Цифровой термометр Советский патент 1986 года по МПК G01K7/32 

Фаг. 1 Изобретение относится к температурным измерениям и может быть использовано для измерения температуры контактным методом с помощью термопреобразователей с частотным выходным сигналом, например пьезокварцевых, а также для измерения других фи зических величин датчиками с частотным выходным сигналом. Целью изобретения является повышение точности измерения температуры путем снижения составляницей погрешности, вносимой умножителем. На фиг. 1 представлена схема цифрового термометра; на фиг. временная диаграмма, описывающая ее работу f на фиг. 3 - схема добавления импульса; на фиг. 4 - схема формирования временных интервалов. Цифровойтермометр (фиг.1) содержит термопреобразователь 1 с частотным выходным сигналом, умножитель 2 частоты, опорный генератор 3, ключ 4 схему 5 добавления импульса, схему 6 формирования временных интервалов, счетчик 7 счетного интервала, схему ИЛИ 8, реверсивный счетчик 9, формирующий результат измерения для младших разрядов цифрового индикатора 10 счетчик 11 результата, формирующий результат измерения для старших разрядов цифрового индикатора 10, при ЭТОМ входы 12-15 схемы добавления импульса соединены соответственно с управляющим входом ключа 4, выходом термопреобразователя 1, выходом реверсивного- счетчика 9 и выходом млад шего разряда счетчика 11, а выход 16 подключен к схеме ИЛИ 8, входы 17 19 схемы 6 формирования временных ин тервалов соединены соответственно с выходом термопреобразователя, выходом умножителя и выходом счетчика 7 счетного интервала, а выходы 20 и 21 подключены к входам реверсивного счетчика 9. Схема 5 добавления импульса (фиг. 3) содержит два инвертора 22 и 23, схему 24 задержки, схему ИЛИ 25,схему 26 равнозначности, триггер 27, схемы И 28 и 29, триггер 30 и схему И 31, выход которой соединен с выходом 16, а входы подключены соответственно к .входу 13, соединенному с первым входом схемы И 28, и прямому выходу триггера 30, вход S устано ки в единицу которого соединен е потенциалом земли, D-вход подключен к обратному выходу триггера 27, Свход соединен с выходом схемы И 28, а R-вход подключен к выходу схемы РШИ 29 и первому входу схемы ИЛИ 25, второй вход которой соединен с входом 14, а выход подключен к S-входу триггера 27, D- и R-входы которого соединены с потенциалом земли, а Свход подключен к входу 12 и через схему НЕ 23 подключен к второму входу схемы И 28 и первому входу схемы И 29, второй вход которой соединен с выходом схемы 26 равнозначности, причем к входу 15 подключены второй вход схемы 26 равнозначности и вход инвертора 22, выход которого через схему 24 задержки соединен с первым входом схемы 26 равнозначности. Схема 6 формирования временных интервалов (фиг.4) содержит два инвертора 32 и 33, два триггера 34 и 35 и две схемы И 36 и 37, причем Sвходы установки в единицу триггеров 34 и 35 подключены к потенциалу земли, а их R-входы установки- в нуль вместе с входом инвертора 33, выход которого соединен с информационными Dвходами триггеров 34 и 35, подключены к входу t7, а вход 19 соединен с тактирующим С-входом триггера 34 и входом инвертора 32, выход которого подключен к тактирующему С-входу триггера 35, соединенному своим выходом с вторым входом схемы И 37, первый вход которой вместе с вторым входом схемы И 36, соединенной своим первым входом с выходом триггера 34, подключены к входу 18, выход 20 соединен с выходом схемы И 36, а выход 21 - с выходом схемы И 37. Цифровой термометр работает следующим образом. При высоком уровне сигнала Tj,, (фиг.2,а), поступающего с выхода счетчика 7 счетного интервала на управляющий вход ключа 4, импульсы измеряемой частоты fx (фиг.2,б) через схему ИЛИ 8 поступают на счетный вход счетчика 11 результата (фиг.2,е), увеличивая его содержимое каждым импульсом на единицу. Кроме того, сигнал с термопреобразователя 1 через умножитель 2 частоты поступает на вход 18 схемы 6 формирования временных интервалов, пропускающей сигнал с частотой k f;( (К - коэффициент умножения 2 частоты) на один из счетных входов реверсивного счетчика 9 результата только за интервалы врем ни, представляющие нецелые части пе риода измеряемого сигнала и обозначенные через At и л t. (фиг. 2, а). Для общего случая несинхронности начала счетного интервала Ty,j,c импульсами измеряемого сигнала термопреобразователя алгоритм работы цифр вого термометра, следующий из временной диаграммы (фиг.2,а,б), описы вается выражением K-f..+(n-1)q+4t,-K-f где N - содержимое счетчика результата после окончания цикла измерения (результат измерения) ; fit, - интервал времени между нача лом счетного интервала Тц и первым входным импульсом i tj - интервал времени между последним входным импульсом и окончанием счетного интер вала ; п - число импульсов, попадающи за счетный интервал Т, в счетчик 11 результата q - вес единицы младшего разряда счетчика 11 результат Длительность счетного интервала имеет вид ut ,+(n-1) (2) где Тц- длительность периода измеряемого сигнала. Так как выделение временного интервала utj связано с определенными трудностями, то предпочтительно выделить временной интервал йtg,yчитьгаая очевидное соотношение ut,T,-ut, Если представить коэффициент умножения К умножителя частоты 2 в вид К К(1 + ), где Кр - номинальный коэффициент умножения - погрешность коэффициента умножения, включающая статическую и динамическую составляющие, с учетом необходимости обеспечения условия алгоритм работы цифрового термометра может быть представлен выражением (n-1)+K f(it, (6) В выражении (6) вьщеляем составляющую (ut,-H,-ut,), MA -у -X -3характеризующую работу реверсивного счетчика 9 и показьшающую, что он должен быть реверсивным. Так как значения длительностей временных интервалов At, и it, могут изменяться в пределах О-Т,, , то справедливо неравенствоО (it,) 2Т, показавшее, что вьфажение t,j всегда положительно, что обосно.Бывает реализацию счетчика 11 результата в виде однонаправленного счетчика, так как отпадает необходимость в заеме единицы. Тогда емкость реверсивного счетчика 9 результата определяется выражением Аяакс показывающим, что старший разряд реверсивного счетчика 9 результата имеет такой же вес, сак и младший разряд счетчика 11 результата. Поэтому при единичном состоянии старшего разряда реверсивного счетчика 9 после окончания временного интервала ut . необходимо добавить в счетчик 11 результата один импульс, для чего и предназначена схема 5 добавления импульса . Если заменить добавление Kf. Т, импульсов в реверсивный счетчик 9 результата его установкой в состояние К до начала цикла измерения, то выражение (7) примет вид Nл,.-Лt,)-ьK. (10) Из выражения (6) следует также, что число поступающих в счетчик 11 результата импульсгв необходимо уменьшить на единицу, что реализуется при его предустановке. При работе цифрового термометра, триггером 27 схемы добавления импульса емкость реверсивного счетчика увеичивается до требуемого выражением (9) значения, а его установка в сотояние Kj, реализуется установкой риггера 27 в нулевое состояние (в альнейшем используется инверсный ыход триггера 27) поступающим через ход 12 схемы 5 формирования временых интервалов на его тактирующий

вход передним фронтом сигнала Т,,, в момент времени t (фнг.2,а), Этнм же фронтом сигнала Т, , поступающего через вход 19 схемы 6 формирования временных интервалов на тактирующий вход триггера 34, последний устанавливается в единичное состояние, если в момент времени t поступающий через вход 17 схемы 6 формирования временных интервалов на вход инвертора 38 сигнал термопреобразователя 1 имеет низкий уровень. В противном случае триггер остается в кулевом состоянии, в которое он установлен не позже, чем в момент времени tg (фиг.2зб), поступающими через вход 17 на входы установки в нуль триггеров ЗА и 35 схемы. 6 формирования временных интерзалов ш-тульсами измеряемой частоты f . Таким Образом, инвертор 33 схемы 6 формирования временных интервалов разрешает установку триггера 34 В единичное состояние только в том случае, когда з моме5-зт времени ti, (начало счетного интервала Т(,,) не поступает импул1 с измеряемой частоты термопреобразователя 1 через ключ 4 и схему ИЛИ 8 на счетньм вход счетчика 11 результата.

При включенном триггере 34 схемы 6 формирования временных интервалов поступающие с выхода умножителя час тоты 2 через вход 18 и второй вход схемы И 36 схемы 6 формирования временных интервглов импульеы с частотой следования Kfj с ее выхода через выход 20 схемы 6 формирования временных интервалов (фиг.2,в) подаются на вход прямого счета реверсивного счетчика 9, состояние которого каждым поступающим импульсом увеличивается на единицу (фиг,25д), начиная от состояния К (триггер 27 схемы 5 добавления импульса н:аходится в нулевом состоянии). Поступлением первого после подачи сигнала Т„,.. импУльса

П }г

измеряемой частоты fj, на вход 17 схемы 6 формирования временных интервалов в момент времени t| (фиг, 2, б) сбрасывается триггер 34 и прекраглается счет импульсов умноженной частоты в реверсивном счетчике 9, а поступающие через ключ 4 и схему ИЛИ 8 импульсы измеряемой частоты подсчитываются счетчиком 11 результата. Г1оявле нием в момент времени t, (комец счетного интервала T,j) заднего фронта сигнала Ти,,,., , поступающего через вход

19 и инвертор 32 схемы 6 формировани. временных интервалов на тактирующий вход триггера 35, последний устанавливается в единичное состояние при на1П1чии в данньй момент времени низкого уровня поступающего через вход 17 на вход инвертора 33 схемы 6 формирования временных интервалов сигнала измеряемой частоты. В результате включения триггера 33 импульсы умноженной частоты Kfj( через схему И 37 и выход 21 (фиг,2,г) схемы 6 поступают на вход обратного счета реверсивного счетчика 9, состояние которого соответственно уменьшается (фиг.2,д) Если в течение временного интервала it при обратном счете реверсивного счетчика 9 возникает импульс переноса, поступающий через вход 14 и схему ИЛИ 25 на вход установки в единицу триггера 27 схемы 5 добавления импульса, то триггер 27 устанавливается в единицу а в противном случае остается в нулевом состоянии. Поступлением в момент времени t,, первого после окончания счетного интервала Tj импульса тчзмеряемой частоты через вход 17 схемы 6 формирования временных интервалов на вход установки в нуль триггера 35 последний сбрасывается и прекращается счет импульсов умноженной частоты Kf, в реверсивном счетчике 9, Передним фронтом (п+1)го импульса измеряемой частоты, выделенного среди остальных импульсов при помощи инвертора 23 и схемы И 28 схемы 5 добавления импульса и поступающего на тактирующий вход триггера 30, последний в момент времени t устанавливается в состояние,определяемое уровнем инверсного выхода триггера 27 схемы 5 добавления импульса. При единичном состоянии триггера 30 схемы 5 добавления импульса триггер 27 в течение временного интервала ut,,, не переключается в единичное состояние, следовательно, не происходит переполнение реверсивного счетчика. 9 при его обратном счете. Этот же (п+1)-й импульс измеряемой частоты через схему И 31 и выход 16 схемы 5 добавления импульса поступает через, схему ИЛИ 8 на вход счетчик 11 результата, увеличивая состояние счетчика на единицу (фиг.2,е, момент времени t,,, ), чем реализуется требув мое согласно приведенному алгоритму работы цифрового термометра добавление одного импульса. Происходящее при этом обязательное переключение младшего разряда счетчика 11 результата, выход которого соединен с входом 15 схемы 5 добавления импульса, при помощи инвертора 22, схемы 24 задержки и схемы 26 равнозначности схемы 5 добавления импульса используется для формирования импульса, длительность которого определяется временем задержки схемы 24, который проходит при высоком уровне выхода инвертора 23 схемы 5 добавления импульса с выхода схемы 26 равнозначности на выход схемы И 29 и устанавливает триггер 30 в нулевое состояние, триггер 27 схемы 5 добавления импульса через схему ИЛИ 25 - в единичное состояние, чем прекращается работа схемы 5 добавления импульса до начала следующего цикла измерения При единичном состоянии триггера 27 схемы 5 добавления ршпульса в момент времени t добавление импульса в старшую часть счетчика 11 результата вообще не- производится. Накопленные после окончания (п+ 1)-го импульса измеряемой частоты в реверсивном счетчике и счетчике 11 результата значения в виде результата измерения температуры передаются в цифровой индикатор 10. Преимущество предлагаемого термометра заключается в возможности использования умножителя 2 частоты,построенного по аналоговой схеме. Такие аналоговые умножители менее слож ны, чем цифровые, и менее чувствительны, чем последние, к фпюктуациям фронтов входных импульсов. При использовании более сложных, чем аналоговые, цифровых з множителей основной вклад в нестабильность козф фициента умножения цифрового умножители вносят его сбои при резких флюк туациях периодов входного сигнала. Существенно, что в описываемом термометре сбои за время Т, не накапливаются в счетчике результата, а ощибки в работе цифрового умножителя частоты вследствие сбоев сказываются лишь на длительности интервала времени At, -At,. Формула изобретения Цифровой термометр, содержащий термопреобразователь с частотным выходным сигналом, подключенный к входу умножителя частоты, счетчик счетного интервала, вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, а выход соединен с управляющим входом ключа, счетчик, результата цифровой индикатор, схему добавления импульса, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения путем снижения составляклцей погрешности, вносимой умножителем частоты, в него введены схема ШШ, реверсивньй счетчик и схема формирования временных интервалов, выходы которой соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика, первый вход подключен к выходу термопреобразователя и входу ключа, второй вход соединен с выходом умножителя частоты, а третий вход подключен к управляющему входу ключа, соединенному с первым входом схемы добавления импульса, второй, третий и четвертый входы которой соответственно соединены с выходами термопреобразователя, реверсивного счетчика и выходом младшего разряда счетчика результата, а выход подключен к первому входу ШШ, второй вход которой соединен с выходом ключа, а выход подключен к входу счетчика результата, при этом выходы счетчика соединены со старшими разрядами цифрового индикатора, младшие разряды которого подключены к выходам реверсивного счетчика.

tu3H

Фие. 2

.J

Изобретение относится к температурньм измерениям и позволяет повысить точность измерения температуры за счет снижения составляющей погрешности, вносимой умножителем. При высоком уровне сигнала, поступающего с выхода счетчика 7 счетного интервала на управляюпщй вход ключа 4, импульсы измеряемой частоты через схему ИЛИ 8 поступают на счетньй вход счетчика 11 результата, увеличивая его содержимое казсдым импульсом на единицу. Сигнал с термопреобразователя 1 через умножитель частоты 2 поступает на вход 18 схемы 6 формирования временных интервалов,, пропускающий сигнал на один из счетчиков 9 результата только за интервалы времени,представляющие нецелые части периода измеряемого сигнала. При единичном со(Л стоянии старшего разряда счетчика 9 с после окончания временного интервала добавляется в счетчик 11 результата один импульс, для чего предназначена схема 5 добавления импульса. 4 ил. 1C 00 4J СП