Устройство для измерения температуры Советский патент 1989 года по МПК G01K7/02 

Фиг.}

1

rep 36, генератор 1 образцовой частоты, переключатель 31, ключ 32, делитель 30 частоты формируют последовательность импульсов с переменной длительностью, в течение которой осуществляется интегрирование входного сигнала преобразователя 10. Во втором такте происходит разряд ин49050А. 4

тегратора преобразователя известным напряжением Up.Во втором цикле с помощью переключателя полярности изме- - ня;ется полярность сигнала ТП 7 . В каждом цикле измерения на выходе блока 24 цифровой линеаризации формируется код, пропорциональный измеряемой температуре. 4 ил.

Изобретение относится к температурным измерениям, может быть использовано при построении помехозащищенных цифровых измерителей температуры и позволяет повысить точность измерения путем уменьшения влияния на результат измерения широкополосных помех. В первом такте первого цикла на вход преобразователя 10 в интервал времени поступает алгебраическая сумма напряжения термоэлектрического преобразователя /ТП/ 7, напряжение помехи, действующей во входной цепи, и напряжение дрейфа преобразователя 10. Вычитающий счетчик 33, постоянное запоминающее устройство 34, счетчик 35, триггер 36, генератор 1 образцовой частоты, переключатель 31, ключ 32, делитель 30 частоты формируют последовательность импульсов с переменной длительностью, в течение которой осуществляется интегрирование входного сигнала преобразователя 10. Во втором такте происходит разряд интегратора преобразователя известным напряжением U_O. Во втором цикле с помощью переключателя полярности изменяется полярность сигнала ТП 7. В каждом цикле измерения на выходе блока 24 цифровой линеаризации формируется код, пропорциональный измеряемой температуре. 4 ил.

Изобретение относится к температурным измерениям и может быть ис- поль«зовано при построении помехоза- щищенных цифровых измерителей температуры, работающих в комплекте с термоэлектрическими преобразователями.

Цель изобретения - повьщ1ение точности измерения путем уменьшения влияния на результат измерения широкополосных помех.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу узлов устройства; на фиг. 3 - временная диаграмма двухтактного весового интегрирования с широтыо-импульсной весовой функцией; на фиг. 4 - функциональная схема преобразователя напряжения в интервал времени.

Устройство содержит генератор 1 образцовой частоты, первый триггер 2, первую схему И 3, первый вычитающий счетчик 4, второй триггер 5, схему 6 перезаписи, термоэлектрический преобразователь (ТП) 7, переключатель 8 полярности, источник 9 напряжения смещения, преобразователь 10 напряжения в интервал времени, вторую схему И 11, первую схему ИЛИ 12, первый счетчик 13, образцовый резистор 14, третий триггер 15 третью схему И 16, селектор 17, четвертый триггер 18, четвертую схему И 19, пятый триггер 20, шестой триггер 21, пятую схему И 22, вторую схему ИЛИ 23, блок 24 цифровой линеаризации, блок. 25 индикации, седьмой триггер 27, шестую схему И 26, первый формирователь 28 импульсов, второй формирователь 29 импульсов, делитель 30-частоты, переключатель 31 , ключ 32, второй вычитающий счетчик 33, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 34, второй счетчик 35

восьмой триггер 36 и третий формиро- ватель 37 импульсов.

Преобразователь 10 напряжения в интервал времени содержит дифференциальный усилитель 38 с коэффициентом усиления К, счетчик 39 импуль- сов, цифровой автомат 40, ключи 41- 45, источник 46 опорного напряжения, интегратор, включающий в себя операционный усилитель 47, резисторы 48- 50, конденсаторы 51 и 52 и компара- тор 53.

Цифровой измеритель температуры работает на принципе периодического инвентирования значения ин(1орматив- иого параметра (термо-ЭДС) ТП 7, подаваемого на входную цепь преобразователя 10 напряжения в интервал времени.

Устройство работает следующим об

разом.

В исходном состоянии триггеры 2,5, 15,18,20,21, 27 и 36, счетчики 4 , 13 и 35 установлены в состояние О, а счетчик 33 - в состояние 1. Схемы И 3J 11 16, 19 и 32 закрыты сигналами с выходов преобразователя 10 и триггеров 15 и 20. В момент t в преобразователе 10 (фиг. 2 б) формируется импульс длительностью Т

задающий дительность первого такта интегрирования. До момента t, переключатель 8 полярности находится в положении, которое соответствует подключению к входу преобразователя 10 отрицательной полярности термо-ЭДС (-Е) термоэлектрического преобразователя 7. Поэтому на вход преобразователя 10 подается алгебраическая сумма напряжения ТП 7

(-Е), напряжения Un(t) помехи

(фиг. 2 а), действующей во входной цепи измерителя температуры, и на- пряжения и рпреобразователя 10, приведенное к его входу.

Преобразователь 10 работает на принципе двухтактного интегрирования. В первом такте измерения цифровой автомат 40 (фиг. 4) в преобразователе 10, открывает ключ 45, в результате чего на счетчик 39 импульсов с выхода переключателя 31 по - ступают импульсы с частотой fo. При достижении в счетчике 39 числа N, в момент tj (фиг.2 б) первый такт закачивается. В течение интервала времени () импульсы с частотой f с выхода переключателя 31 -через ключ 32 поступают на вход второго вычи- тающего счетчика 33. В исходном состоянии в нем записан код числа N. С приходом на его вход N импульсов с частотой fj, за время t N,/fj, счетчик 33 переходит в нулевое сое- тояние. Импульс на его выходе опро- кидьшает триггер 36 в единичное состояние и переводит счетчик 35 в единичное состояние, что вызьшает появление на выходе ПЗУ 34 кода числа Nj Импульс с выхода третьего формирователя 37 переписьшает код числа N,j во второй вычитающий счетчик 33. За время t-2. (фиг. 3) вычитающий счетчик 33 вновь перейдет в нулевое состояние. Импульс на его выходе возвратит триггер З б в нулевое состояние, приведет счетчик 35 в состояние 2 и посредством формирователя

30 дифференциального усилителя 38 ду интегратора. Напряжение U,, деляемое выражением (1), интег ся в моменты t, t4, ... ,t ;.,,. (фиг.З) и к моменту t - t ,

37 перепишет код числа Nj с ПЗУ 34 в .,р; зультаты интегрирования равны

и ;

5 S и АР К С- Е,+ U,(t) + , Idt,

(2)

где

+ Un(t) + и. ) 7 О, при возможных

40

обеспечи- постоянная времени интегратора преобразователя 10. В момент t /2 счетчик 39 импульсов сбрасывается в нулевое состояние, а цифровой автомат 40 (фиг.4) замыкает ключ 42. На вход интегратора подается с выхода источника 46 опорно- 45 новится равным порогу Up срабатьша- го напряжения известное по своему зна- ния компаратора 53 (фиг.4).

значениях Е, U „(t) вается одна полярность- U .

Выходное напряжение интегратора, начиная с момента времени t/j, линейно уменьшается и в момент tj стачению постоянное напряжение U,,. Выбором значения Uc, при котором К(-Е д+

I 1 Е, + U(t) + -н jXc/t и.

Импульс длительностью tj - t с первого выхода преобразователя 10 (фиг.4) открывает схему И 3 и импульсы с частотой следования,равной f, по- gg ступают с выхода переключателя 31 через схему ИЗ на счетный вход счетчика 13. Эти импульсы не проходят с выхода схемы ИЛИ 1 2 на вычитающий

Баланс зарядов на кон соответствует условию

«3

ti

вход счетчика 4, посколь закрыта нулевым сигналом го выхода триггера 5 (фи менту tj в счетчике 13 ется число импульсов, ра

N; fo(t, - С,) Kf. Z f.

с

Uc

х

ю 15 20 25

4905046

счетчик 33. За время tj N,,/fp (фиг.4) счетчик 33 переищет в единичное состояние, счетчик 35 перейдет в состояние 3, а триггер 36 опрокинется в единично,j состояние. При этом на вход счетчика 33 с выхода ПЗУ 34 поступит код числа N,, который ро сигналу с выхода формирователя 37 перепишется в вьтитающий счетчик 33. К концу интервала t счетчик 33 переходит в нулевое состояние, опрокидывает триггер 36 в нулевое состояние, переводит счетчик 35 в состояние 4 и переписьшает код числа N с выхода ПЗУ 34 в вычитающий счетчик 33. Анало- Г1Г1НО выщеописанному осуществляется формирование последующих импульсов длительностью tj, t , ....... ,t - ,

. t., на выходе триггера 36 (фиг .3 и Фчг. 2 д), которые поступают на четвертый вход преобразователя 10 напряжения во временной интервал (вход управления ключа на фиг. 4), ко

торый на время t, t

4

.ti-,

t ., подключает вьпсодное напряжение и, UAP -н К С- Up(t)3 (I)

дифференциального усилителя 38 ко входу интегратора. Напряжение U,, определяемое выражением (1), интегрируется в моменты t, t4, ... ,t ;.,,... ,t „., (фиг.З) и к моменту t - t , Т результаты интегрирования равны

(2)

+ Un(t) + и. ) 7 О, при возможных

овится равным порогу Up срабатьша ия компаратора 53 (фиг.4).

обеспечиновится равным порогу Up срабатьша- ния компаратора 53 (фиг.4).

значениях Е, U „(t) вается одна полярность- U .

Выходное напряжение интегратора, начиная с момента времени t/j, линейно уменьшается и в момент tj ста -н jXc/t и.

Баланс зарядов на конденсаторе соответствует условию

«3

(3)

ti...

вход счетчика 4, поскольку схема И11 закрыта нулевым сигналом с единичного выхода триггера 5 (фиг.2 з). К моменту tj в счетчике 13 зафиксируется число импульсов, равное

N; fo(t, - С,) Kf. Z f.

с

W

Uc

х

h

i J UAP+ KDJn(t) +

ja e

u.

- аддитивная составляющая функции преобразования.

В момент tj положительньм фронтом импульса (фиг. 2 в) с выхода компаратора 53 (фиг. 4) триггер 5 оп- прокидьдаается в единичное состояние , подготавливая к открытию схему И I 1 сигналом с единичное выхода триггера 5.

В момент tj цифровой автомат 40 (фиг . 4) сбрасьшает в О по четвертому выходу преобразователя 10 триггер 36 и счетчики 33, 33 и 37. С некоторой задержкой сигналом с выхода формирователя 37 в вычитанмций счетчик 33 записывается код числа N .

В момент tj счетчик 39 импульсов сбрасьшается в О, цифровой автомат 40 возвращается в исходное состояние, в котором ключи 41, 42.

и 45

и 44

t 3 проразомкнуты, а ключи 43 замкнуты. Начиная с момента исходит коррекция смещения нуля интегратора и компаратора преобразователя 10.

Импульсом с первого выхода преобразователя 10 (фиг. 2 г) в момент t триггер 18 опрокидьшается в единичное состояние. При этом переключатель 8 полярности переходит в противоположное состояние, при котором в измерительную цепь включается тер- мо-ЭДС, равная ЕХ,ОТ ТП 7. ОдноN

f.( tj

10

Число N4 импульсов записьшается в счетчик 13 .Это число импульсов поступает также через схему ИЛИ 1 2 и схему И 1 1 на счетный вход вычитающего счетчика 4 ,С приходом N импульсов числа N счетчик 4 переходит в ну левое состояние.Выходной импульс на его выходе опрокидьшает триггер 15 в единичное состояние.Выходной импульс на €го выходе опрокидьшает триггер 5 в единичное состояние. Нулевой потенциал с нулевого выхода триггера 5 подтверждает закрытие схемы И16,а-единичный потенциал с единичного выхода триггера 5 разрешает прохождение последующих импульсов Nj-Nl через селектор 17 на счет0

5

0

5

30

интервала tg - t, . Импульс длительно- :. проходит через схему И1 9

временно в момент tj единичный сигнал с выхода триггера 5 подготавливает к открытию схему И1 9.

В момент t4 цифровой автомат преобразователя 10 начинает формирование временного - t - Т

СТЬЮ tg - t

и опрокидьшает в единичное состояние триггеры 20. и 21 и запускает формирователь 28. На его выходе формируется импульс длительностью tj-tj , который посредством схемы переза- писи переписьшает код числа N , из счетчика 13 в вьяитающий счетчик 4, фиксирует в блоке 25 индикации нуле- 0рй результат, а также запускает формирователь 29. На его выходе импульс,- длительиостью t « - t, f (фиг.2 и) сбрасьшает в О триггер 15, счетчик 13, триггер 2 ,и триггер 27. Так как с выхода переключателя 8 полярности в измерительную цепь включается напряжение Еу, равное термо-ЭДС ТП 7, то на выходе дифференциального усилителя 40 в преобразователе 10 напряжение равно

и UAP+ К ЕХ + и„(Т) + UCMJ. (5) Напряжение U (аналогичное напряжению и в первом цикле) в процессе двухтактного преобразования в преобразователе 10 преобразуется в число импульсов на выходе схемы ИЗ, равное

K-f

m

о 2 1:

и.

(6)

ный вход триггера 2. Число Г. импульсрв равно „

2K-f i И- о т±1

NIN: -.

N;

(7)

На выходе сов равно

NIN

о триггера

К

2 число импульmf

(8)

пропорциональное значению Е х и не зависящее от параметров С, U , U, Un(t) и цепи аналого-цифрового преобразования.. Эти импульсы в процессе линеаризации в блоке 24 цифровой линеаризации становятся пропорциональными значению измеряемой температуры и с выхода блока 24 посту- N;

L

и.

вид

K.f,(,-h .+ Ц +

Ex-K-ft , JL . N Ne Uo fo fo fo

«(N., + N + ... + NJ

в котором частота f импульсов с вых да делителя частоты не влияет на результат измерения.

Триггеры 21 и 27, схемы И22 и 26 и схема ИЛИ23 образуют схему индикации полярности. Пусть Ед 0; то в момент t триггер 21 переходит в единичное состояние положительные фронтом импульса с выхода схемы И1 9 ,(фиг.2 е) . Так как , то к моменту t,на выходе схемы И16 импульс не появится, в результате чего триггер 27 будет находиться в нулевом состоянии, подготавлива я к открытию схему И22 и закрывая схему И26. Поэтому сигнал с единичного выхода три гера 21 проходит на выход схемы, И. 22 и через схему ИЛ1123 поступает на вход блока 24 линеаризации и блока 25 индикации. При этом наличие единичного сигнала на выходе схемы ИЛИ 23 свидетельствует о положительной полярности напряжения Е,.

Если напряжение Е в первом цикле имело бы отрицательную полярность, то N ,J N . В этом случае к моменту ,tg в вычитающем счетчике 4 был бы зафиксирован код числа N , N , а триггер 15 находился бы в нулевом состоянии. В момент tj сигналами с выходов триггеров 20 и 15 и третьего выхода преобразователя 10 схема И16 будет открыта (фиг.2 в и фиг.2 д Импульсы с частотой следования, равной fp , с выхода генератора 1 через схему И16, схему ИЛИ12 и схему И11 проходят на вход вьнитающего счетчика 4, устанавливая в единичное состояние триггер 27, а через селектор 17 и триггер 2 проходят на вход блока 24 цифровой линеариза- ции. Наличие нулевого сигнала на нулевом выходе триггера 27 и нулевом выходе триггера 21 приводит к нали- чию нулевого сигнала на выходе схемы

1490504

10

на блок 25 индикации. Так как

t.

(фиг.З )

, t

(

ТО выражение (8) приводится к

. 1)

to

EyK

(9)

ИЛИ 23, что свидетельствует о том, что измеряемая термо-ЭДС, имеет отри- цатёйьную полярность.

В третьем цикле измерения (не показан) триггер 18 возвращается в исходное состояние. В измерительную цепь подается напряжение - Е, а триггеры 15 и 27 возвращаются в исходное состояние сигналом с выхода формирователя 29. В счетчик 4 из счетчика 13 записьшается код числа N . При преобразовании (- Е,, ) получают код числа N - N ,. К моменту получения кода числа триггер 21 перейдет в нулевое состояние, а триггер 15 будет находиться в нулевом состоянии, так как . Схема И16 после окончания формирования числа NJ импульсов откроется и число NJ- N j Nj - N , импульсов поступит через схемы ИЛИ12 и И1 1 на вход вы- читающего счетчика 4 и через селектор I7 и триггер 2 - на вход блока 24 цифровой линеаризации. Так как с формированием числа (N - N ) импульсов при поступлении первого импульса числа ( - N триггер 27 перейдет в единичное состояние, то схема И22 будет закрыта нулевым сигналом с единичного выхода триггера 21, а схема И26 будет открыта единичным сигналом с нулевого выхода триггера 21 и с единичного выхода триггера .27 . Наличие единичного сигнала на выходе схемы ИЛИ23 свидетельствует о положительной полярности напряжения Е ,.

Если бы измеряемое напряжение . было отрицательным, то N N . Поэтому к моменту окончания следования числа N импульсовIиз числа Nj счетчик 4 перейдет в нулевое сое- тояние, перебросит триггер 15 в единичное состояние и закроет схему И16 нулевым потенциалом с нулевого

1 IA905Q412

выход которого соединен с вторым входом селектора, третий вход которого подклкнен к выходу третьей схемы И, входы которой соединены со ответственно с нулевым выходом третьего триггера, единичньм входом второго триггера, соединенным со счет- гер 21 будет находиться в третьем иик- ным входом четвертого триггера, треть ле в нулевом состоянии, то схемаю входом преобразователя в интервал

выхода триггера 15. Поэтому на выходе схемы И1 6 импульсы не появятся. Триггер 27 останется в нулевом состоянии. Так как t формированием числа N - N импульсов при N N схема И16 будет закрыта, триггер 27 остайется в нулевом состоянии,тригИ22 будет закрыта нулевым сигналом с единичного выхода триггера 21, а схема И26 будет закрыта нулевым сигналом с единичного выхода триггера 27. Наличие нулевого сигнала на выходах cxei И22 и 26, а также на выходе схемы ИЛИ23 свидетельствует об отрицательной полярности напряжения Е..

Четвертый цикл преобразования аналогичен второму циклу.

Такая организация измерения обеспечивает возможность получения результата измерения в каждом цикле измерения (начиная со второго). I Формула изобретения

Устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектриче- ческий преобразователь, подключенный

через образцовый резистор к входу пе- ЗО ничному выходам седьмого триггера.

реключателя полярности, выходы которого с оединены соответственно с пер-- вым выводом источника напряжения смещения и первым входом преобразователя напряжения в интервал времени, второй вход которого подключен к второму вьшоду источника напряжения смещения, а третий вход и пер- вьЕЙ выход соединены соответственно с входами первой схемы И, выход которой подключен к входу первого счетчика, первому входу первой схемы ИЛИ и первому входу селектора, выход которого соединен со счетным входом первого триггера, единичный выход которого через схему цифровой линеаризации подключен к первому входу блока индикации, генератор образцовой частоты, вторую схему И, входы которой соединены соответственно с единичным выходом второго триггера, выходом первой схемы ИЛИ и нулевым выходом третьего триггера, а выход подключен к счетному входу первого вычитающего счетчика, входы записи которого соединены с информационными выходами схемы перезаписи, а выход подключен к единичному входу третьего триггера, единичный

s

времени и единичным выходом пятого триггера, единичный вход которого соединен со счетным входом шестого триггера, входом первого формирователя, управляющим входом схемы перезаписи и выходом четвертой схемы И, входы которой соединены соответственно с вторым выходом преобразова- ля напряжения в интервал времени и единичным выходом второго триггера, вторую схему ИЛИ, выходы которой соединен с управляющими входами блока цифровой линеаризации и блока индикации, а вxoды ; соединены соответствен- 5 но с выходами пятой и шестой схем

И, первые входы которых соединены соответственно с нулевым и единичным вы - ходами шестого триггера, а вторые входы подклкяены к нулевому и еди0

единичный вход которого подключен к выходу третьей схемы И, а нулевой вход соединен с нулевыми входами первого и третьего триггеров, управляющим входом первого счетчика и выходом второго формирователя, вход которого соединен с выходом первого формирователя и вторым входом блока индикации, при этом единичный выход четвертого триггера соединен с управляющим входом переклкяателя полярности, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения путем уменьшения влияния на результат измерения широкополосных помех, в него введены переключатель, ключ, . второй вычитающий счетчик, третий формирователь, восьмой триггер, постоянное запоминающее устройство,

второй счетчик и делитель частоты, вход которого соединен с выходом генератора образцовой частоты, -а выходы подключены к входам переключателя, выход которого через ключ соединен со счетньм входом второго вычитающего счетчика, вход разрешения записи которого подключен к выходу третьего формирователя, выход соединен со счетньни входами восьмого

триггера и второго счетчика, а входы записи числа подклкнены к информационным входам постоянного запоминающего устройства, управляющие входы которого соединены с информационными выходами второго счетчика, при этом выход восьмого триггера сое

OW

ллдл

wiA/mr

.О

49050414

дин.ен t четвертым входом преобразователя напряжения в интервал времени, четвертый выход которого подключен к входам установки в О второго вычитающего счетчика, триггера и второго счетчика, а второй выход соединен с управляющим входом клк«а.

.ОАЛ/Ъ.

Редактор А. Ревин

Составитель В. Куликов Техред л.Олийнык

Заказ 3742/46

Тираж 573

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Корректор М. Шароши

Подписное