Цифровой термометр Советский патент 1990 года по МПК G01K7/16 

Сл

с&

Ј СО

Изобретение относится к термометрии и может быть применено при измерении температуры с помощью цифровых термометров.

Цель изобретения - повышение надежности,

На чертеже представлена функциональная схема цифрового термометра.

Цифровой термометр содержит ис- точник 1 опорного напряжения, сумматор 2, термоэлектрический преобразователь 3, дифференциальный усилитель 4, первый масштабный преобразователь 5, первый многополюсный переключатель 6, двухполюсный ключ 7, третий масштабный преобразователь 8,j блок 9 компараторов,- дешифратор 10, второй масштабный преобразователь 11 % второй многополюсный переключатель

12,интегрирующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13, постоянное запоминающее устройство 14, вычитающее устройство 15 и цифровое от- счетное устройство 16.

Выходные зажимы термоэлектрического преобразователя 3 соединены с входами дифференциального усилителя 4, выход которого связан с входами первого 5 и второго 11 масштаб- ных преобразователей и входами компараторов 9, другие входы которых подключены к выходам третьего масштабного преобразователя 8, вход последнего соединен с выходом источника опор- ного напряжения 1 и одним из входов сумматора 2, второй вход которого связан с одним из выходов двухполюсного ключа 7. Другой выход двухполюсного ключа 7 подключен к инвертирую- тему опорному входу интегрирующего аналого-цифрового преобразователя

13,неинвертирующий опорный вход которого соединен с выходом сумматора

2, неинвертирующий информационный вход интегрирующего АЦП 13 связан с выходом второго многополюсного переключателя 12, а инвертирующий информационный вход подключен к общей шине

Входы первого 6 и второго 12 мно гополюсных переключателей соответственно связаны с выходами первого 5 и второго 11 масштабных преобразователей, выход первого многополюсного переключателя 6 подключен к одному из входов двухполюсного ключа 7, второй вход которого связан с общей шиной. Выходы компараторов 9 соединены с входами дешифратора 10, выход которого подключен к управляющим входам первого 6 и второго 12 многополюсных переключателей, ключа 7 и постоянного запоминающего устройства 14. Выходы последнего соединены с одними информационными входами вычитающего устройства 15, другие входы которого связаны с выходом интегрирующего АЦП 13, а выходы вычитающего устройства 15 связаны с цифровым отсчетным устройством 16.

Цифровой термометр работает следущим образом.

Градуировочная характеристика термоэлектрического преобразователя 3 разбивается на участки, для которых выбором значений коэффициентов преобразования дифференциального усилителя 4, первого 5 и второго 11 масштабных преобразователей можно обеспечить заданную допустимую остаточную погрешность нелинейности преобразования измеряемой температуры в в цифровой код Nx на каждом из участков аппроксимации.

Обозначим коэффициент преобразования дифференциального усилителя 4 через К , а коэффициенты преобразования первого 5, второго 11 и третьего 8 масштабных преобразователей в i-м участке аппроксимации - через К у,, К М1 и Kg,-. Интегрирующий АЦП 13 имеет функцию преобразования

К

U,

13 U

(1)

on

где К - коэффициент преобразования интегрирующего АЦП 13 U - входное напряжение, поступающее на информационный вход АЦП 13, U0n - опорное напряжение, поступающее на опорный вход АЦП 13.

Напряжение U на i-м участке аппроксимации формируется следующим образом.

Выходная термо-ЭДС ЕХ F(6X,0°C) термоэлектрического преобразователя 3 (компенсации влияния изменений температуры его свободных концов осуществляются любым известным методом) усиливается дифференциальным усилителем 4, выходное напряжение которого

U4 VE

(2)

Это напряжение подается на вход второго масштабного преобразователя 11 и после масштабирования через второй многополюсный переключатель 12 на неинвертирующий информациейный вход интегрирующего АЦП 13.

Выходное напряжение второго масштабного преобразователя 11 на i-м участке аппроксимации

к

К .. Е у. М 1 А

(3)

Поскольку инвертирующий информационный вход интегрирующего АЦП 13 соединен с общей шиной, выходное напряжение Uln- второго масштабного преобразователя 11 равно входному напряжению II х, поступающему на i-м участке на информационный вход интегрирующего АЦП 13.

Таким образом

Ux Un

К4 М

Е. (4)

Опорное напряжение U оп на i-м участке аппроксимации формируется следующим образом.

Если первая производная от функции преобразования Е х, F ($х 0°С) термоэлектрического преобразователя на i-м участке аппроксимации положительна, то выходное напряжение U4 дифференциального усилителя 4 после преобразования первым масштабным преобразователем 5 через первый многполюсный переключатель 6 и двухполюсный ключ 7 подается на один из входов сумматора 2. При этом посредством двухполюсного ключа 7 инвертирующий опорный вход интегрирующего АЦП 13 соединяется с общей шиной. Поскольку на второй вход сумматора 2 поступает выходное напряжение U0 источника опорного напряжения 1, то в этом случае опорное напряжение Uon на i-м участке аппроксимации, поступающее на опорный вход интегрирующего АЦП 13, равно выходному напряжению U . сумматора 2, т.е.

ci

U

С|

U n + U

f i

(5)

U $. Ех - выходное напря- 55 жение первого масштабного преобразователя 5.

Таким образом, опорное напряжение. иоги, поступающее на опорный вход интегрирующего АЦП 13, на i-м участке аппроксимации при положительном значении первой производной от функции преобразования термоэлектрического преобразователя 3

U

оп

U,

+ К4-К51--ЕХ.

(6)

5

0

5

0

5

Если первая производная от функции преобразования термоэлектрического преобразователя 3 на i-м участке аппроксимации отрицательна, то выходное напряжение U4 дифференциального усилителя 4 после преобразования первым масштабным преобразователем 5 через первый многополюсный переключатель 6 и двухполюсный ключ 7 поступает на инвертирующий опорный вход интегрирующего АЦП 13. При этом посредством двухполюсного ключа 7 соответствующий вход сумматора 2 соединяется с общей шиной. В этом случае выходное напряжение Uci сумматора 2 равно выходному напряжению U0 источника 1 опорного напряжения и подается на неинвертирующий опорный вход интегрирующего АЦП 13.

Поскольку на инвертирующий опор- ,ный вход интегрирующего АЦП 13 подается выходное напряжение U5i первого масштабного преобразователя 5, то в этом случае на i-м участке аппроксимации при отрицательной первой производной от функции преобразования термоэлектрического преобразователя 3 опорное напряжение

U

ОП-

подаваемое на опорный вход интегрирующего АЦП 13:

U0 - U

U0 - К4-К55

Е

х(7)

Таким образом, выходной код N интегрирующего АЦП 13, поступающий на один из информационных входов вычитающего устройства 15 на i-м участке аппроксимации, с учетом (1), (4), (5) и (7) выражается как

N К

К4- К tii Ex 13 U0±K4.KЈl-E,

(8)

причем в знаменателе на i-м участке знак + в случае положительной первой производной от функции преобразования термоэлектрического преобj С1

разователя 3,то есть при , Q x 0 и

d t у

знак - в случае отрицательной первой производной, т.е. .

dyx Выбором значений Kff и KS|- при

заданных КГ5 и К согласно выраже- нию (8) обеспечивается с допустимой заданной погрешностью линейность преобразования на i-м участке измеряемой температуры д в выходной код N, поступающий на одни информационные входы вычитающего устройства 15,т.е. N К. б к (где К, - коэффициент Преобразования, обеспечивающий линейность преобразования в i-м участке).

Дискретное изменение коэффициентов преобразования Kg- и К при переходе с (i-1)-ro участка аппроксимации на i-й приводит к аддитивному смещению результата преобразования N в точке (i) по сравнению с точкой .eo

К

к ц-1) - N бо;

КуКцп.ц Е ЈQ к.(М) 0°О

Uo tK Ksn.,, Ех(еМ5;1Го°с)

к Кф.К111- Е(в,1--00С) -.,н(9) К1Э U0 ±К КуГЕх(001., 0°С) - W

Значения UN- рассчитываются предварительно при выборе значений KSj и К1Г . Поскольку отличаются значения на каждом участке аппроксимации, отличаются и значения эквивалентного аддитивного смещения Nc/wi результата измерения при вх 0°С, т.е.. результат измерения с учетом ЛNCMi выражается как

NX N±4NCM.СЮ)

Значения 4NCM; записываются со своим знаком в постоянное запоминающее устройство 14 по i-му адресу и с выхода постоянного запоминающего устройства 14 поступают на другие информационные входы вычитающего устройства 15С После операции вычитания результат измерения NX, пропорциональный измеряемой температуре $х поступает на информационные входы цифрового отсчетного устройства 16 и высвечивается на его цифровом табло. Формула изобретения

Цифровой термометр, содержащий термоэлектрический преобразователь,

5

0

5

0

35 0

Д5 50

источник опорного напряжения, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь и цифровое отсчетное устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, в него введены дифференциальный усилитель, первый, второй и третий масштабные преобразователи, первый и второй многополюсные переключатели, блок компараторов, дешифратор, сумматор, двухполюсный ключ, постоянное запоминающее устройство и вычитающее устройство, причем выходные зажимы термоэлектрического преобразователя соединены с входами дифференциального усилителя, выход которого связан с входами первого и второго масштабных преобразователей и с входами сравнения блока компараторов, опорные, входы которого подключены к выходам третьего масштабного преобразователя, вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения и первым входом сумматора, второй вход которого соединен с первым выходом двухполюсного ключа, второй выход которого подключен к инвертирующему опорному входу интегрирующего аналого-цифрового преобразователя, неинвертирующий опорный вход которого соединен с выходом сумматора, неинвертирующий информационный вход подключен к выходу второго многополюсного переключателя, а инвертирующий информационный вход - к общей шине, входы первого и второго многополюсных переключателей соответственно связаны с выходами первого и второго масштабных преобразователей, выход первого многополюсного переключателя подключен к первому входу двухполюсного ключа, второй вход которого связан с общей глиной, выходы блока компараторов соединены с входами дешифратора, выход которого подключен к управляющим входам первого и второго многополюсных переключателей, двухполюсного ключа и постоянного запоминающего устройства, выходы которого соединены с первым и вторым входами вычитающего устройства, третий вход которого соединен с выходом интегрирующего лнапого-ииЛ- ровог-о преобразователя, л выходы - с цифровым отсчетным устройством,

Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить надежность цифрового термометра. Выходной сигнал термоэлектрического преобразователя 3 усиливается дифференциальным усилителем 4 и поступает на опорный вход блока 9 компараторов и входы первого и второго масштабных преобразователей 5 и 11. Напряжение источника 1 опорного напряжения через третий масштабный преобразователь поступает на входы блока 9 компаратора. При превышении сигналом с выхода дифференциального усилителя некоторого порогового уровня срабатывает часть компараторов, в результате чего на выходах дешифратора 10 появляется двоичный код, управляющий работой первого и второго многополюсных переключателей, через которые аналоговый сигнал подключается к входу аналого-цифрового преобразователя 13. В результат преобразования вносится поправка, извлекаемая из ПЗУ 14, конечный результат измерения высвечивается на цифровом отсчетном устройстве 16. 1 ил.