Цифровой измеритель температуры Советский патент 1988 года по МПК G01K7/16 

11

Изобретение относится к области температурных измерений, а именно цифровым измерителям температуры.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем уменьшения погрешности измерения, вьгаван- ной временной и температурной нестабильностью времязадающей цепи генератора экспоненциального напряжения и элементов цифрового частотомера.

На фиг. 1 представлена блок-схема цифрового измерителя температуры; на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов элементов измерителя.

Цифровой измеритель температуры содержит источник 1 опорного напряжения, аналоговый ключ 2, термопреобразователь 3 сопротивления, дополнительный резистор 4, инвертирующий усилитель 5 постоянного тока (УПТ) с резистором 6, включенным в цепь отрицательной обратной связи, генератор 7 экспоненциального напряжения, блок 8 сравнения, первый счет- чик 9, первый элемент И 10, дешифратор 11, второй счетчик 12, формирователь 13 заднего фронта, формирователь 14 переднего фронта,второй элемен И 15, первый элемент ИЛИ 16, второй элемент ИЛИ 17, триггер 18, третий элемент И 19, четвертый элемент И 20, инвертор 21, дифференциальный усилитель постоянного тока (УПТ) 22, интеграто 23 и цифровой частотомер 24.

Цифровой частотомер 24 содержит управляемый генератор 25 опорной частоты, делитель 26 частоты, элемент И 27f рабочий счетчик 28, блок 29 памяти и цифровой индикатор 30, выходы которого являются выходами цифрового частотомера.

Генератор 7 экспоненциального напряжения может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных конденсатора 31 и резистора 32, причем точка соединения одной из обкладок конденсатора 31 и одного из выводов резистора 32 является выходом генератора 7, другая обкладка конденсатора - первьм входом генера- тора 7, а другой вывод резистора 32 подключен к шине нулевого потенциала. Кроме этого, генератор 7 может содержать аналоговый ключ 33, под- ключенньй параллельно обкладкам конденсатора 31, при этом управляющий вход аналогового ключа 33 является вторым входом генератора 7. Бло

62

8 сравнения может быть выполнен, например, в виде операционного усилителя 34, неинвертирующий вход которого соединен с шИной нулевого потенциала, а к инвертирующему пбдключены резисторы 35 и 36.

Интегратор 23 может быть выполнен на операционном усилителе 37, в цепь отрицательной обратной связи которого включен конденсатор 38, неинвертирующий вход подключен к шине нулевого потенциала, а инвертирующий - к одному из выводов резистора 39. Другой вывод резистора 39 является входом интегратора 23.

Измеритель работает следующим образом.

В мо мент изменения ВЕЛХОДНОГО сигнала дешифратора 11 с нулевого в единичный он, поступая на управляющий вход аналогового ключа 2, устанавливает его в такое положение, при котором от выхода источника 1 опорного напряжения отключается дополнительный резистор 4 и подключается терморезистор 3. При этом напряжение на выходе УПТ 5 изменяется скачком от значения

,Д1)

RO

(г)

RO

х,пт Uog- до и,„ -Uo--,

3л J

где Up - величина выходного напряжения опорного источника 1; R(j - величина сопротивления резистора в обратной связи уси- лителя 5 постоянного тока; Rq - величина сопротивления до полнительного резистора 4; R - величина сопротивления терморезистора 3.

Величина сопротивления терморезистора 3 изменяется при изменении измеряемой температуры по закону

где А, В - постоянные коэффициенты

терморезистора;

е - основание натурального логарифма;Т - величина измеряемой тем пературы.

При этом выходное напряжение УПТ 5 Uyn, , временная диаграмма которого представлена на графике 40 (фиг. 2), соответствующее уровню измеряемой температуры ,,, подается на один из входов блока 8 сравнения, на второй вход которого поступает напряжение Uj с выхода генератора 7, представленное на графике А1:

I -f

и, Uoe

, ,, R3i-R5t

D J.D

л

где t текущее время, прошедшее от начала генерирования экспоненциального напряжения; постоянная генератора 7; величина емкости конденсатора 31;

величина сопротивлений резисторов 32 и 36. В момент равенства суммы токов , протекаюш их через резисторы 35 и 36 блока 8 сравнения, нулю

« С Н

вуг

U,/R

зс

- /R к « vnr

35

ИЛИ

при R J равенства Uynt Ua-O на выходе операционного усилителя 34 блока 8 сравнения за счет высокого коэффициента в разомкнутом состоянии появляется скачок положительного напряжения, который поступает на управляющий вход аналогового ключа генератора 7, Ключ 33 закорачивает обкладки конденсатора 31, и разряжает его. При этом выходное напряжение генератора 7 скачком устанавливается в исходное состояние U, Ug, в результате чего положительный сигнал на выходе блока 8 сравнения скачком уменьшается до нуля, что в свою очередь приводит к размыканию аналогового ключа 33, и начинается новый цикл генерирования экспоненциального напряжения, определяющий начало формирования временного интервала задержки. При этом на выходе блока 8 сравнения в момент каждого era срабатывания формируется импульс. Выходной сигнал блока 8 сравнения представлен на графике 42. Время , прошедшее от начала генерирования экспоненциального напряжения до момента срабатывания блока 8 сравнения, определяемое из равенства U,, ti

+ IT Р

Ae -.in l .

+ U:

составит

, О или

.V-il .

Сформированный на выходе блока :равнения в момент его срабатьгоа- ния импульс поступает на один из вхо дев первого элемента И 10 и вследствие того, что на другом его входе в это время присутствует разрешающий

сигнал логической единиид с выхода дешифратора 11, он проходит на выход и далее на вход нулевого сброса первого счетчика 9. Импульсньш сигнал на выходе элемента И 10 представлен на графике 43.

При этом сигнал на выходе дешифратора 1 1, представленный на графике 44, меняется с единичного на нулевой, поступает на управляющий вход аналогового ключа 2 и устанавливает его в такое состояние, при котором от выхода источника 1 опорного напряжения отключается терморезистор 3 и подключается дополнительный резистор 4, что в свою очередь приводит к скачкообразному изменению напряжения на выхо/ л

де УНТ 5 от величины U

VOT

- до и К,

(1) vrrr

,0

5

С этого момента начинается процесс формирования временного интервала 5 задержки tj.

Время , прошедшее от момента начала генерирования экспоненциального напряжения, определяемого предыдущим срабатыванием блока сравнения, до момента его нового срабатывания.

определяемое из равенства

+

и, О или -П 2 +

t ;

R

составит

--2 R,

Ч

о

о.

40

45

50

55

Сформированньп на выходе блока сравнения импульс вследствие блокировки входа первого элемента И 10, соединенного с выходом дешифратора 11, присутствующим на нем сигналом нулевого уровня не проходит на вход нулевого сброса первого счетчика 9, поступая на счетный вход первого счетчика 9, изменяет по своему заднему фронту соответствующим образом его состояние. Так как при этом сигнал на выходе дешифратора 11 изменился, сформированный на выходе блока 8 сравнения импульс вследствие блокировки входа первого элемента И 10 по входу, соединенному с выходом дешифратора 11, присутствующим на нем нулевым сигналом не проходит на вход нулевого сброса первого счетчика 9, а поступает на счетный вход первого счетчика 9 по своему заднему фронту и изменяет соответствующим образом его состояние. Так как при этом сиг513905

нал на выходе дешифратора 1 1 не II:IMP- 1нлся, то очередной и последующие импульсы на вьгходе блока 8 сравнения будут форш1роваться с периодом t -г In

R/

Так будет продолжаться до момента формирования п-го импульса, считая с момента нулевого сброса первого счетчика 9, т.е. с момента начала формирования временного интервала задержки tj.. Этот импульс, поступая на счетный вход первого счетчика 9, устанавливает его выходы в такое состояние, при котором уровень на выходе дешифратора 11 меняется с нулевого опять на единичный. При этом аналоговый ключ 2 вновь отключает выход источника 1 опорного напряжения от вывода дополнительного резистора 4 и подключает к нему вывод терморезистора 3. В этот момент заканчивается формирование временного интервала задержки, длительность которого t, таким образом составит

t, nt V nUn 5-. KQ

Далее работа измерителя происходи аналогично описанному. В результате на выходе дешифратора 11 формируется импульсная последовательность с длительностью импульсов t и с периодом t, определяемым выражением

t, - Пп + n-tln -3

(II

В

-Г т

R.

При выполнении условия J In --

А 40

-.KtJ RQ .-RttsnfnTln -- или -- ( частота f А К„

Rj

R,

импульсного сигнала на выходе дешифратора 11 определяется выражением

, 1 Т

г - --, т.е. будет прямо пропорциональна измеряемой температуре. Для получения прямого цифрового отсчета измеряемой температуры импульсный 50 сигнал с выхода дешифратора 11 подается на первый вход цифрового частотомера 2А. Сигнал с выхода генератора 25 управляемой опорной частоты частотометра 24 через его выход опор-55 ной частоты поступает на счетный вход второго счетчика 12. Одновременно на вход нулевого сброса второго счет

о 5

0

5

0

5

0 5

166

чика 12 поступает импульс с выхода первого элемента И 10. Так как импульс на вьгеоде первого элемента И формируется в момент начала формирования временного интервала задержки, то задний фронт импульса, сформированного на выходе второго счетчика 12, соответствуюишй моменту его переполнения, появится после момента начала формирования временного интервала задержки через управляемый временный интервал ty, определяемый частотой f выходного сигнала генератора управляемой опорной части и коэффициента пересчета К цВторого

Т7

счетчика 12: t, --. Временная

7

диаграмма сигнала на выходе счетчика 12 представлена на графике 45. Формирователь 13 заднего фронта по заднему фронту импульса с выхода второго счетчика 12 формирует единичный импульс, передний фронт которого соответствует окончанию управляемого временного интервала t. Временная диаграмма сигнала на выходе формирователя 13 заднего фронта представлена на графике 46. Одновременно формирователь 14 переднего фронта формирует на своем вьгходе импульс, передний фронт которого совпадает с моментом окончания временного интервала задержки t,, так как передний фронт единичного импульса на выходе дешифратора 11, соединенном с входом формирователя 14 переднего фронта, совпадает с моментом окончания формирования временного интервала задержки. Временная диаграмма сигнала на выходе формирователя 14 переднего фронта представлена на графике 47. Импульсы с выходов формирователей 13 и 14, поступая на входы второго элемента И 15, формируют на его выходе единичный импульс, временная диаграмма которого представлена на графике 48, только в случае, если они придут одновременно, т.е. когда t, ty. Импульс с выхода второго элемента И поступает на один из входов второго элемента ИЛИ 17, на другой вход которого поступает единичный импульс с выхода первого элемента И. Поэтому выход триггера 18 будет устанавливаться сигналом с выхода второго элемента ИЛИ 17 в нулевое состояние в момент начала формирования временного интервала задержки и в случае

7Г

рареистпя t ty - в момент окончания временного интерва.та задержки. На пыходе первого элемента ИЛИ 16, временная диаграмма сигнала которого представлена на графике 49, проходят единичные импульсы с выходов формирователей 13 и 14. Причем в случае t ty первым приходит импульс с выхода формирователя 13 заднего фрон- та, в случае t j t у - с выхода формирователя 14 переднего фронта, а в случае t, 1 приходят одновременно.

Первый импульс, поступивший с вы- хода первого элемента ИЛИ на счетный вход триггера 18, перебрасывает его выход в единичное состояние, так как в момент начала формирования временного интервала задержки он был уста- новлен в нулевое состояние, а второй возвращает его в исходное нулевое. В результате на выходе триггера 18, временная диаграмма сигнала которого представлена на графике 50, при t j. t , сформируется единичный импульс длительностью t , - t,,, задний фронт которого совпадает с моментом окончания временного интервала задержки, при t J t j - длительностью t - t j, задний фронт которого совпадает с моментом окончания управляемого временного интервала, а при ty t выход триггера удерживается в нулевом состоянии сигналом с выхода второго элемента И 15, поступающим через вто рой элемент ИЛИ 17 на вход нулевого сброса триггера 18. Так как сигнал на выходе дешифратора 11 имеет единичное значение только после окончания формирования временного интервала задержки, он, поступая на один из входов четвертого элемента И, пропустит единичный импульс с выхода триггера 18 на выход четвертого элемента И 20 только в случае t ty. Проинвертированный инвертором 21 сигнал с выхода дешифратора 11 принимае единичное значение только в течение формирования временного интервала задержки, поэтому он, поступая на один из входов третьего элемента И 19, пропускает единичный сигнал с выхода триггера 18 на выход третьего элемента И 19 только в случае, когда t «J t.. Временные диаграммы выходных сигналов третьего 19 и четвертого 20 элементов И представлены соответственно на графиках 51 и 52 (фиг.2),

168

Сигнал с выхода третьег элемента И 19 поступлет на неинверти зую 1пп 1 вход дифференциального УНТ 22, л с выхода четвертого элемента И 20 - на инвертирующий, т.е. при t з у на неинвертирующий вход дифференциального УПТ 22 поступает единичный импульс и на инвертт1руюпоп 1 - нуле- 1ВОЙ сигнал, при tj t наоборот, а при t J t . - на обоих входах присутствует нулевой сигнал. В результате на выходе дифференциального УПТ 22 при t J. t у сфорьшруется импульс положительной полярности, при tj, « t отрицательной, а npti t , t нупевой сигнал.

Напряжение с выхода ,п1тфферен1Щ- ального УПТ 22, временная диаграмма которого представлена на графике 53, поступая через вход интегратора 23 на вывод резистора 39 с сопротивлением R, определяет величину и направление тока через него. Вслелстьце того, что неинвертирующий вход операционного усилителя 37, имеющего высокий коэффициент усиления, соединен с шиной нулевого потенциала, ток i, протекающий череп конденсатор 38, будет определяться выражением i

и в к: ИНТ

-, тогда выходное напряжение

К

Btfx UHT будет, изменяться по закону II TICO i -

BUx.UWT вых. ИНТ (

где С - емкость конденсатора 38:

inx. UHT ) начальное напряжение на конденсаторе 38.

Так как при t t на вход интегратора 22 поступает импульс положи- тельной полярности, выходное напряжение операционного УПТ 37 в течение длительности импульса будет линейно убывать, при t г t,, т.е. отрицательном импульсе напряжения на входе интегратора 23, - линейно возрастать, а при t J ty и нулевом сигнале ня входе интегратора 23 - сохранять исходный уровень, определяем1,1й величиной напряжения на конденсаторе 38. Временная диаграмма напряжения на выходе интегратора представлена ил графике 54. Выходной сигнал интегратора 23 поступлет через второй вход цифрового частотомера 24 на вхо.ч генератора 25 управляемой опорной частоты. При возрастании напряжения на входе генератора 25 управляемой опорной частоты, т.е. при t ty4acTOTa импульсного сигнала на его выходе увеличивается, при уменьшении, т.е. при tj t, уменьшается, а при сохранении постоянного значения - остается постоянной. При этом так как длительность управляемого временного интервала t у определяется частотой импульсного сигнала на выходе генератора управляемой опорной частоты

139051610

счетчика 28. В результате в блоке 29 памяти будет записан код преобразова ванным цифровым индикатором 30 в чикоторое с учетом

в в виде

10

ело N nj ,

равенства f Т/Т. можно представить

N I- -с OB К,,

in (|i)

KO

(i) п. В Кеч

an(|i).

Таким образом, результат измерения не зависит от постоянной времени генератора 7 экспоненциального напряжения и значения частоты импульсного сигнала на выходе генератора 25 опорной частоты.

при t I t J она будет

- К с.

f : ty ---, при t j уменьшаться а при t j у увеличиваться. В результате частота сигнала на выходе генератора 25 управляемой опорной частоты будет изменяться до тех пор, пока не примет значение f, при котором выполняется условие t t,y, после чего будет сохранять постоянное значение, С уче. Кеч

том t --

1

t, пПп 1

которое с учетом

в в виде

ело N nj ,

равенства f Т/Т. можно представить

N I- -с OB К,,

in (|i)

KO

(i) п. В Кеч

an(|i).

Таким образом, результат измерения не зависит от постоянной времени генератора 7 экспоненциального напряжения и значения частоты импульсного сигнала на выходе генератора 25 опорной частоты.

„ К дел При выполнении условия п «

xlnC--) 1 получаем N Т, т.е. пря1 0

мой цифровой отсчет измеряемой температуры.

Изобретение касается температурных измерений. Цель изобретения - повьппение точности измерения. Устр-во содержит источник 1 опорного напряжения, аналоговый ключ 2, термопреобразователь 3 сопротивления, резисторы 4 и 6, усилитель 5, генератор 7, блок 8 сравнения, счетчики 9, 12, элементы И 10, 15, 19, 20 и 27, дешифратор 11, формирователи 13 и 14, элементы ИЛИ 16, 17, триггер 18, инвертор 21, усилитель 22, интегратор 23, частотомер 24, делитель 26 частоты, счетчик 28, блок 29 памяти и индикатор 30. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устр-ва позволяет уменьшить погрешность измерения, вызванную временной и температурной нестабильностью времязадающей цепи генератора 7 и элементов частотомера 24. 2 ил. иифройои код (ТТуГЛП .ттт тт I СуЛ i « сл со со о ел 05

f,

in cpr Импульсный сигнал с выхода генератора управляемой опорной частоты, поступая на вход делителя 26 частоты, формирует на его выходе импульсный сигнал с длительностью единичног импульса, определяемого выражением

КАРА

где

К.„ - коэффициент деления дели- т,

теля о частоты.

Этот сигнал, поступая на один из входов элемента И 27, разрешает в течение опорного временного интервала прохождение на выход элемента И 27 п а импульсов С выхода дешифратора 11, поступающих на другой вход элемента

И, j f частота импульсного сигнала на выходе дешифратора 11 . Одновременно импульсный сигнал с выхода делителя 26 частоты, поступая на вход нулевого сброса рабочего счетчика, устанавливает его в исходное нулевое состояние по своему переднему фронту, а поступая на вход записи блока памяти по своему заднему фронту,- переписывает содержимое рабочего счетчика 28 в блок 29 памяти. Выходной сигнал элемента И 27 поступает на счетный вход рабочего

0

5

0

5

0

5

Формула изобретения

Цифровой измеритель температуры, содержащий источник опорного напряжения, выход которого подключен к входу генератора экспоненциального напряжения и входу аналогового ключа, управляющий вход которого соединен с выходом дешифратора, а первый и второй выходы соответственно через терморезистор и дополнительный резистор подключены к инвентирующему входу усилителя постоянного тока с резистивной отрицательной обратной связью, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом генератора экспоненциального напряжения, а выход подключен к управляющему входу генератора экспоненциального напряжения и счетному входу первого счетчика, выходы которого соединены с входами дешифратора, а вход нулевого сброса подключен к выходу первого элемента И, первый вход которого соединен с выходом блока сравнения, а второй вход - с выходом дешифратора, цифровой частотомер, включающий в себя управляемый генератор, элемент И, блок памяти, цифровой индикатор, рабочий счетчик и делитель частоты, вход которого соединен с выходом управляемого генератора, а вы11

ход подключен к первому входу элемента И, входу нулевой установки рабочего счетчика и входу записи блока памяти, выход которого подключен к блоку цифровой индикации, а входы соединены с выходами рабочего счетчика, счетный вход которого подключен к выходу элемента И, второй вход которого соединен с выходом дешифратора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены формировател переднего фронта импульсов, два элемента ИЛИ, инвертор, триггер, дифференциальный усилитель постоянного тока, интегратор, формирователь заднего фронта импульсов, три элемента И и второй счетчик импульсов, .счетный вход которого соединен с выходом управляемого генератора цифрового частотомера, вход нулевой установки подключен к выходу первого элемента И, а выход через формирователь заднего фронта импульсов подключен к первым входам второго эле

10

jj 9051612

мента И и первого элемента ИЛИ, вторые входы которых подключены к формирователю переднего фронта импульсов, а выходы соответственно подключены К первому входу второго элемента ИЛИ и счетному входу триггера, вход I установки нуля которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, а выход подключен к первым входам третьего и четвертого элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с выходом и входом инвертора, соединенным с входом формирователя переднего фронта импульсов, выходом дешифратора, а выход первого элемента И соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, при этом входы дифференциального усилителя постоянного тока соединены соответственно с выходами третьего и четвертого элементов И, а выход подклочен к входу интегратора, выход которого подключен к управляющему входу управляемого геиератора цифрового частотомера.

20

25