Цифровой термометр Советский патент 1987 года по МПК G01K7/18 

1

1296859

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к цифровым термометрам с термопреобразователями сопротивления.

Цель изобретения - повышение точности измерения путем уменьшения влияния на результат измерения изменений переходных сопротивлений ключей и нелинейности аналого-цифрового преобразователя, а также повышение надежности работы цифрового термометра.

На чертеже приведена блок-схема цр фрового термометра.

Цифровой термометр содержит термо- преобразователь 1 сопротивления, подключенный к четырем проводам двух двухпроводных линий 2 и 3, где R, , R,; 5 R,j 5 RM эквивалентны сопротив-, лениям соответствующих проводов ли- НИИ связи, резисторы 4 и 5, дополнительные резисторы 6 и 7, первый коммутатор 8, второй ког-1мутатор 9, третий коммутатор 10, четвертый коммутатор 11, пятый коммутатор 12, шее- той коммутатор 13, стабилизатор 14 тока, аналого-цифровой преобразователь с компаратором 15 низкого уровня, блок 16 вычисления, блок 17 индикации, блок 18 памяти и блок 19 уп- равления.

, Каждый коммутатор выполнен в виде двух ключей, информационные входы и управляющие входы которых соединены

между собой. Блок вычисления предназ- j процесс измерения осуществляется

начен для приема информации из аналого-цифрового преобразователя и значений коэффициентов из блока памяти, вычисления сопротивления термопреобразователя и определения темпе- 0 ратуры. В качестве блока вычисления могут быть использованы как однокристальные микропроцессоры, так и микропроцессорные комплекты БИС серий К580, К581 и других, подключение ко- 45 торых осуществляется в полном соответствии с руководством по их применению.

Блок 18 памяти предназначен для хранения значений основных и допол- 50 нительных сопротивлений, коэффициентов полинома, аппроксимирующего гра- дуировочную характеристику термопре- образователя сопротивления, а также программы, по которым блок вычисле- jjj ния осуществляет вычисление сопротивления термопреобразователя и определение температуры по полиномиальной зависимости сопротивления

за шесть тактов. В первом такте б управления формирует последовател ность команд, по которым стабилиз тор 14 тока через один из ключей мутатора 12, основной 4 и допо:ш тельный 6 резисторы и один из клю коммутатора 8 подключается к обще точке. При этом вторые ключи комм таторов 12 и 8 подключаются соотв ственно к компараторам высокого и низкого уровня аналого-цифровог преобразователя 15. Таким образом на вход компаратора высокого уров поступает напряжение, пропорциона ное последовательно включенным ос ному и дополнительному резисторам 4, 6 и проходному сопротивлет5Ю в рого ключа коммутатора 8, а на вх компаратора низкого уровня - напр ние, пропорциональное только прох ному сопротивлению второго ключа мутатора 8. Б результате на выход преобразователя 15 формируется ко N,, поступающий в блок 16 и пропо

термопреобразователя от температуры. Блок памяти может состоять из постоянно запоминающего узла, предназначенного для хранения программы, и программируемого постоянно запоминающего узла, предназначенного для хранения значений козффициентов. В качестве блока памяти может быть использована стандартная БИС.

Блок управления предназначен для управления работой всего цифрового термометра. Он может, например, состоять из генератора тактовых импульсов, ключа, дешифратора, счетчика, вход которого через соединен с выходом генератора, а выходы подключены к входам дешифратора, выходы которого являются выходами блока управления. При поступлении команды Пуск ключ открывается, импульсы из генератора тактовой частоты через ключ поступают на вход счетчика и на выходах дешифратора начинает формироваться последовательность команд управления.

Цифровой термометр работает сле- ДУЮ1ЦИМ образом.

При поступлении в блок управления команды его выходах начинает формироваться последовательност , которые поступают на управляющие входы ключей, аналого-цифрового преобразователя, блока вычисления блока памяти и блока индикации. Весь

процесс измерения осуществляется

за шесть тактов. В первом такте блок управления формирует последовательность команд, по которым стабилизатор 14 тока через один из ключей коммутатора 12, основной 4 и допо:ши- тельный 6 резисторы и один из ключей коммутатора 8 подключается к общей точке. При этом вторые ключи коммутаторов 12 и 8 подключаются соответственно к компараторам высокого и низкого уровня аналого-цифрового преобразователя 15. Таким образом на вход компаратора высокого уровня поступает напряжение, пропорциональное последовательно включенным основному и дополнительному резисторам 4, 6 и проходному сопротивлет5Ю второго ключа коммутатора 8, а на вход компаратора низкого уровня - напряжение, пропорциональное только проходному сопротивлению второго ключа коммутатора 8. Б результате на выходе преобразователя 15 формируется код N,, поступающий в блок 16 и пропорциональный напряжению на последовательно включенных основном и дополнительном резисторах 4 и 6. Код N , может быть представлен в виде

N

где а

а„ +а. а. +R

),

R

R

31. 1

9)2

(R;,M --si.i коэффициенты, зависящие

iOT коэффициентов передачи измерительного тракта цифрового термометра изменение которых обус- ловливает соответственно аудитивную и мультипликативную погрешности тракта;

сопротивление основного резистора 4; сопротивление дополнительного резистора 6. Во втором такте стабилизатор тока через один из ключей коммутатора 13, основной 5 и дополнительный 7 резисторы и один из ключей коммутатора 9 подключается к общей точке. При этом вторые ключи коммутаторов 13 и 9 подключаются соответственно к компара- торам высокого и низкого уровней пре образователя 15. Таким образом, на вход компаратора высокого уровня поступает напряжение, пропорциональное последовательно включенным основному и дополнительному резисторам 5, 7 и проходному сопротивлению второго ключа коммутатора 9, а на вход компаратора низкого уровня - напряжение, порпорциональное только проходному сопрот{-гвлению второго ключа коммутатора 9. В результате на выходе преобразователя 15 формируется код N, поступающий в блок 16 и пропорциональный напряжению на последовательн включенных основном и дополнительном резисторах 5 и 7. Код Nj может быть представлен в виде

N,a,-)-a,(R,.,+R ,,.,,),

где Н - сопротивление основного

резистора 5;

ЕЗ,2 - сопротивление дополнительного резистора 7.

В-третьем такте стабилизатор тока через один из ключей коммутатора 13, основной резистор 5, двухпроводную линию 3 и один из ключей коммутатора 11 подключается к общей точке. При этом вторые ключи коммутаторов 13 и 11 подключаются соответственно к компараторам высокого и низкого уровней преобразователя 15. Таким образом, на вход компаратора высокого уровня

Р968594

поступает напряжение, пропорциональное последовательно включенным резистору 5. сопротивлениям двухпроводной линии 3 и проходному сопротивлению

10

(5

20

25 JQ го

0

второго ключа коммутатора II, а на вход компаратора низкого уровня - только напряжение, пропорциональное проходному сопротивлению второго ключа коммутатора 11. В результате на выходе преобразователя 15 формируется код N., поступающий в блок 16 и пропорциональный напряженг-по на последовательно вклзоченных резисторе 5 и сопротивлениях двухпроводной линии 3. Код NJ может быть представлен в виде

где R.

.+a,(R,,,+R,+R ), , R.

- сопротивления проводов двухпроводной линии 3.

в четвертом такте стабилизатор тока через один из ключей коммутатора 13, резистор 5, провод двухпроводной линии 3, термопреобразователь 1 сопротивления, провод двухпроводной линии 2 и один из ключей коммутатора 10 подключается к общей точке. При этом вторые ключи коммутаторов 13 и 10 подключаются соответственно к компараторам высокого и низкого уровня преобразователя 15. Таким образом, на вход компаратора высокого уровня поступает напряжение, пропорциональное последовательно включен- нь1м резистору 5, сопротивлению провода двухпроводной линии 3 сопротивлению термопреобразователя, сопротивлению провода двухпроводной линии 2 и проходному сопротивлению второго ключа компаратора 10, а на вход компаратора низкого уровня - напряжение, пропорциональное только проходному сопротивлению второго ключа компаратора 10. В результате, на выходе пре- 45 образователя 15 формируется код N , поступающий в блок 16 и пропорциональный напряжению на последова- i тельно включенных резисторе 5, сопротивлении провода двухпроводной линии 3, термопреобразователе сопротивления и сопротивлении провода двухпроводной линии 2. Код N. может быть

представлен в виде

, (R,,,+R, +Rt+R,,,), где Rt - сопротивление термопреобразователя .

В пятом такте стабилизатор тока через один из ключей коммутатора 12,

512

резистор 4, двухпроводную линшо 2 и один из ключей коммутатора 10 подключается к обп1;ей точке, При этом вторые ключи коммутаторов 2 и 10 подключаются соответственно к компа- 45аторам высокого и низкого уровней преобразователя 15. Таким образом, на вход компаратора высокого уровня поступает напряжение, пропорциональное последовательно включенным ,резис тору 4, сопротивлениям проводов двухпроводной линии 2 и проходному сопротивлению второго ключа коммутатора ,10, а на вход компаратора низкого уровня поступает напряжение, пропорциональное только проходному сопротивлению второго ключа коммутатора 10. В результате на выходе преобразо вателя 15 формируется код Nr , поступающий в блок 16 и пропорциональный напряжению на последовательно включенных резисторе 4 и сопротивлении проводов дву хпроводной линии 2. Код

может быть представлен в виде .,(R,,,, +R,+R R

е .R.

л2

Al.

- сопротивление проводов двухпроводных линий 2.

В шестом такте стабилизатор тока через один из ключей кoм yтaтopa 12, резистор 4, Провод двухпроводной линии 2, термопреобразователь сопротивления, провод двухпроводной линии 3 и один из ключей коммутатора подключается к общей точке. ЛТри этом вторые ключи коммутаторов 12 и 11 подключаются соответственно к компараторам высокого и низкого уровней преобразователя 15. Таким образом, на вход компаратора высокого уровня поступает напряжение, пропорциональное последовательно включенным резистору 4, сопротивлению провода двухУменьшение влияния проходных сопротивлений ключей на точность измерения сопротивления термопреобразоиа- теля /достиг ается за счет схемы соединения ключей, которая позволяет в Кс1лсдом такте измерения формировать на выходе преобразователя код, пропорциональный разности напряжений на входах компараторов высокого и низкого уровней, величина которого

проводной линии 2, термопреобразова- не зависит от величины проходных со- телю 1 сопротивления, сопротивлению противлении ключей. провода двухпроводной линии 3 и про-

Благодаря этому увеличивается также надежность работы цифрового термоходному сопротивлению второго ключа коммутатора II, а на вход коштарато- ра низкого уровня-напряжение, пропорциональное только проходному сопротивлению второго ключа KOf iMyTaTOpa 1 I В результате на выходе преобразовате50

метра, так как в нем можно использоля 15 формируется код К , поступающий

V

вать в качестве ключей как полупроводниковые ключи на транзисторах, так и БИС коммутаторов, например, серий К590, К591, величина проходного

в блок 15 и пронорциональный напряже-.j сопротивления которых может изменять- нию на последовательно включенных ся в очень широких пределах от экзем- резисторе 4, сопротивлении провода пляра к экземпляру и имеющих гораздо двухпроводной линии 2, термопреобра- большую надежность срабатывания чем зователе сопротивления и с опротивле- герконовые реле.

ник провода двухпроводной линии 3. Код Wg может быть представлен в виде

, (R,,.+R, +Rt+R J. Блок вычисления по командам управления из блока 19 осуществляет вычисление сопротивления термопреобразователя в соответствии с формулой

Rt

1 (R.,.,H-R,,.2)-(R,,.,+R.,,,j )

N.-JV

5

0

KN,-I,) + (H -HJ,

которая решением системы из шести уравнений. После вычисления сопротивления термопреобразователя определяется температура в соответствии с по линомом, аппроксимиругощим градуировочн по характеристику термопреобразователя.

Коэффициент (Кэ,.,2,2 п +R.j )J , а таклсе коэффициенты ап0

проксимируюшего полинома заданы в блоке 18 памяти. По команде, поступающей на его управляющий вход, один из этих коэффициерггов в соответствии с алгоритмом работы цифрового термо-- 5 метра поступает в блок вычисления. При поступлении команды на управляющий вход блока 7 индикации результат измерения температуры поступает из блока вычисления в этот блок, где он сохраняется до постз плелия нового результата измерения. Цикл измерения тег-шературы повторяется при наличии на входе блока 9 управления команды Пуск.

Уменьшение влияния проходных сопротивлений ключей на точность измерения сопротивления термопреобразоиа- теля /достиг ается за счет схемы соединения ключей, которая позволяет в Кс1лсдом такте измерения формировать на выходе преобразователя код, пропорциональный разности напряжений на входах компараторов высокого и низкого уровней, величина которого

5

0

не зависит от величины проходных со- противлении ключей.

50

метра, так как в нем можно использовать в качестве ключей как полупроводниковые ключи на транзисторах, так и БИС коммутаторов, например, серий К590, К591, величина проходного

Уменьшение влияния нелинейности аналого-цифрового преобразователя на точность измерения температуры достигается путем ввода в цифровой термометр двух дополнительных резисторов и подбора величин сопротивлений как основных, так и дополнительных резисторов, исходя из следующих соотношений:

. Кэ1,Ч..„ -,

R,,.,2R. ;

R

i t

:R

Н,„йН,

t мим

+ 2R.

где R. , К. - соответственно

t- Г-1ИЧ 1-макс

минимальная и максимальная величина сопротивлений термопреобразователя;

R, - сопротивление провода. При этом результаты N ,N, М попадают в окрестность одной точки,а результаты N, , N

другой точки нелинейной характеристики аналого-цифрового преобразователя. Таким образом, разброс результатов , получаемых на выходе преобвыходу блока памяти, а выход соединен с блоком индикации, блок управления, выходы которого подключены соответственно к управляющим входам аналого- 5 цифрового преобразователя, блока вычисления, блока памяти и блока индикации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет уменьшения влияния (О на результат измерения изменений переходных сопротивлений ключей и нелинейности аналого-цифрового преобразователя, в него введены шесть коммутаторов, каждый из которых вы- 15 полнен в виде двух ключей с соединенными между собой информационными и управляющими входами, и два дополнительных резистора, первые выводы которых соединены соответственно с

Ng - в окрестность 20 первыми выводами резисторов, а вторые

выводы подключены соответственно к входам первого и второго коммутаторов, первые выходы которых подключены к компаратору нт-шнего уровня анаразователя, сводится к минимуму, и 25лого-цифрового преобразователя, соетем самым уменьшается влияние на точ-диненному с первыми выходами третьего

ность измерения нелинейности характе-и четвертого коммутаторов, а вторые

ристики аналого-цифрового преобразо-выходы подключены к общей точке цифвателя.рового термометра, соединенной с вто30рыми выходами третьего и четвертого коммутаторов, входы которых соответФормула изобретения

ственно соединены с вторым и третьим проводами линии связи, вторые выводы резисторов подключены соответстЦифровой термометр, содержащий термопреобразователь сопротивления, включенный по четырехпроводной схеме, 35 венно к входам пятого и шестого ком- стабилизатор тока, аналого-цифро- мутаторов, первые выходы которых подключены к компаратору верхнего уровня аналого-цифрового преобразователя, а вторые выходы соединены с первым 40 врлводом стабилизатора тока, второй вывод которого подключен к общей точБой преобразователь с компаратором высокого и компаратором низкого уровней, два резистора, первые выводы которых соединены соответственно с первым и Четвертым проводами четырехпроводной линии связи,блок вычисления, первый вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход подключен к

Составитель В. Куликов Редактор С. Лисина Техред М.Ходанич Корректоре. Шекмар

Заказ 766/42 Тираж 777Подписное

ВНИ1ШИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

968598

выходу блока памяти, а выход соединен с блоком индикации, блок управления, выходы которого подключены соответственно к управляющим входам аналого- 5 цифрового преобразователя, блока вычисления, блока памяти и блока индикации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет уменьшения влияния (О на результат измерения изменений переходных сопротивлений ключей и нелинейности аналого-цифрового преобразователя, в него введены шесть коммутаторов, каждый из которых вы- 15 полнен в виде двух ключей с соединенными между собой информационными и управляющими входами, и два дополнительных резистора, первые выводы которых соединены соответственно с

ственно соединены с вторым и третьим проводами линии связи, вторые выводы резисторов подключены соответственно к входам пятого и шестого ком- мутаторов, первые выходы которых подключены к компаратору верхнего уровня аналого-цифрового преобразователя, а вторые выходы соединены с первым врлводом стабилизатора тока, второй вывод которого подключен к общей точке термометра, при этом управляющие входы коммутаторов соединены с дополнительными выходами блока управ- 45 ления.

Изобретение относится к цифровым термометрам с термопреобразователями сопротивления. Цель изобретения - повышение точности измерения и повышение надеясности работы устройства, которое содержит термопреобразователь 12 1, двухпроводные линии 2 и 3, резисторы 4, 5, 6 и 7, коммутаторы 8, ,9, 10, 11, 12 и 13, стабилизатор 14 тока, аналого-цифровой преобразователь 15, блок 16 вычисления, блок 17 индикации, блок 18 памяти и блок 19 управления. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет уменьшить влияние переходных сопротивлений ключей на точность измерения сопротивления термопреобразрвателя 1 за счет схемы соединения ключей, позволяющей в каждом из шести тактов измерения формировать на выходе аналого-цифрового преобраз ователя 15 код, пропорциональный разности напряжений на входах коммутаторов 8-13 высокого и низкого уровней, величина которого не зависит от величины переходных сопротивлений ключей. 1 ил. Q (О (Л to со Р5 00 ел со