Цифровой термометр Советский патент 1988 года по МПК G01K7/00 

о

00 4: 4

Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к цифровым термометрам с коррекцией характеристики термопреобразователя.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем уменьшения влияния на результат измерения дрейфа параметров элементов термометра, а также повышение помехозащишенности.

На фиг. 1 представлена функциональная схема цифрового термометра; на фиг. 2 - временные диаграммы работы основных узлов термометра; на фиг. 3 - структурная схема интегрирующего преобразователя напряжения в интерал времени.

Цифровой термометр содержит первичный измерительный преобразователь 1 температуры, переключатель 2 полярности, дифференциальный усилитель 3, резистор 4, первый ключ 5, источник б опорного напряжения, функциональный генератор 7 напряжения, второй ключ 8, интегрирующий преобразователь 9 напряжения в интервал времени, генератор 10 опорной частоты, первый элемент И 11, второй элемент И 12, третий элемент И 13, реверсивный счетчик 14 импульсов, первый триггер 15, второй триггер 16, четвертый элемент И 17, схему 18 задержки, элемент ИЛИ 19, цифровое от- счетное устройство 20, источник 21 напряжения смещения и второй резистор 22.

Первый вход 23 интегрирующего преобразователя напряжения в интервал времени подключен к выходу первого ключа 5, второй вход 24 - к выходу второго ключа 8, третий вход 25 соединен с шиной «Цуск, а четвертый вход 26 подключен к выходу генератора опорной частоты. Первый выход 27 интегрирующего преобразователя 9 соединен с управляющим входом первого ключа 5, второй выход 28 соединен с первым входом первого элемента И 11 и инверсным входом

5

триггера 16, а третий выход 29 подключен к первому входу четвертого элемента И 17.

Интегрирующий преобразователь 9 напряжения в интервал времени содержит первый ключ 30, второй ключ 31, третий ключ 32, четвертый ключ 33, интегратор на основе операционного усилителя 34 с конденсатором 35, резисторами 36-38 и корректирующим конденсатором 39, схему 40 сравнения, цифровой автомат 41, пятый ключ 42 0 и счетчик 43 импульсов.

Цифровой термометр работает следующим образом.

В исходном состоянии по сигналу «Пуск триггеры 15 и 16, реверсивный счетчик 14 сбрасываются в нулевое состояние, а преобразователь 9 напряжения в интервал времени приводится в исходное состояние. По сигналу «Пуск преобразователь 9 начинает свою циклическую работу. Выходной сигнал ЕХ первичного измерительного преобразова- 0 теля температуры 1, например термоэлектрического преобразователя, через переютю- чатель 2 полярности подается на вход дифференциального усилителя 3, где усиливается до номинального уровня (, где К, - коэффициент усиления усилителя 3.

К входу переключателя 5 через резистор 22 подается напряжение t/cM источника 21 напряжения смещения, а через резистор 4 - выходное напряжение U Unf - -/CfjT усилителя 3, где б др - дрейф нуля

усилителя 3. С выхода ключа 5 сигнал поступает на первый вход 23 интегрирующего преобразователя.9. В первом такте с момента /1 до/2 (фиг. 2) цифровой автомат 41 (фиг. 3) замыкает ключ 30 и переводит ключ 5 в нижнее положение.

Резисторы 4 и 22 образуют аналоговый сумматор. Выходное напряжение интегратора (фиг. 2а) изменяется по закону

Изобретение относится к темнератур- ным измерениям. Це.чь изобретения новы- Н1ение точности измерения, а также номехо- за1ции1енн()стн. Термометр содержит измерительный нреобразовате. Пз I темнератур1 1, дифференциальный усилите,-1ь 3, резистор 4, ключ 5, источник 6 опорного иа 1ряже1Н1Я, генератор 7 напряжения, иреобразонате.чь 9 напряжения в ннтерва, времени, 1Ч нера- тор 10 онорной частоты, цифровое отсчетное устр-во 20, источник 21 нанряже1 ня CMIMHC- ния и резистор 22. Введение нерек.чючателя 2 нолйрности, ключа 8, элементов И II 13, триггеров 15 и 16, элемента I l 17, схемы 18 задержки, элемента ИЛИ 19 и реверсивн()-() счетчика 14 импульсов и образование связей между элементами нозв(Х 1яет умеиь- шить влияние на результат нзмерення фа нараметро элементов термометра. 3 ii.i. to (Л

1

г

Тк+кЛс J ti

UtM dt +

1

(R+RI)C

где Ro, R R - значения сопротивлений соответственно резисторов 22 4 и 36;

С-емкость конденсатора инт.егратора.

В момент /1 открывается ключ 42 (фиг. 3) и на счетчик 43 импульсов от генератора 10 опорной частоты поступают импульсы с час- тотой /оПри достижении в счетчике 43 импульсов числа Л о (обычно равного полному объему счетчика) в момент t первый такт заканчивается.

Время интегрирования составляет

/2--/, J. TO

(2)

j (Uftp- к ii

EX) dt, (1)

В момент /2 счетчик импульсов переходит в нулевое состояние, а цифровой автомат 41 замыкает ключ 31. В момент tz (фиг. 2б) включается ключ 31 и напряжение Uo источника 6 через токозадающий резистор 36 с сопротивлением R подключается к входу интегратора (фиг. 3). Выходное напряжение интегратора линейно уменьщается и в момент 3 становится равным порогу Uc срабатывания сравнивающего устройства 40. Этот момент (фиг. 2а) фиксируется сравнивающим устройством 40, представляющим собой разомкнутый щирокополосный усилитель постоянного тока. В момент з заканчивается второй такт преобразования. Баланс зарядов на конденсаторе 35 соответствует условию

в момент tz выходной сигнал на втором выходе 28 преобразователя 9 онрокидывает триггер 16 в единичное состояние (фиг. 2(5) и открывает элемент И 11 на время (), в течение которого через открытый элемент И 12 на вычитающий вход реверсивного счетчика поступает /Vi импульсов. Число N равно

, - f.(tr Ч) . %5 - 1 ч.

fti-R-W

t,tl

1 ВЛЫТ) i

TI

Uo(R+Rj UO(R+R,)

в момент t-3: цифровой автомат 41 возвращается в исходное состояние, в котором ключи 30, 31 и 42 разомкнуты, а ключи 32 и 33 замкнуты. Начиная с момента з, аналоговая часть прибора автоматически корректируется. В момент 4 цифровой автомат 41 вновь формирует временной интервал длительностью

t i IiЛ4

IgМ 2 l j Триггер 16, переходя в момент 1ч из нулевого состояния в единичное, вызывает срабатывание переключателя 2, который переключает выводы термопреобразователя 1, в результате чего на выходе дифференциального усилителя 3 формируется напряжение L 2 t/ap+/(x, которое и подается на вход преобразователя 9 в течение интервала времени () совместно с напряжением от источника 21 напряжения смещения. Эти напряжения, аналогично как U и L cn,B процессе двухтактного интегрирования в преобразователе 9 преобразуются во временной интервал t(,-t путем интегрирования во втором такте напряжения (/о источника 6. Поскольку , то в момент 5 триггер 16 опрокидывается в нулевое состояние, элемент И 13 открывается и импульсы с частотой следования /о начинают поступать с выхода элемента И 11 на суммирующий вход реверсивного счетчика 14. В момент te, ревер

сивный счетчик 14 переходит в нулевое состояние. Сигнал на выходе нуля реверсивного счетчика 14 опрокидывает триггер 15 в единичное состояние. Единичный сигнал с единичного выхода триггера 15 запускает функциональный генератор 7 напряжения и переводит ключ 8 в нижнее положение. Учитывая баланс заряда на конденсаторе 35 интегратора и равенство /г,-/4

t2-t , имеем

о

1

-Ьг

U,M-dt dt +

(R, +R)- С

+ 7РТЬ. I KE.dt - f U.dt

(R+RO )-с 1

(R-i-R, С

1

RC

и.

(6)

Так как /о(б-t-)fn(t.), что фикси- 25 в момент перехода через нуль реверсивного счетчика 14 (момент /е), то, вычитая из выражения (6) выражение (4), получаем

-{,

- и,

0

(R+R,)С

() (R-1-R, С

i ti

EX,

(7)

35

Таким образом, напряжение U,r2 на конденсаторе 35 интегратора в момент i(, не зависит от напряжения дрейфа и равно

Uuz

2 (t2- t, ) -К-Е,

(RH-R,) с

-н Uc

40

(R-bR,) С

Ex -I- Uc.

(8)

Если функция преобразования термопреобразователя описывается полиномом rt-й степени

45

Е(в) Ь,9 + Ъг.в +

+ Ь„0,

(9)

гдев - температура;

Ь, ..., Ьп - постоянные коэффициенты, то для получения линейного отсчета развер- тываюц ая величина должна быть выражена зависимостью

) Эо, -ь а„ t +. а, t +. . ..,),,

(10)

где QOI, аи, Q2i, , Q(«-i)i - постоянные коэффициенты.

Развертывающую величину (напряжение) Ло(0 генерирует функциональный генератор 7 напряжения. Начиная с момента

t&, происходит разряд напряжения Uu2 до момента равенства выходного напряжения интегратора порогу Uc срабатывания сравнивающего устройства.

При этом справедливо соотношение

2 NO-K

fo(R,+Rj-C 1

(b,e+ bX+ -.) +

- 5F I о, + а„ t + а,, t +

RC

6

...+ a(n-,),t:- ) dt Uc

(11)

После интегрирования напряжения An(t) в интеграторе преобразователем имеем

(ь,9. ь.в . ...н.ь.в ,-.

.

23

) О, tx t

(12)

Вводя обозначения , , % аз, ...ап, имеем

(ь,в + ...+ ) -

fp (R+RI)

Х(а, tx + ajt/ +. . .+ а t )

Выбором численных значений No, К, /о, , , О, 02, ..., an с учетом bi, by, .-., bn, исходя из градуировочных характеристик термопреобразователя, можно обеспечить равенства

2N.,0 ., f,(R+R,)R

2No.

fo (R+RJ R

MulE bti..,(

fp(R+R,)R

Отсюда получаем пропорциональность временного интервала t значению измеряемой температуры 0.

При /о кратном 10, где , 1, 2, ... значение измеряемой температуры 9 будет непосредственно связано с числом импуль- сов NX, подсчитанным счетчиком 14 за интервал времени Т

0x NX fo- tx 10 t;.

(15)

Функциональный генератор 7 напряжения, вырабатывающий нелинейно изменяющееся во времени напряжение Ao(t), может быть выполнен в виде последовательно вклюс

0

5

0

5

30

35

40

45

50

55

ченных источника опорного напряжения и (п-1) интеграторов и сумматора, входы которого соединены с выходами источника опорного напряжения и интеграторов.

В схему цифрового термометра источ- ний 21 напряжения смещения и резистор 22 введены, исходя из следующих соображений. В связи с тем, что термоЭДС Е термопреобразователя 1 в первом цикле измерения посредством переключателя 2 полярности подается на входы дифференциального усилителя 3 с отрицательной полярностью, а во втором цикле - с положительной, то для обеспечения одинаковой полярности напряжений t/i и и на выходе усилителя 3 выбирают такие численные значения выходного напряжения источника 21 смещения и сопротивления резистора 22, чтобы и тем самым Ui и Uz будут всегда одинаковой полярности.

По сравнению с известным термометром результат измерения не зависит от порога срабатывания Uc сравнивающего устройства и дрейфа нуля t/др дифференциального усилителя.

Кроме того, поскольку несимметричные электромагнитные помехи за время интегрирования (tz-ti) и () эквивалентны постоянной составляющей на входе усилителя 3, и как (Удр носят аддитивный характер, то их воздействие на результат измерения в цифровом термометре также устраняется.

Формула изобретения

Цифровой термометр, содержащий первичный измерительный преобразователь температуры, два резистора, первый ключ, интегрирующий преобразователь напряжения в интервал времени, генератор опорной частоты, источник напряжения смещения, цифровое отсчетное устройство, источник опорного напряжения, функциональный генератор напряжения и дифференциальный усилитель, выход которого через первый резистор и первый ключ соединен с первым входом интегрирующего преобразователя напряжения в интервал времени, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с шиной «Пуск и выходом генератора опорной частоты, а первый выход подключен к управляющему входу первого ключа, вход которого соединен через второй резистор с выходом источника напряжения смещения, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности измерения, в него введены переключатель полярности, второй ключ, четыре элемента И, два триггера, реверсивный счетчик импульсов, схема задержки, и элемент ИЛИ, входы которого соединены соответственно с выходом схемы задержки и щиной «Пуск, а выход соединен с входами установки в нулевое состояние первого триггера и.реверсивного счетчика, информационные выходы которого соединены соответственно с информационными входами цифрового

отсчетного устройства, а выход нуля соединен с входом установки в единичное состояние первого триггера, единичный выход которого подключен к управляющим входам функционального генератора напряжения и второго ключа, входы которого соединены соответственно с выходами функционального генератора напряжения и источника опорного напряжения, а выход соединен с вторым входом интегрирующего преобразователя напряжения в интервал времени, второй выход и четвертый вход которого подключены соответственно к первому и второму входам первого элемента И, выход которого соединен с первыми входами второго и третьего элементов И, выходы которых соответственно соединены с вычитающим и суммирующим входами реверсивного

(/W,

J2

id

ti

ii.

i2 N

0

счетчика, а вторые входы подключены соответственно к единичному и нулевому выходам второго триггера, соединенным соответственно с управляющим входом переключателя полярности и первым входом четвертого элемента И, выход которого соединен с входом схемы задержки и управляющим входом цифрового отсчетного устройства, а второй вход подключен к третьему выходу интегрирующего преобразователя в интервал времени, второй выход которого соединен со счетным входом второго триггера, вход установки в нулевое состояние которого подключен к щине «Пуск, причем выходы первичного измерительного преобразователя температуры через переключатель полярности подключены к входам дифференциального усилителя.

tn

ts

tg i

Ц

is

ts

ts

Иг

h

nt

is t.

ts Ng-ffj 8

Фиг.2

и

t

28 2726

maa