Цифровой термометр Советский патент 1986 года по МПК G01K7/32 

Изобретение относится к температурным измерениям и может быть использовано при построении цифровых терме- метров, работающих с термопреобразователями, имеющими частотный выход, например пьезокварцевыми термопреобразователями .

Цель изобретения - повышение точности измерения за счет устранения погрешности, вызванной нелинейностью характеристики термопреобразователя.

На фиг. 1 представлена блок-схема термометра, на фиг. 2 - схема управления i на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу цифрового термометра.

Цифровой термометр содержит термопреобразователь 1 с частотным выхо-

РУЮ1ЧИЙ вход реверсивной системы 13 индикации в нее записывается, состояние счетчика 11 результата (фиг.За, момент времени t, ) и инверсного выхо 5 да триггера 12 знака. После поступле ния очередного импульса с выхода сме сителя 3 на счетный вход счетчика 4 его состояние увеличивается на единицу, в результате чего к моменту 10 времени t на входе 14 схемы,7 управ ления имеется потенциал логического нуля, а на входе 16 - потенциал логи ческой единицы, под воздействием которых на выходе схемы И 24 возника- 15 ет положительный импульс, поступающий через выход 19 схемы 7 управления на вход коммутирующего элемента 10 и на вход установки в единицу триггера 12 знака, устанавливающий счетчик 11 результата в состояние.

35

дом, генератор 2 частоты смещения, смеситель 3, счетчик 4, коммутирующий элемент 5, схему 6 совпадения, схему 7 управления, генератор 8 опорной частоты, схему И 9, коммутирующий элемент 10, счетчик 11 результата, триггер 12 знака, реверсивную систему 13 индикации.

Схема 7 управления, входы 14-16 которой соответственно соединены с первыми двумя выходами счетчика 4 и выходом схемы 6 совпадения, а выходы 17-20 соединены соответственно с входом установки в О счетчика 4, .первым входом схемы И,, входом комму- .тирующего элемента 10 и тактирующим входом реверсивной системы 13 индикации, содержит два инвертора 21 и 22, четыре схемы И 23-26, два триггера 27 и 28, схему И 29.

Цифровой термометр работает следующим образом.

Импульсы с выхода смесителя 3, частота следования которых является разностью частот сигналов с выхода термопреобразователя 1 и генератора 2 частоты смещения, непрерывно поступают на счетный вход счетчика 4,состояние которого после поступления каждого импульса увеличивается на единицу. Предполагая, что в опреде- ленный момент t, триггеры 27 и 28 схемы 7 управления находятся в нулевом состоянии, вход 14 имеет потенциал логической единицы, вход 15 - потенциал логического нуля, на выходе схемы И 23 возникает положительный 55 ном через вход 16 схемы 7 управления импульс (фиг. 3q, момент времени к входу установки в О триггера 27, tj), под воздействием которого через возникает положительный импульс, ус- выход 20 схемы 7 управления на такти70

исключительно определяемое положени ем коммутирующего элемента 10 (фиг.З момент времени t).

Поступлением следующего импульса J5 с выхода смесителя 3 на счетный вход счетчика 4 его состояние вновь увели чивается на единицу, в результате че го входы 14 и 15 схемы 7 управления к моменту времени tg имеют потенциал 10 единицы, приводящий к появлению положительного импульса на выходе схемы И 25, устанавливающего триггер 27 в единичное состояние, в результате чего на первом входе схемы И 9 появляется сигнал, разрешающи прохождение импульсов с выхода опорного генератора 8 на вход счетчика 11 результата.

Начиная с момента времени t, импульсы с выхода генератора 8 опорной частоты через второй вход схемы И 9 поступают на счетный вход счетчика 1 результата, состояние которого увели чивается до его переполнения, а воз- пикающий при этом импульс переноса переключает триггер 12 знака в проти воположное состояние, после чего начинается следующий цикл счета (фиг. За момент времени t - t). В течение интервала времени t, - t схемы И 23- 50 25 закрыты нулевым сигналом с выхода схемы И 29. При достижении счетчиком 4 состояния, определяемого положением коммутирующего элемента 5, на выходе схемы 6 совпадения, подключен

танавливающий триггер 27 и нулевое

40

4Ji

2296042

РУЮ1ЧИЙ вход реверсивной системы 13 индикации в нее записывается, состояние счетчика 11 результата (фиг.За, момент времени t, ) и инверсного выхо- 5 да триггера 12 знака. После поступления очередного импульса с выхода смесителя 3 на счетный вход счетчика 4 его состояние увеличивается на единицу, в результате чего к моменту 10 времени t на входе 14 схемы,7 управления имеется потенциал логического нуля, а на входе 16 - потенциал логической единицы, под воздействием которых на выходе схемы И 24 возника- 15 ет положительный импульс, поступающий через выход 19 схемы 7 управления на вход коммутирующего элемента 10 и на вход установки в единицу триггера 12 знака, устанавливающий счетчик 11 результата в состояние.

35

55 ном через вход 16 схемы 7 управления к входу установки в О триггера 27, возникает положительный импульс, ус-

70

исключительно определяемое положением коммутирующего элемента 10 (фиг.Зд,, момент времени t).

Поступлением следующего импульса J5 с выхода смесителя 3 на счетный вход счетчика 4 его состояние вновь увеличивается на единицу, в результате чего входы 14 и 15 схемы 7 управления к моменту времени tg имеют потенциал 10 единицы, приводящий к появлению положительного импульса на выходе схемы И 25, устанавливающего триггер 27 в единичное состояние, в результате чего на первом входе схемы И 9 появляется сигнал, разрешающий прохождение импульсов с выхода опорного генератора 8 на вход счетчика 11 результата.

Начиная с момента времени t, импульсы с выхода генератора 8 опорной частоты через второй вход схемы И 9 поступают на счетный вход счетчика 11 результата, состояние которого увеличивается до его переполнения, а воз- пикающий при этом импульс переноса переключает триггер 12 знака в противоположное состояние, после чего начинается следующий цикл счета (фиг. За, момент времени t - t). В течение интервала времени t, - t схемы И 23- 50 25 закрыты нулевым сигналом с выхода схемы И 29. При достижении счетчиком 4 состояния, определяемого положением коммутирующего элемента 5, на выходе схемы 6 совпадения, подключен40

4Ji

ном через вход 16 схемы 7 управлени к входу установки в О триггера 27 возникает положительный импульс, ус

танавливающий триггер 27 и нулевое

состояние (фиг. ЗЬ, момент , в результате чего прекращается поступление импульсов с выхода генератора 8 опорной частоты через второй вход схемы И 9 на счетный вход счетчика 11 результата и происходит установка в единичное состояние триггера 28 (фиг. 3 г) .

По сигналу с прямого выхода триггера 28, поступающему на вход уста- новки в О счетчика 4, он переходит в нулевое состояние, после достижения которого на входах 14 и 15 схемы 7 управления устанавливаются потенциалы логического нуля, приводящие к появлению положительного импульса на выходе схемы И 26, устанавливающего триггер 28 в нулевое состояние (фиг. 3z, момент времени t), в результате чего при помощи схемы И 29 снимается потенциал логического нуля на третьих входах схем И 23-25. К моменту времени t начинается следующий цикл измерения.

Накопленное к моменту времени t

в счетчике 11 результата количество импульсов и состояние триггера 12 знака передаются в реверсивную систему 13 индикации в момент времени ty импупьсом, возникающим на вьгходе 20 схемы 7 управления (фиг. За). Реверсивная система индикации обеспечивает их запоминание и индикацию до появления следующего результата измерения температуры S, причем при потен- циале логической единицы на инверсном выходе триггера 12 знака содержимое счетчика 11 результата выводится на индикацию 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.

При работе цифрового термометра с термопреобразователями, имеющими линейную термочастотную характеристику f j (&), возникает методическая погрешность измерения, обусловленная способом определения температуры на основе измерения длительности периода сигнала, частота которого является информативньш параметром измеряемой температуры 6 , без определения об- ратной величины полученного результата. Эта методическая погрешность объясняется тем, что функция

б f,(9)

(1)

где К - состояние счетчика 4, при котором на выходе схемы 6 совпадения возникает положительный импульс;

Tg - длительность интервала времени t - t при измеряемой температуре в ,

в системе координат б , Тд расположена ниже прямой

т Т. - (в-в,), (2) г Ь,

е

ч

где Т J и Т., - длительности интервала времени t4 t при температуре Р и б соответственно, б, и б2 - нижний и верхний пределы измерения температуры соответственно совпадающей с ней в крайних точках диапазона измерения температуры (фиг. 4), причем значение относительной методической погрешности измерения температуры К9 равно:

80

1

о к f - 1, (3)

2 - а + о fg а

где

8Ь („ - fo. )/f

в

e,

- относительная девиация частоты на выходе термопреобразователя 1,

fg и fgij частоты сигнала на выходе термопреобразователя при температуре 6, и в соответственно,

а fg /fg) - отношение частоты сигнала термопреобразователя при измеряемой температуре 0 к его частоте при температуре 0 .

Анализ формулы (3) показывает, что относительная методическая погрешность измерения температуры отрицательна и прямо пропорциональна девиации частоты термопреобразователя. Таким образом, изменением относительной девиации частоты можно влиять на методическую погрешность измерения.

Термочастотная характеристика реального термопреобразователя описывается вьфажением

f(9) f о + А(0 -б ) +

+ Б(0- е,,) (4) где f(6) - частота термопреобразователя при температуре О ,

А и В - температурные коэффициенты, 0 - температура калибровки.

Если характеристику (4) термопреобразователя аппроксимировать прямой, совпадающей с реальной характеристикой в крайних точках диапазона изме- рения температуры, то реальная характеристика, при положительном значении коэффициента В проходит ниже, а при отрицательном его значении - вьЕпе этой прямой. Так как период сигнала есть обратная величина его частоты, то отрицательная частотная погрешность (В 0) приводит к по южитель- ной погрешности периода, что противодействует методической погрешности измерения температуры, компенсируя её частично или полностью.

Условие отсутствия погрешности от нелинейности в середине диапазона измерения температуры выражается уравнением

f

K(I

Г- 2 fg, -fг );(5)

где f,. - частота на выходе термопре образователя при температуре е(.(е2- 9, )/2,

f - частота генератора частоты

смещения. .

Решение уравнения (5) относительf приводит к вьфажению f 2lf eilfgiLlecllf Sitfej.)

e.

+ f,g -2f

(6)

9n

Изложенньй принцип линеаризации пригоден и для характеристик термопреобразователей с отрицательным значением коэффициента В. Ь этом частота fj. , рассчитанная по формуле (6), оказывается больше частоты термопреобразователя, в результате чего на выходе смесителя 3 имеем сигнал, частота которого равна f f причем результирующий температурный коэффициент частоты второго порядка оказывается положительным.

5 0 5

0

5

0

5

Q

Кроме того, наличие в предлагаемом цифровом термометре генератора частоты смещения и смесителя в f9.j/(fg - fp) раз. по сравнению с известным увеличивает его быстродействие.

Формула изобретения

Цифровой термометр, содержащий термопреобразователь с частотным выходом, счетчик, выходы которого через первый коммутирующий «элемент подключены к входам схемы совпадения, схему управления, первьй и второй входы которой соединены соответственно с первым и вторым выходами счетчика, третий вход соединен с выходом схемы совпадения, а первый и второй выходы соответственно подключены к входу установки в О счетчика и первому входу схемы И, второй вход которой соединен с выходом генератора опорной частоты, а выход подключен к счетному входу счетчика результата, переноса которого соединен с входом триггера знака, выходы подключены к входам реверсивной системы индикации.соединенной с выходом триггера знака, а установочные входы соединены с выходами второго коммутирующего элемента, вход которого соединен с входом установки триггера знака и третьим выходом схемы управления, четвертьш вьпсод которой соединен с тактирующим входом реверсивной системы индикации, отличающий- с я тем, что, с целью повьш1ения точности измерения за счет устранения погрешности, вызванной нелинейностью характеристики термопреобразователя, в него введены генератор частоты смещения и смеситель, входы которого соответственно подключены к выходу термопреобразователя и выходу генератора частоты смещения, а выход подключен к счетному входу счетчика.

Изобретение касается температурных измерений и может быть использовано при построении цифровых термометров, работающих с термопреобразователями, имеющими частотный выход, например пьезокварцевыми термопреобразователями. Цель изобретения - повышение точности измерения. Устройство содержит термопреобразователь 1 с частотным выходом, счетчик 4, коммутирующий злемент 5, схему 6 совпадения, схему 7 управления, генератор 8 опорной частоты, схему И 9,коммутирующий злемент 10, счетчик 11 результата, триггер 12 знака, реверсивную систему 13 индикации. Вновь введены генератор 2 частоты смещения и смеситель 3. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет устранить погрешность, вызванную нелинейностью характеристики термопреобразователя. 3 ил. с А о; с Г {L 5 13 N5 Ю 15,