Устройство для измерения температуры Советский патент 1989 года по МПК G01K7/22 

Изобретение относится к температуным измерениям, а именно к устройствам для измерения температуры с помощью термопреобразователей с нели- нейной характеристикой о

Целью изобретения является повышение быстродействия устройствао

На фиг,1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг,. 2 - вре менные диаграммы выходных сигналов элементов устройства.

Устройство для измерения температуры содержит термопреобразователь сопротивления (ТС) 1, усилитель пос- тоянного тока (УПТ) 2, резистор 3 обратной связи УПТ, первый ключ 4, источник 5 опорного напряжения, RS- цепь 6, состоящую из конденсатора 7 и резистора 8, компаратор 9, усили- тель 0 постоянного тока компаратора первый 11 и второй 12 резисторы компаратора, второй ключ 13, первый зле мент И 14, первый счетчик 15, дешифратор 16, дополнительный резистор 17 второй элемент И 18, формирователь 19 результата измерения, включающий третий элемент И 20, триггер 21,импульсный генератор 22, делитель 23 частоты, суммирующий счетчик 24,чет- вертый элемент И 25, реверсивный счетчик 26 с предварительной записью и элемент ИЛИ 27, инвертор 28, третий ключ 29, второй счетчик 30,блок 31 памяти и цифровой индикатор 32

Устройство работает следующим образом,,

В момент изменения выходного сигнала дешифратора 16 с нулевого на единичный он, поступая на управляю- щий вход первого ключа 4, устанавливает его в такое положение, при котором от выхода источника 5 опорного напряжения отключается дополнитель- Hbrti резистор 17 и подключается ТС 1 При этом напряжение на выходе УПТ 2 изменяется скачком от значения U, -U(RO/R до и; - -и,(Но/Нт),где и о - величина выходного напряжения опорного источника 5; RO - величина сопротивления резистора обратной связи УПТ 2; R - величина сопротивления дополнительного резистора 17; R - величииа сопротивления ТС 1.

Величина сопротивления ТС 1 из- меняется при изменении измеряемой температуры по закону

ьп RT Ае ,

где А и В - постоянные коэффициенты; е - основание натурального

логарифма;

Т - величина измеряемой температуры.

При этом выходное напряжение УПТ 2 (фиг.2, график 33) подается на первый вход компаратора 9, на второй вход которого поступает напряжение Uj с выхода НС-цепи 6, представленное на фиг о 2 графиком 34, причем

Uj и„е

-f/C

С

R,

R 1

Ч + Rft

где t - текущее время, прошедшее от начала генерирования экспоненциального напря- ження;

С - постоянная RC-цепи 6; Rg,R,- величины сопротнвлений резисторов 8 и 12„

В момент равенства суммы токов i , и УН j и i протекающих через резисторы 11 и 12 компаратора 9, нулю или при R , R,, равенства и 1 + и 3 О на выходе операционного усилителя 10 компаратора 9 появляется скачок положительного напряжения, который поступает на управляющий вход ключа 13„ Последний закорачивает обкладки конденсатора 7, который разряжается через ключ 13. При этом вькодное напряжение НС-цепи 6 скачком устанавливается в исходное состояние IIj Up, в результате чего положительный сигнал на выходе компаратора 9 скачком уменьшается до нуля, что в свою очередь приводит к размыканию ключа 13 и начинается новый цикл генерирования экспоненциального напряжения, определяющий начало формирования временного интервала задержки При этом на выходе компаратора 9 в момент каждого его срабатывания формируется импульс. Выходной сигнал компаратора 9 представлен на графике 35 (фиг.2), Первый временной интервал t, прошедший от начала генерирования экспоненциального напряжения до момента срабатывания компаратора 9, определяемый из равенства

и 5 i о или - составляет

UoH

Ае

й.-% 4 и.

в г

t, ..В1. „„.Ь.,

С:фг)рмнрпв 1ниы 1 на выходе компаратра 9 в момент f i o С1)аб;з гывания импульс постугтает па один из входов первого элемента И 1 и, вследствие того, что на друт ом его выходе в это время присутствует разрешающий сигнал ло1-ической единицы с выхода дешифратора 16, он проходит на выход и далее на вход нулевого сброса пер- вого счетчика 15„ Импульсный сигнал на выходе элемента И 14 представлен на графике 36 ,

При этом сигнал на выходе дешифратора 16 (он представлен на графике 37) меняется с единичного на нулевой, поступает на управляюии-гй вход ключа 4 и устанавливает его в такое состояние, при котором от выхода источника 5 опорного напряжения отк- лючается ТС 1 и подключается дополнительный ретистор 17,что в свою очередь приводит к скачкообразному изменению напряжения на выходе УПТ 2 от величины U, -IIpfRo/R) до II,

-njRo/R).

С этого момента начинается процесс формирования второго временного интервала - задержки tj

Время t , прогчедшее от момента начала генерирования экспоненпиально го напряжения, определяемого предыдущим срабатыванием компаратора 9,до момента его нового срабатывания,определяемого из равенства

R

Ное

-t,/R

О, составляет

ГО и ГВСШМ заДП(ТМ фронтом ИЗМОТ(НСТ

соответстпукпцим образом е -о состояние „ Так как при этом сигнал на выходе дешифратора 16 не изменяется, то очередной и последующие рипульс1)1 на выходе компаратора 9 Формируются с

t

In

JJL Н„

Так продолжается до момента формирования п-го импульса, считая с момента нулевого сброса счетчика 15, Тое, с момента начала формирования второго временного интервала задержки t. Этот импульс, поступая на счетный вход первого счетчика 15,ус- танавл1гаает его выходы в такое состояние, при котором сигнап на выходе дешифратора меняется с нулевого опять на единичный. При этом ключ 4 вновь отключает выход источника 5 опорного напряжения от вывода дополнительного резистора 17 и подключает к нему вывод термопреобразователя 1 о В этот момент времени заканчивается формирование второго времен1гого интервала t длительностью

tint j

т In .

Палее работа устройства аналогич

В результате на выходе дешифратора 16 формируется первая импульсная последовательность с длительностью импульсов t и с периодом t, опрсполяемым выражением

Изобретение предназначено для температурных измерений и позволяет повысить быстродействие устройства. Выходное напряжение усилителя 2 постоянного тока, к входу которого подключен через термопреобразователь 1 сопротивления (ТС) и ключ 4 источник 5 опорного напряжения, подается на первый вход компаратора 9, на второй вход которого поступает экспоненциально изменяющееся напряжение с RC - цепи, состоящей из конденсатора 7 и резистора 8. В момент равенства напряжений по сигналу с выхода компаратора 9 ключ 13 разряжает конденсатор 7, что приводит к изменению состояния компаратора 9 и началу формирования нового цикла экспоненциально меняющегося напряжения. Импульс с выхода компаратора 9 поступает через элемент И 14 на нулевой вход счетчика 15, устанавливая его в нулевое состояние, что вызывает изменение состояния дешифратора 16. По сигналу с выхода дешифратора 16 срабатывает ключ 4, включая вместо ТС 1 образцовый резистор. После формирования N -циклов экспоненциально меняющегося напряжения по сигналу с дешифратора 16 вновь включается ТС 1. Импульсный сигнал с выхода дешифратора 16, частота которого пропорциональна измеряемой температуре, проходит через формирователь 19 результата измерения и элемент И 18 на счетный вход счетчика 30, запоминается в блоке 31 памяти и отображается цифровым индикатором 32. 2 п.ф-лы, 2 ил.

ч

-1 R 9

1п ,

сформированный на выходе компаратора 9 импульс, вследствие блокировки входа элемента И 14, соединенного с выходом дешифратора 16, присутствующим на нем сигналом нулевого уровня, не проходит на вход нулевого сброса счетчика 15, поступая на счетный вход последнего, изменяет по своему заднему фронту соответствующим образом его состояние. Так как при этом выходной сигнал дешифратора 16 изменяется, сформированный на выходе компаратора 9 импульс, вследствие блокировки входа элемента И 14 по входу, соединенному с выходом дешифратора 16, присутствующим на нем нулевым сигналом, не проходит на вход нулевого сброса счетчика 15, а поступает на счетный вход последнеt - t, + t, -IL V In

RO

A

40

+ .

При

n

In

тота f первого импульсного сигнала на выходе деш-ифратора 16 определяется выражением f 1/t , , прямо пропорциональна измеряемой температуре. Для получения прямого цифрового отсчета измеряемой температуры импульсный сигнал с выхода дешифратора 16 подается через формирователь 19 и элемент И 18 на второй счетчик 30, состояние которого через блок памяти выводится на цифровой индикатор 32,

Первый импульс выходного сиг нала дешифратора 16, поступая на С-вход

триггера 21, состояние его прямого и инверсного выходов, временные диаграммы сигналов на которых представлены соответственно на графи ках 38 и 39, на инверсные по каждо- му переднему фронту единичного импульса .

Выходной сигнал инверс1юго выхода триггера 21, поступая на один из вхо дов элемента И 20, на период первого импульсного сигнала блокирует другой его вход, соединенный с выходом дешифратора 16. В результате на выход элемента И 20 проходит каждый четный импульс первого импульсного сигнал.л.

Сигнал с прямого выхода триггера 21, поступая на нулевые входы делителя 23 частоты и суммирующего счетчика 24, устанавливает их по своему переднему фронту в исходное нулевое состояние о По окончании этого фронта делитель 23 частоты и счетчик 2А начинают работать при поступлении импульсов на их счетные входы с ис- ходного состояния. При этом на пыход делителя 23 частоты формируется импульсный сигнал с частотой f, определяемой выражением f Д fo - частота импульсного генератора 22; Кд- коэффициент деления делителя 23 частоты, или при К„ «икс ) - ,oikc Импульсы с выхода делителя 23 проходят через элемент И 2 в течение периода t первого импульсного сигнала, когда на прямом выходе триггера 19, соединенного с другим выходом элемента И 25, присутствует сигнал логической единицы. При этом с выхода элемента И 25 на счетный вход счетчика 24 за этот период поступает m импульсов, где m fat, или с учетом t /f, где f - частота первого импульсного сигнала, в счетчике 24 в момент окончания это- го периода оказывается записанным число N . . В этот момент времени на вход записи реверсивного счетчика 26 с выхода элемента И 20, временная диаграмма сигнала на кото- ром представлена на графике 40, через один из входов элемента ИЛИ 27 поступает четный единичный импульс с выхода дешифратора 16, который пе- реписьгаает информацию, присутствую- щую на выходах счетчика 24, в реверсивный счетчик 26 по его входам начальной установки и блокирует его вычитающий ВХОДс

В MOMRIIT окончания этот о импульса в реверсиян(Ж счетчике 76 оказывается записанным число N (.ц и счетчик начинает работать в режиме вычитания Через время t,, определяемое из равенства о - Nj. , происходит обнуление реверсивного счетчика 26, Импульс с выхода нуля реверсивного счетчика 26, поступая через другой вход элемента ИЛИ 27 на его вход и далее на вход записи реверсивного счетчика 26, временная диаграмма сигнала которого представлена на графике 41, вновь переписывает информацию с выхода счетчика 24 в реверсивный счетчик 26, а так как эта информация в течение всего четного периода пер- 1вого импульсного сигнала остается неизменной, то следующий импульс на выходе нуля реверсивного счетчика 26 опять появляется через время Таким образом, на выходе нуля реверсивного счетчика 26, являющемся выходом умножителя частоты,формируется вторая импульсная последовательность с периодом t ч( N/ fj,,TaK как N с f 9 t и g , то t , f, t/T,,-f. ,, , в .с. меньше периода первой импульсной последовательности или с частотой f , 1/t V, .акс t превышающей величину частоты первого импульсного- сигнала в Т „кс раз. При этом значение периода выходного сигнала умножителя частоты не зависит от частоты импульсного генератора 22, поэтому нестабильность частоты генератора 22 не вызывает погрерпюс- ти при делении периода первой импульсной последовательности Сигнал на управляющем входе ключа 29,поступающий с инверсного выхода триггера, имеет единичное значение в четном периоде первого импульсного сигнала о Благодаря этому на выход ключа ,29 проходит четный проинвертиро- ванный инвертором 28 импульс с выхода дешифратора 16 длительностью ti (временная диаграмма сигнала на выходе инвертора 28 представлена на графике 42),

Единичный импульс с выхода ключа 29, временная диаграмма сигнала на выходе KOTOpoi o представлена на графике 43, поступает на Hyjiapoii вход счетчика 30, перодним фронтом устанавливает последни в игхопние нулевое сост(5янмс и, постучал чр первый

вход элемента И 18, разрешает прохождение второго импульсного сигнала на счетный вход счетчика 30 По окончании этого импульса в счетчик 30 оказывается записанным код N tj

- .

f.

соответствующий

количеству импульсов второго импульсного сигнала за второй временной ин- тервал t.

При этом задний фронт этого импульса, поступая на вход записи блока 31 памяти, переписывает информацию с информационных выходов счетчи- ка 30 в блок 31 памяти На этом цикл измерения температуры заканчивается, а результат измерения N отображается на индикаторе 3.. Так

t ,, t/T

«nut

В/Т-Т

In

R/y 151 J в д--ffi

- - М М 1

N. (T.«KC-,V)T----)

Устройство работоспособно ив том

случае, когда выход инвертора 28 непосредственно соединен с первым входом второго элемента И 18 В этом случае формирование результата измере- -ния формирователем 19 осуществляется в каждом периоде первого импульсного сигнала Но, так как результат измерения может измениться только через один период первого импульсного сиг- 35 нала, такой режим работы нецелесообразен.

Формула изобретения

1, Устройство для измерения температуры, содержащее источник опорного напряжения, первый вывод которого подключен к первому вьшоду конденсатора ЕС-цепи и к подвижному контакту первого ключа, два неподвижных контакта которого соединены соответственно через термопреобразователь соп

5

0

5

5

0

5

ротивления и дополнительный резистор с инвертирующим входом операционного усилителя с резистором в цепи обратной связи, выход которого подключен к первому входу компаратора, а неинвертирующий вход соединен с шиной нулевого потенциала, соединенной с вторым выводом источника опорного напряжения и первым выводом резистора КП- цепи, и подключен ко второму входу компаратора, выход которого подключен к управляющему входу второго ключа, включенного параллельно конденсатору, первый счетчик, выход которого соединен с входом деш1тфратора, а вход установки нуля подключен к выходу первого элемента И, первый вход которого соединен со счетным входом первого счетчика и выходом компаратора, а второй вход подключен к выходу дешифратора, соединенного с управляющим входом первого ключа, блок памяти, выход которого подключен к входу цифрового индикатора, информационные входы соединены с выходами второго счетчика, а вход записи соединен с входом установки нуля второго счетчика и первым входом второго элемента И, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия устройства, в него ввс дены инвертор и формирователь результата измерения, вход ко- торсп о соединен с входом инвертора и выходом дешифратора, а имход подключен к второму входу второго элемента Н, при этом выход инвертора соединен с первым входом второго элемента И

2„ Устройство по п,I, о т л и - чающееся тем, что выход инвертора соединен с первым входом второго элемента И через третий ключ, управляющий вход которого соединен с дополнительным выходом формирователя результата изнерения.

JJ

J

t

t 1

Щ

l|IIIIIIHillllllimillllHIIIIIlll

tL

i-1

сриг.2