах 12 и 13 схемы 5 управления устанавливаются соответственно потенциалы логического нуля и логической единицы под воздействием которых на выходе схемы И 22 возникает положительный /импульс, поступающий через выход 17 схемы 5 управления на вход коммутирующего элемента 8 и на вход установ ки в единицу триггера 10 знака, уст навливающий счетчик 9 результата в состояние, исключительно определяе|Мое положением коммутирующего эле мента ( фиг.ЗЭ, момент времени t), При поступлении- следующего импульса с выхода термопреобразователя 1 на счетный вход счетчика 2 его состояние вновь увеличивается на единицу, в результате чего на входа 12 и 13 схемы 5 управления к момент времени t устанавливаются потенциалы логической единицы, приводящие к появлению положительного импульса на выходе схемы И 23, который, пост пая на S - вход триггера 25, устанавливает его в единичное состояние При этом с прямого выхода триггера 25 через выход 16 схемы 5 управлени на второй вход схемы И 7 поступает сигнал, по которому импульсы с .выхо да генератора 6 опорной частоты через второй вход схемы И 7 начинают поступать на счетный вход счетчика результата 9. В момент переполнения счетчика 9 возникает импульс переноса, который переключает триггер 10 знака в противоположное состояние, после чего начинается следующий цикл счета (фиг,За, интервал времени tj- t). Схемы И 21-2 в течение интервала времени (tj- t) закрыты сигналом, поступающим в выхода схемы И 27, на вход которой подается кулевой сигнал с инверсного выхода триггера 25. При дальнейшем поступлении импульсов с выхода термопреобразователя на счетный вход счетчика 2 его состояние увеличивается, а при достижении состояния, определяемого положением коммутирующего элемента 3, на выходе схемы совпадения 4, подключенном через вход 14 схемы 5 управления к входу установки в нуль триггера 25,- возникает положительный импульс, устанавливающий триггер 25 в нулевое состояние (фиг,38, мо,мент времени t), в результате чего прекращается поступление импульсов с выхода генератора б опорной частоты на счетный вход счетчика 9 результата. При установке триггера 25 в нулевое состояние по сигналу с его инверсного выхода триггер.26 устанавливается в единичное с стояние (фиг.Зх, момент времени }, По сигналу с прямого выхода триггера 26 через выход 15 схемы 5 управления счетчик 2 переходит в нулевое состояние, после достижения которого на входах 12 и 13 схемы 5 управления устанавливают1:я потенциалы логического нуля, приводящие к появлению положительного импульса на выходе схемы И 24, устанавливающего триггер 26 в нулевое состояние (фиг.Зг, момент времени t). При установке триггера 26 в нулевое состояние при помощи схемы И 27 снимается потенциал логического нуля на третьих входах схем И 21-23. К моменту времени tg начинается -следующий цикл термометра. Накопленное к моменту времени t в счетчике 9 результата количество импульсов и состояние триггера 10 знака импульсов на выходе 18 схемы управления 5 (фиг. Зек, момент времени tj ) передаются в ревесивную систему 11 индикации, обеспечивающую их запоминание и индикацию до появления следующего результата измерения тмпературы Q, причем при потенциале логической единицы на инверсном выходе триггера 10 знака содержимое счетчика 9 результата на индикацию выводится только после его преобразования в обратный код, а в противном случае непосредственно, обеспечивая тем самым правильную индикацию в градусах Цельсия как отрицательных, так и положительных температур. Таким образом-принцип работы циф рового термометра закгиочается в следующем. Частота, следования импульсов на Екходе тармопреобрарователя 1 при помощи счетчика 2, коммутирующего вле.мента 3, схемы 4 совпадения и схемы 5 управления преобразуется В обратно пропорциональный частоте следозакия интервал времени tj - tjj В течеки Э которого импульсы с выход генератора 5 опорной чаототй поступггот на ачетиьлй вход счетчика 9 ревул-ьтата предварительно усэгановЛ8«::,о1с i.i определенное исходное соетоямие обеспечивающее получение отсчета измеряемой температуры В неяосЬе.цстзеаио в градусах Цельоия, Частота следования импульсов f, та .выходе термопреобразователя-.1 за; искмости от измеряемой темпераtvpbi G равна ff,+ S{0-3,,) ,(1) - частота датчике 1 температуры гфи температуре 9 - крутизна те.рмочаототной хд рактеристики датчик;, 1 тем ратуры ; температура калибровки, I через К обозначить состояни са 2р при доотигкекии которог i совладения возникае-г по.по;кительнкй импульс, то а коли--teiCTBO импульсо.в, поступающе $а йгот интервал времени с выхода геиератсра 6 опорно частоты ка сч ный «ход счотчика 9 оеэу.пьтата оав г,.р - -ластота гакератора б опо кок частоты I:. .::;;зулзт та предварительной уст Ю1.1, c eTivu-ca 3 результата в состо нио Ы р: определяемое положением. icoviMyTi-ipyiomero э.т1емента- 8, с учетом зозникато1ц.и.ч за интервал времени tr Т: .liOpeHocoB,. содержимое счетчика 9 результата к времени t, яБЛ;-а;тй1аеся результатом температуры в аавно. К,з+ NO - (4) гле Ы емкость счетчика 9 реэуль т.з.та, опре..делкеная отноше нием Р - 9 .,СI т.их rn-in с- U Е, MaKGHMaj-jbHoe значение из меряемой температуры 9; - минимальное значение измеряемой температуры.0 ; - разре иаюшая с.пособность цифрового термометра Значение состояния NO равно ete-o -fn-DN:, (б) , с учетом которого уравнение (4) принимает вид П 11 Значение К выбирается по формуле где f g f Je частота следования импульсов на выходе датчика 1 температуры при температурах градуировки 9. и ©2 ответственно. Разлагая выражение. (3) в стеПен ной ряд и пренебрегая квадратичными членами более высокого порядка, допустимость чего утверждается неравенством fj, Зе д выражение (7) принимает ,ВИД О, свидетельствующий о том, что полученное к моменту времени состояние счетчика 9 результата действительно пропорционально измеряемой температуре 9 (фиг. 3 -е ) . Быстродействие гчфрового термомеТ.ра оценивается по длительности интервала времени (t4 13), которая с учетом уравнения (8) равна гоч tnin ГОЧ (fg мало отличается от f) в то вреf, как длительность цикла измерения цифрового термометра, описанного в (2) (.определяется выражением «11)что соответствует увеличениюбыстродействия в h-,(12) раз, Без применения специальных серий интегральных микросхем fгом может быть выбрана равной 16 мГц, что при использовании тремочувствительных пьеэокварцевых датчиков с мГц означает увеличение быстродействия в 3f 2 раза. Быстродействие цифрового термометра далее может быть увеличено путем применения более высокочастотных элементов для генератора б опорной частоты,- схемы И 7 и входной части счетчика 9 результата. Далее следует, что при работе цифрового термометра по .предлагавмой структуре с реальными термочувствительными пьеэокварцевыми датчиками, термочастотная характеристика которых описывается степенным рядом с положительнь1м квадратным членом, ошибка от нелинейности во всем диапазоне измерения температуры в среднем на 30% ниже ошибки от нелинейности известного устройства.

Таким образом, предлагаемый термометр является более простым и в то же время более быстродействующим устройством, чем известное.

ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР, содержащий термопреобразователь с частотным выходом, генератор опорной частоты, счетчик, выходы которого через первый коглмутируюадий элемент подключены к схеме совпадения, выход . которой соединен с первым входом -,-..г схемы управления, реверсивную систему индикации, тактирующий вход которой соединен с первым выходом с . схемы управления, а входы сЬединены с выходами триггера знака и счетчика результатаf счетный вход которого соединен с выходом схемы И, установочные входы соединены с выходами второго коммутирующего элемента, а выход цераноса подключен к первому входу Tptjrrepa, второй вход которого соединен с входом второго коммутирующего элемента и вторым выходом схемы управления, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия термометра, выход термопреобразователя подключен к счетному входу счетчика, первый и второй выходы которого подключены к второму и третьему входам cxeN-na управления, «третий выход соединен с установочным входом счетчика, а четвертый подключен к первому вхо.ду схемы И, второй вход которой сое- 3 динен с выходом генератора опорной частоты.