Цифровой термометр Советский патент 1988 года по МПК G01K7/32 

ки частоты o6 icne4HBaeT выходную частоту опорного сигнапа путем изменения напряжения RC-цепи 36 н 37 и тем самым учитывает изменения величин всех параметров ГУН 17, Благодаря

этому упрощается процесс настро11кн термометра при замене или калибровке термопреобразователей, т.к. при этом необходимо подстроить только резисторы ЗА и 35. 4 ил.

Изобретение относится к измерению температуры. Цель изобретения - повышение эксплуатационных свойств цифрового термометра. Для исключения влияния измерения параметров генератора 17 управляемого напряжением (ГУН) на результат измерения в течение четьфех тактов включен детектор 16, который в этот период может кз менять напряжение RC-цепочки 36,37 и тем самым обеспечивать подстройку ГУН 17 для обеспечения ее равной частоте сигнала на выходе делз1теля 4 частоты. Изменение параметров ГУН 17 от теьшературы, давления и времени не изменяет частоты ГУН 17 в указан- ньк тактах, т.к. система автоподстрой$ (Л с: со со со

1

Изобретение относится к области иэмерения температуры контактным методом с помощью термопреобразонателе с частотным выходным сигналом, в часности пьезокварцевых тернопреобразо- ватепей,

Цель }«зобретения повыше ете экс- плуатацнонньпс свойств цифрового термометра путем упрощения процесса настройки его при замене и к;1либров-- ке термопреобразователей.

На фиг.1 приведена блок-схема термометра; на фиг.2 схема блока управленияI на фиг.З - схема фазочув ствительного детектора на фиг„4 - схема генератора, управляемого напряжением.

Цифровой термометр (фиг.1) содержит термопреобразователь 1 с частотным выходом, смеситель 2, генератор опорной частоты, делитель А частоты тактирующий блок 5, первый перетшю- р1атель 6, второй переключатель 7, тр тий переключатель 8, счетчик 9 резул гата, триггер 10 знака, регистр 11 индикации, управляемый преобразователь 12 кодов, блок 13 индикации, блок 14 управления, счетчик 15 базы времени, фазочувствительный детектор 16, управляемьш напряжением генератор 17.

Тактирующий блок 5 включает в себя триггер 18, элемент И 19 и триггер 20.

Выходы 21-23 счетчика 15 базы вренени соединены с входами блока 14 управления. Входы 24 и 25 фазочувст- витального детектора 16 соеднн -кы с выходами управляемого напряжением генератора 17 и выходом делителя 4 частоты. К управляющим входам переключателей 6 и 8 подключены выходы 26 и 27 блока 14 управления, а к управляющему входу переключателя 7 под5

ключен выход 28 блока 14 управления. Выход 29 блока 14 управления подключен к входу установки в О счетчика 9 результата, к входу установки 5 1 триггера 10 знака, тактирующему входу регистра 11 индикации и входу установки в исходное состояние генератора 17, управляемого напряжением, времязадающие входы 30 и 31 0 которого и управляющий вход 32, сое- дянены соответственно с вторым резистором 33, переменными резисторами 34 и 35, переключателем 8 и выходом фазочувствительного детектора 16, соединенным с последовательно включенными конденсатором 36 и первым резистором 37.

Блок 14 управления (фиг.2) содержит дешифратор 38 на восемь выходов и элементы ИЛИ 39 и 30. К трем входам дешифратора 38, которые являются входами блока управления, подключены выходы 21-23 счетчика 15 базы времени. Выход дешифратора 38, на котором появляется 1 при коде 4 (100) на входах 23,22,21,, является выходом 28 блока 14 управления.

Выход элемента ИЛИ 39, к входам .которого подключены выходы дешифратора 38, 1 на которых появляется при состояниях 4,6 и 7 (100, 110 и 111) на входах дешифратора 38, явлл- ется выходом 26 блока 13 управления.

Выход элемента ИЛИ 40, к входам которого подключены выходы дешифратора 33, 1 на которых появляется при состояниях 5,6 и 7 (101, 110 и 111) на входах дешифратора 33, является выходом 27 блока 14 управления.

0

5

0

5

G

Выход дешифратора 38, на котором 1 появляется при состоянии 7 (111) ка его входах, является выходом 29 блока 14 управления.

313

Фазочувствительньш детектор 16 (фнг.З) содержит электронные ключи 41 и 42, первый дешифратор 43 со стробированием, триггер 44, второй дешифратор 45, два элемента ИЛИ 46 и 47, резисторы 48 и 49.

Информационные входы дешифратора 43 являются входами 24 и 25 фазо- чувствительного детектора 16, а стро бирующий вход - входом 23 фазочувст- вительного детектора 16.

На выходах дешифратора 43 единицы появляются только при наличии О на его стробирующем входе (вход 23 фазо чувствительного детектора). Выходы дешифратора 43, на которых единицы могут появиться при одинаковых состояниях сигналов на его информационных входах (00 или 11), подключены к R- и S-входам триггера 44. Выходы дешифратора 43, на которых 1 появляются при разном состоянии сигналов на его информационных входах (01 или 10), подключены к входам второго дешифратора 45. К третьему входу второго дешифратора 45 аналогично дешифратору 38 блока 14 управления подключен выход триггера 14. Выходы дешифратора 45, на которых появляются единицы при состояниях 1 и 6 (001 и 110) на его входах, через элемент ИЛИ 46 подключены к управляющему входу ключа 41, а выходы, на которых появляются единицы при состояниях 3 и 4 (011 и 100 на его выходах, через элемент ИЛИ 47 подключены к управляюш;ему входу клю- .ча 42. Через ключ 41 и зарядный резистор 48 источник питания подключен к выходу 32 фазочувствительного детектора 16, а через ключ 42 и раз- рядньш резистор 49 общая точка соединена также с выходом 32 фазочувстви- тельного детектора 16.

Генератор 17, управляемый напряжением (фиг.4), содержит два инвертора 50 и 51, элементы ИЛИ-НЕ 52 и 53, электронный ключ 54, транзистор 55 иточника тока. Инверторы 50 и 51 ох- вачены обратной связью каждый через ключ 54 и резистор 56 и 57 соответственно. Выходы инверторов 50 и 51 подключены к первым входам элементов ИЛИ-НЕ соответственно 52 и 56 через делители напряжения на резисторах 58-61 соответственно. Выходы элементов ИЛИ-НЕ 52 и 53 через время- задающие конденсаторы 62 и 63 соеди

10

20

25

15

30

35

40

45

5

нены с входами инверторов 50 и 5t. Выход элемента ИЛИ-НЕ 52 подключен к свободном входу элемента ИЛИ-НЕ 53 а выход элемента ОТИ-НЕ 53 подключен к свободному входу элемента ИЛИ-НЕ 52. Коллектор транзистора 55 источника тока через электронньй переключающий ключ 54 подключен к входам инверторов 50 и 51. К управляющему входу ключа 54 подключен выход элемента ИЛИ-НЕ 53, который является выходом 24 генератора 17, управляемого напряжением. Вход 29 генератора 17 подключен к третьему входу элемента ИЛИ-НЕ 53. Вход 32 генератора 17 подключен к базе транзистора 55, эмиттер которого через резистор 64 заземлен. Выход 30 генератора 17 соединен с общим проводом, а выход 31 - с эмиттером транзистора 55.

Цифровой термометр работает еле-, я дующим образом.

Смеситель 2 вьщеляет сигнал, частота которого равна разности частот термопреобразователя 1 и генератора 3 опорной частоты, последняя из которых выбирается меньше минимального значения частоты термопреобразователя 1, в результате чего знак разности обеих частот во всем диапазоне изменения температуры остается неизменным.

Тактирующий блок 5 предназначен для привязки импульсов, поступающих с выхода смесителя 2, к импульсам опорного генератора 3.

Цикл работы термометра разбит на восемь тактов, номера которых определяются Состояниями выходов дешифратора 38 блока 14 управления. В первых четьфех тактах переключатели 6-8 находятся в первых положениях. При этом на вход счетчика 9 результата поступает сигнал с выхода тактирующего блока 5, частота которого зависит от температуры, на вход счетчика 15 базы времени поступает с выхода делителя 4 частоты опорный сигнал с частотой fo,,B частотозависимой цепи ГУН 17 включен резистор 3 с сопротивлением Кд, фазочувствительный детектор 16 подстраивает частоту ГУН 17, равной частоте f, сигнала, поступающего на его вход 25.

Фазочувствительный детектор 16 чувствителен только к относительному положению фронтов входного сигнала f о( и сигнала на выходе ГУН 17.

Ш

В зависимости от того, до или после возникновения фронта опорного сигнала fp, появится фронт выходного сигнала ГУН 17, на выходе дешифратора A3 (фиг.З) формируются импульсы опережения или отставания соответственно (выход 3 и О дешифратора 43). Длительность этих импульсов равна интервалу времени между фронтами соответствующих сигналов. Во время действия импульсов отставания или опережения конденсатор С заряжается (или разряжается) до напряжения, которое зависит от разности фаз. Если фазовые рассогласования отсутствуют между сигналом f, и сигналом ГУН 17, выход 32 детектора 16 ведет себя как разомкнутая система, а конденсатор 36 действует как запоминающее устройство, сохраняя ггапряжение, при котором ГУН 17 поддерживает необходимую частоту.

В пятом такте переключатели 6-8 переводятся во вторые положения. Фазочувствительный детектор 16 отключается и ГУН 17 получает с RC-це- почки конденсатора 36 и резистора 37j напряжение, которое на нем было перед отключением детектора 16. Во вре- зо да смесителя 2 в счетчике 9 результачастотозависимую цепь ГУН 17 резистор 33. В восьмом такте положение пе- реключателер1 6 - 8 не изменяется, а в это время импульсом с выхода 29 блока 14 управления производится перенос результата измерения из счетчика 9 в регистр 11 индикации и установка в О и 1 соответственно счетчика 9 результата и триггера 10 знака. В этом же такте сигналом на входе 29 генератора 17 производится его остановка в исходном состоянии, что позволяет повысить надежность 15 работы системы фазовой автоподстройки частоты за счет предварительного выравнивания фаз сравниваег« рс сигналов на входах 24 и 25 фазочувствитель- ного детектора 16, что разрешает осуществить захват частоты управляемого генератора 17 при любом начальном соотношении фаз сравниваемых сигналов. Кроме того, это позволяет сократить время на захват частоты и ускорить процесс автоподстройки за счет того, что воздействие на ГУН 17 всегда производится в нужном направлении. Таким образом, в первых, пяти тактах происходит счет импульсов с выхо-

20

25

мязадающую цепь ГУН 17 включается вместо резистора 33 резистор 34 с сопротивлением R . Частота генератора 17 становится вместо fo, равной f, . Сигнал f| с выхода ГУН 17 поступает на вход счетчика 15, На вход счетчика 9 результата продолжает поступать сигнал с выхода тактирунице- го блока 5.

Длительность пятого такта Т

35

та причем длительность пятого такта, а значит и время счета, можно регулировать изменением величины резистора 34 и таким образом устранять разброс крутизны характеристики термопреобразователя .

В шестом такте, длительность Т

сит от сигнала с частотой f, , который поступает на вход счетчика I5j а эта частота, в свою очередь, зависит от величины резистора 34.

Ilocjje окончания этого такта начинается шестой такт, в котором переключатели 6 и 8 становятся в третьи положения,а переключатель 7 - в первое положение. На вход счетчика 15 во всех остальных тактах поступает частота, fgj с делителя 4 частоты. На вход счетчика 9 в шестом такте поступает сигнал с частотой от 17, во врсмязадающей цепи которого включен G шестом такте резистор 35 с сопротивлением К. В седьмом такте ключ 6 становится в четвертое положение, в счетчик 9 результата ничего,не поступает, а ключ 8 подключает в

которого постоянна и равна длитель- зави- 40 ности каждого из восьми тактов, кроме пятого, в счетчик 9 результата поступает частота ГУН 17 f, которая может быть изменена изменением величины резистора 35 и тем самым изме- 45 няется число импульсов,поступающих в счетчик 9 результата за время шестого такта. Таким образом, устраняется разброс нулевой частоты термопреобразователя.

50

Частота следования импульсов fa на выходе термопреобразователя 1 равна

f« f.

40 ±

s-e

(О

55

где

S S частота на выходе датчика при ,крутизна термочастотной характеристики термопреобразователя,

да смесителя 2 в счетчике 9 результачастотозависимую цепь ГУН 17 резистор 33. В восьмом такте положение пе- реключателер1 6 - 8 не изменяется, а в это время импульсом с выхода 29 блока 14 управления производится перенос результата измерения из счетчика 9 в регистр 11 индикации и установка в О и 1 соответственно счетчика 9 результата и триггера 10 знака. В этом же такте сигналом на входе 29 генератора 17 производится его остановка в исходном состоянии, что позволяет повысить надежность работы системы фазовой автоподстройки частоты за счет предварительного выравнивания фаз сравниваег« рс сигналов на входах 24 и 25 фазочувствитель- ного детектора 16, что разрешает осуществить захват частоты управляемого генератора 17 при любом начальном соотношении фаз сравниваемых сигналов. Кроме того, это позволяет сократить время на захват частоты и ускорить процесс автоподстройки за счет того, что воздействие на ГУН 17 всегда производится в нужном направлении. Таким образом, в первых, пяти тактах происходит счет импульсов с выхо-

35

та причем длительность пятого такта, а значит и время счета, можно регулировать изменением величины резистора 34 и таким образом устранять разброс крутизны характеристики термопреобразователя .

В шестом такте, длительность Т

ступает частота ГУН 17 f, которая может быть изменена изменением величины резистора 35 и тем самым изме- 45 няется число импульсов,поступающих в счетчик 9 результата за время шестого такта. Таким образом, устраняется разброс нулевой частоты термопреобразователя.

Частота следования импульсов fa на выходе термопреобразователя 1 равна

f« f.

40 ±

s-e

(О

S S частота на выходе датчика при ,крутизна термочастотной характеристики термопреобразователя,

71397749

9- измеряемая температура отно- 17, равной f

сительно .

Если счетный интервал времени обозначить через Tgg 4Т(, Т, , то число, образованное в счетчике 9 результата, равно

пряжения RCучтет измене 5 резисторов, роговых элем и т.д. - все зультате эти f, ГУН 1

c,.,,-( х(4Т,+ Т,) - ,

где частота на выходе генератора 3 опорной частоты. Если обеспечить вьтолнение равенства

Т. + Т. --

1

slT

(3)

(f9oj; ro i е

fo )

-N,

/где йб - цена деления младшего разряда термометра, а знак минус (-) перед Np означает, что N необходимо

в обратном коде,

то N

сч.

Управляющий преобразователь 12 ко- 30 дом установки в О

п

с входом уст

да при единичном значении знакового рязряда регистра 11 индикации производит преобразование входного кода в обратный, чем обеспечивается правильность показаний цифрового термометра при измерении отрицательных теператур (9 ) в противном случа зшравляем1.й преобразователь 12 кода не влияет н.а передачу кода с выхода регистра 11 индикации на входы блока 13 индикагсии.

Для исключения влияния измерения параметров ГУН 17 на результат измерения в течение 4 тактов, когда во времязадающей цепи ГУН 17 включен резистор 33, включен фазочувствитель ный детектор 16, который в течение зтих первых четырех тактов может изменять напряжение на RC-цепочки 35 и 37 и тем самым обеспечивать подстройку частоты ГУН 17 для обеспечения ее равной частоте сигнала на выходе делителя 4 частоты. Изменения параметров ГУН 17 от температуры, давления и других условий внешней среды и от времени не изменяет частоты ГУН в первых четьфех тактах, так как при этом система автоподстройки частоты обеспечит выходную частоту ГУН

17, равной f

О(

путем изменения напряжения RCцепи 36, 37 и тем самым учтет изменения величины емкостей, 5 резисторов, уровней срабатьгоания пороговых элементов, токов их утечек и т.д. - всех параметров ГУН, А в результате этих мероприятий частота f, ГУН 17 зависит только от соот10 ношения величин резисторов 33,34 и 33,35 и не зависит от параметров элементов ГУН 17. Благодаря этому упрощается процесс настройки цифрового термометра при замене и калибровке

15 термопреобразователей, так как при этом необходимо подстроить только переменные резисторы 34 и 35.

20

25

Формула изобретения

Цифровой термометр, содержащий, термопреобразозатель с частотным выходом, подключенный к первому входу смесителя, второй вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты, счетчик базы времени, выход старшего разряда которого подключен к первому входу блока управления, первый выход которого соединен с входом установки в О

п

тата,

счетчика резуль- с входом установки в 1 триггера знака и тактир пощим входом регистра индикации, выходы которого через преобразователь кодов подклю35 чены к входу блока индикации, а входы соединены с выходами счетчика результата и триггера знака, счетный вход которого соединен с выходом переноса счетчика результата, о т л и40 чающийся тем, что, с целью повьш1ения эксплуатационных свойств цифрового термометра путем упрощения процесса настройки его при замене и калибровке термопреобразовате-.

45 лей, в него введены делитель частоты, три переключателя, фазочувствительный детектор, управляемый напр5гжением генератор, первый и второй постоянные резисторы, два переменных резис50 тора, конденсатор и тактирующий блок, вклшчакнций в себя два триггера и элемент И, выход которого подключен к первому и второму входам первого переключателя j а входы соответственно сое55 динены с инверсным выходом и информационным входом второго триг гера, соединенным с прямым выходом иерпого триггера, информационный вход которого соединен с выходом смеспте.;(я, а

тактовый вход соединен с тактовьм входом второго триггера и подключен к выходу генератора опорной ча стоты, соединенному через делитель частоты с первым входом второго перек-лючатепя быход которого соединен с счетчиком Ьазы времени, второй вход соединен Ь третьим входом первого переключа- геля, выходом управляемого напряже- йием генератора и первым входом фазо- Цувствительного детектора, второй ход которого соединен с выходом де- тителя частоты, вход- разрешения рабо- (гы подключен к выходу старшего разря- Да счетчика базы времени, а выход через последовательно соединенные кон :денсатор и первый резистор соединен с общей шиной термометра и подключен к управляющему входу управляемого :Напряжением генератора, вход установ- IKH в исходное состояние которого сое- ;динен с первым выходом блока управ- :ления а первый и второй входы времязадающей цепи соединены соответственно с выходом третьего переключателя и первым выводом второго резистора, соединенным с первыми выводами переменных резисторов, вторые вьгооды которых соединены соответственно с вторым и третьим входами третьего переключателя, первый и четвертый входы которого соединены с вторым вьшодом второго резистора, а первый и второй управляющие входы подключены соответственно к второму и третьему вькодам блока управления,соединенным соответственно с первым и вторым управляющими входами первого переключателя, четвертьш вход которого соединен с общей шиной,а выход подключен к счетчику результата, при этом четвертый выход блока управления соединен с управляющим входом второго переключателя, а второй и третий входы подключены к промежуточным выходам счетчика базы времени.

Фиг. 2

Фиъ.д