Цифровой термометр Советский патент 1991 года по МПК G01K7/32 

Изобретение относится к температурным измерениям и может быть использовано при построении цифровых термометров, работающих в составе с термопреобразователями, имеющими частотный выход, например пьезокварцевыми датчиками температуры.

Цель изобретения - повышение точности измерения температуры путем уменьшения погрешности от нелинейности характеристики термопреобразователя при сохранении возможности его раздельной нсазвисимой юстировки в трех точках температурного диапазона.

На фиг.1 представлена схема цифрового термометра; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принципы работы термометра при измерении положительной температуры: на фиг.З - временные диаграммы, поясняющие принцип работы термометра при измерении отрицательных температур; на фиг.4 - состояние счетчиков 23, 6 и 27 после каждого этапа юстировки; после первого этапа (фиг. 4а), после второго (фиг. 46). после третьего (фиг. 4в).

Цифровой термометр содержит термопреобразователь 1 с частотным выходом, смеситель 2, генератор 3 опорной частоты (опорный генератор), тактирующее устройство 4, коммутатор 5, реверсивный счетчик 6 результата, второй триггер (триггер знака) 7, индикаторный регистр 8, первый умножитель 9 частоты, второй умножитель 10 частоты, счетчик 11 опорной частоты, ключ 12, делитель 13 опорной частоты, первый блок 14 коммутационных элементов (бкэ). первое устройство 15 сравнения кодов, первый триггер 16, элемент И 17, третий одновибратор 18, третье устройство 19 сравнения кодов, четвертый триггер 20, второй одновибратор 21, первый одновибратор 22, счетчик 23 предварительной установки, второй блок 24 коммутационных элементов, второе устройство 25 сравнения кодов, мно- говходовый элемент ИЛИ 26, дополнительный счетчик 27, четвертый блок 28

коммутационных элементов, третий триггер 29 и третий блок 30 коммутационных элементов.

Коммутатор 5 подключает выход тактирующего устройства 4 к одному из входов

реверсивного счетчика 6 результата. Тактирующее- устройство 4 предназначено для привязки импульсов, поступающих с выхода смесителя 2 в любой момент времени, к импульсам опорного генератора 3. Таткирующее устройство 4 выполняется на 2 D- триггерах и элементе И, выход которого является выходом тактирующего устройства 4, а входы подключены к прямому выходу первого триггера тактирующего устройства

4 и инверсному выходу его второго триггера. Тактовые входы обоих триггеров подключены к выходу опорного генератора 3, D-вход первого триггера тактирующего устройства 4 подключен к выходу смесителя 2, а D-вход

второго триггера - к прямому выходу первого триггера тактирующего устройства 4.

Реверсивный счетчик 6 результата выполняется на микросхемах, имеющих установочные входы для записи предварительного числа N из счетчика 23 и отдельные входы сложения и вычитания,

Цифровой термометр работает следующим образом.

Частотный сигнал термопреобразователя 1 поступает на первый вход смесителя 2, на второй вход которого поступает сигнал частоты опорного генератора 3. С выхода смесителя 2 на вход тактирующего устройства 4 поступает сигнал, частота которого

равна разности частоты опорного сигнала генератора 3 и частоты термопреобразователя 1. При этом частота генератора 3 выбирается из условия, чтобы во всем диапазоне измеряемых температур частота термопреобразователя не была бы равной частоте генератора 3. Так как для термопреобразователя с нулевой частотой (при 0°С 5000 кГц и крутизной S- 180 Гц/°С) частоту генератора можно выбрать 5050 кГц. тогда при изменении измеряемой температуры от -60°С до +120°С частота датчика будет меняться от 4989. 2 кГц, до 5021, 6 кГц, а на выходе смесителя частота сигнала будет изменяться от 60,8 кГц, до 28,4 кГц. Сигнал с выхода смесителя проходит через тактирующее устройство 4, где выходные импульсы смесителя привязываются к тактовым импульсам опорного генератора 3. С выхода тактирующего устройства 4 импульсы через коммутатор 5 направляются на входы реверсивного счетчика результата. Коммутатор 5 направляет импульсы тактирующего устройства 4 на входы реверсивного счетчика 6 результата в течение счетного интервала Тсч. При этом импульсы вначале направляются на вычитающий вход счетчика 6. Когда счетчик 6 в результате вычитания импульсов станет в нулевое состояние, сигнал с выхода многовходового элемента ИЛИ 26 переведет триггер 1 в состояние, которое будет направлять импульсы тактирующего устройства на вход сложения счетчика оезультата 6. Если счетный интервал Тсч закончится до момента срабатывания элемента ИЛИ 26, то результат измерения будет положительным. Если измеряемая температура отрицательна, то частота на выходе смесителя и выходе тактирующего устройства будет более высокой и за время ТСч триггер 7 будет установлен в состояние, противоположное исходному, и на индикатор поступит с его выхода сигнал отрицательного результата.

Коммутатор 5 обеспечивает поступление импульсов на входы счетчика 6 результата в течение счетного интервала Тсч с помощью четвертого триггера 20. Счетный интервал начинается в момент переполнения счетчика 11 опорной частоты, а заканчи- вается при срабатывании второго устройства 25 сравнения, которое происходит в момент равенства кодов в реверсивном счетчике 6 результата и дополнительного счетчика 27.

При срабатывании устройства 25 сравнения кодов одновибратор 21 с задержкой формирует импульс, который производит запись в индикаторный регистр 8 результата измерения, в счетчик 6 - число МПред из счетчика 23 и установку триггера 7 в О (см. фиг.1). В ответ на этот импульс одновибраtop 22 с задержкой формирует импульс для сброса счетчика 23

Для обеспечения независимой калибровки термометра в трех точках диапазона необходимо, чтобы делитель 13 опорной частоты переполнялся за п тактов опорного генератора 3 до срабатывания первого устройства 15 сравнения кодов.

N2 fo

П т

h

(1)

где fo - тактовая частота генератора 3;

2 частота на выходе второго умножителя 10;

N2 число в счетчике результата, соответствующее температуре во второй репер- ной точке (первая реперная точка соответствует температуре 0°С, а вторая температуре вблизи верхней границы измерительного диапазона, например, 90- 100°С). Система для обеспечения переполнения делителя 13 опорной частоты за п тактов до момента срабатывания первого устройства 15 сравнения содержит третий блок 30 коммутационных элементов, третье устройство 19 сравнения, дополнительный счетчик 27, второй умножитель 10 частоты и четвертый блок 28 коммутационных элементов, а также первый триггер 16. элемент И 17, третий одновибратор 18 и третий триггер 29.

Система работает следующим образом. Делитель 13 опорной частоты 13, имеющий тот же коэффициент пересчета, что и счетчик 11 опорной частоты, своим импульсом переключения перебрасывает третий триггер 29. При этом второе устройство 25 сравнения, второй умножитель 10 частоты и

дополнительный счетчик 27 получают разрешение производить сравнение кодов, умножение и счет импульсов, поступающих с выхода умножителя 10. Частота этих импульсов f2 определяется числом, набранным

в четвертом блоке коммутационных элементов 28 и равна

50

f2 - fo N4

(2)

где N4 - число, набранное в четвертом блоке 28;

2m, где m - число двоичных разрядов умножителя 10 и соответствующее ему число двоичных разрядов четвертого блока 28 коммутационных элементов. Когда число в дополнительном счетчике 27 станет равным числу N2, набранному в третьем

блоке 30 коммутационных элементов, сработает устройство 19 сравнения.

От момента переключения делителя 13 опорной частоты до срабатывания третьего устройства 19 сравнения генератор 3 выра- ботал импульсы. Если в это же время произойдет срабатыавние первого устройства 15 сравнения, первый триггер 16 будет подтвержден в 1 и ключ 12 будет оставаться замкнутым, так как сигнал первого устрой- ства 15 сравнения через одновибратор 18 и элемент И 17 запретит прохождение сигнала с выхода третьего устройства 19 сравнения на вход установки в О первого, триггера 16. Так будет в установившемся режиме. При этом импульсы с выходом элемента 15 и 19 сравнения будут поступать одновременно и триггер 16 будет подтверждаться в 1. Если же момент переполнения делителя 13 опорной частоты не опережает момент срабатывания первого устройства 15 сравнения ровно на п импульсов опорного генератора 3, то первый импульс третьего устройства 19 сравнения установит триггер 16 в О и делитель 13 опорной частоты остановится, так как ключ

12разомкнется. В этот момент в делитель

13опорной частоты поступит п импульсов. В момент срабатывания устройства 15 сравнения триггер 16 будет установлен в 1, ключ 12 замкнется и делитель 13 частоты вновь будет подсчитывать импульсы генератора 3 и последующее его переполнение уже произойдет в за п тактов до срабатывания первого устройства 15 сравнения.

Начало счетного интервала ТСч в термометре происходит в момент переполнения счетчика 11 опорной частоты. При этом четвертый триггер 20 разрешает коммутатору 5 пропускать импульсы на вход вычитания ре- версивного счетчика результата 6, а после его установки в О - на его вход сложения. Окончание счетного интервала ТСч происходит в момент срабатывания второго устройства сравнения, т.е. тогда, когда код в дополнительном счетчике 27 станет равным коду в счетчике 6 результатов. Причем запуск дополнительного счетчика 27 происходит за п тактов до срабатывания первого устройства 15 сравнения. Таким образом, осуществляется коррекция нелинейности характеристики термопреобразователя, так как время счетного интервала прибора становится зависимым от получаемого результата измерения.

При нулевом результате измерения, т.е. если в момент переключения делителя 13 опорной частоты в счетчике 6 результата О, то второе устройство сравнения кодов

25 сработает сразу же после установки триг гера 29 в 1.

В этом случае счетный интервал тоже закончится сразу же и будет минимальным.

Если же в момент переключения делителя 13 опорной частоты число в счетчике 6 результата не равно нулю, то счетный интервал будет продолжаться до тех пор, пока число в дополнительном счетчике 27 не станет равным числу в счетчике 6 результата, так как дополнительный счетчик получает гораздо более высокочастотные импульсы с выхода умножителя 10 частоты, чем счетчик 6 результата с выхода смесителя 2, то независимо от направления счета в счетчике результата, число в дополнительном счетчике 27 быстро догонит число в счетчике 6 результата и счетный интервал прекратится.

Определим зависимость результата измерения от входной частоты.

Счетчик 23 предварительной установки считает за время нахождения четвертого триггера 20 в 1, так как находясь в 1 этот триггера разрешает работу умножителя 9.

Частота следования импульсов fg на выходе термопреобразовател 1 в зависимости от измеряемой температуры 0 равна

fg - fgo ± 50 в,

(3)

где fgo - частота на выходе термопреобразователя 1 температуры при 0°С;

S0- крутизна термочастотной характеристики термопреобразователя (S зависит от температуры из-за нелинейности термочастотной характеристики термопреобразователя 1);

в- температура термопреобразователя относительно 0°С.

В счетчик 23 предварительной установки 23 за время счета Тсч попадает число

ИМПУЛЬСОВ Мпред,

N

пред :

(4)

где f 1 - выходная частота умножителя 9. f 1

fro4 fgoВремя, которое начинается в момент переполнения счетчика 11 опорной частоты и заканчивается в момент переполнения делителя 13 опорной частоты, т.е. за п тактов опорного генератора 3 до срабатывания первого устройства 15 сравнения, обозначим через Тсч0

Содержимое счетчика б результата,накопленное к моменту окончания ТСч, будет равно

fg) - fl fro4 f fg) (TY/lo

(fm4

ДТ)

(5)

С другой стороны в момент срабатывания устройства 25 сравнения кодов число в дополнительном счетчике 27 тоже равно Np.

Отсюда

.

fa Подставляя (6) в (5), получим

Np ( f 1 - fro4 + fg )

f2.T

( f2 - ( fi- fro4 +

1 счо

Наличие в знаменателе fg в выражении (7) обеспечивает нелинейную зависимость результата от входной частоты.

Для того чтобы эта зависимость наилучшим образом корректировала нелинейность характеристики термопреобразова геля температуры необходимо обеспечить точное соответствие показаний прибора температуры в 3 точках диапазона. Термометр позволяет это произвести последовательно, причем установка показаний в каждой следующей реперной точке (точке калибровки) не влияет на уже установленные показания в предыдущих точках.

Вначале устанавливаются нулевые показания термометра при помещении термопреобразователя в среду с температурой 0°С (тающий лед).

При этом числа, набранные в первом 14, третьем 30 и четвертом 28 блоках коммутационных элементов произвольные, а числом во втором блоке 24 добиваются нулевых показаний. При нулевых показаниях частота на выходе первого умножителя 9 частоты равна частоте на выходе смесителя 2 при нулевой измеряемой температуре.

Число в счетчике результата 6 будет равно

Np - Мпред ( - fgp) Tco

Подставим Мпред из (4) и получим при fi - fro4 - fgo Np 0 и не зависит от Тсч.

Затем устанавливают показание термометра при температуре второй реперной точки (например, 80-100°С). При этом в третьем наборном поле 30 устанавливают число, соответствующее температуре этой реперной точки, а изменяя число в первом

и

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

наборном поле 14. добиваются треГ уоммх показании термометра.

Число в четвертом блоке 28 произвольное.

Во время получения нужных показаний прибора числа в третьем блоке 30. дополнительном счетчике 27 и сметчике 6 результата одинаковы. Второе 25 и третье 19 устройства сравнения кодов срабатывают одновременно, счетный интервал меняют числом в первом наборном поле 14 и добиваются требуемых показаний.

Np f 1 Тсч - ( frr.4 fg ) Т,-ч (fl - (ffon- fg ) (Тсчо НА Тсч ( fro4 fgo - ч оч 4- fgo Ь и ) (Тсч0 + ЛТгч ) S Я Тчс

т.е., изменяя Тсч, можно установит требуемое показание Np, при этом не нарушается условие нулевых показаний (8).

При получении требуемого отсчета в третьей реперной точке изменяют состояние органов набора четвертого блока 28 оставляя неизменным состояние остальных элементов юстировки прибора

При этом изменяется ДТСч, а величина счетного интервала Тсч, 02 (Тсч 02 - время счета, необходимое для получения Np ft, где ft - температура второй реперной точки) сохраняется, что обеспечивается еле- дя- щей системой, автоматически уменьшающей Тсч0 ПРИ увеличении ДТСч и наоборот.

Учитывая, что при изменении положения органов блока 28 коммутационных элементов, изменяется частота на выходе второго умножителя 10, что приводит к изменению Tq4, при сохранении суммы ТСч0 + Тсч. во второй реперной точке, изменения Тсч не сказываются на показаниях прибора в этой реперной точке. Поэтому после установления требуемых показаний в третьей реперной точке при 6 40-50°С путем изменения положения только органов настройки блока 28 показания прибора во второй реперной точке не изменяется.

При настройке термометра частоту h и длительность счетного интервала ТСч0 следует выбирать из условия

f2

(1 +к) Д01 Afoj AjgiQc WjAj)

к + к Т ft.

(Ю)

. Npes- / Лтлг

Ur-Af

Nrei

Л. f2

i де К - постоянный коэффициент пропорциональности;

At,,- fl fro4-t fg (Q).0((1 1,2,3)

- знамение температуры в реперных точках. Npfj, ,ЫрДг - отсчеты измерений в первой и второй реперных точках.

Состояние счетчиков 23,6 и 27 после первого этапа юстировки показано на фиг 4а после второго этапа юстировки - на фиг.4в.

Применены следующие обозначения:

2ню.ТСчоню И Т2ю. Тсчою Значения h, Тсчо СОответственно до и после юстировки: Npei 0, (h , Npo3-- 63 - отсчеты измерений в первой, во второй и третьей реперных- точках

Формула изобретения Цифровой термометр, содержащий термопреобразователь с частотным выходом, подключенный к первому входу смесителя, второй вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты, подключенным к счетному входу счетчика опорной частоты и входу первого умножителя частоты, выход которого подключен к счетчику предварительной установки, первое устройство сравнения кодов, к первым входам которого подключены выходы первого блока коммутационных элементов, к вторым - выходы счетчика опорной частоты, а выход подключен к первому входу первого триггера, элемент И, второй блок коммутационных элементов, выходы которого подключены к входам первого умножителя частоты, счетчик результата, к информационным входам предварительной установки которого подключены выходы счетчика предварительной установки, второй триггер и индикаторный регистр, ко входам которого подключены выходы счетчика результата и второго триггера, отличающийся тем. что, с целью повышения точности измерения температуры путем уменьшения погрешности от нелинейности характеристики термопреобразователя, в него введены коммутатор, ключ, три одновибратора, третий и четвертый триггеры, второе и третье устройства сравнения кодов, делитель опорной частоты, третий и четвертый блоки коммутационных элементов, дополнительный счетчик, вто

рой умножитель частоты, многовходовый элемент ИЛИ, и тактирующее устройство, при этом счетчик результата выполнен реверсивным, входы тактирующего устройст5 ва соединены с выходами смесителя и генератора опорной частоты, а выход подключен к входу коммутатора, выходы которого подключены к входам сложения и вычитания счетчика результата, первый уп10 равляющий вход коммутатора подключен к выходу второго триггера, а второй - к выходу четвертого триггера, входу установки в О первого умножителя частоты и входу второго одновибратора, выход которого под15 ключей к входу первого одновибратора, входом разрешения переноса информации в счетчик результата и индикаторный регистр и второму входу второго триггера, к первому входу которого подключен выход

20 многовходового элемента ИЛИ, вход которо- го подключен к выходам реверсивного счетчика результата, соединенным с первыми входами второго устройства сравнения кодов, вторые входы которого соединены с

25 выходами дополнительного счетчика и первыми входами третьего устройства сравнения кодов, вторые входы которого подключены к выходам третьего блока коммутационных элементов, а выход подклю30 чен к первому входу элемента И, второй вход которого через третий одновибратор соединен с первым входом первого триггера, второй вход которого соединен с выходом элемента И, а выход подключен к

35 управляющему входу ключа, вход которого соединен с выходом генератора опорной частоты и входом второго умножителя частоты, а выход через делитель опорной частоты подключен к первому входу третьего тригге40 ра, ко второму входу которого подключен выход счетчика опорной частоты и второй вход четвертого триггера, первый вход которого соединен с выходом второго устройства сравнения кодов, стробирующий вход

45 которого соединен с прямым выходом третьего триггера, обратный вход которого подключен к входам установки в О дополнительного счетчика и второго умножителя частоты, установочные входы которого сое50 динены с выходом четвертого блока коммутационных элементов, а выход подключен к входу дополнительного счетчика, при этом выход первого одновибратора соединен с входом установки в О счетчика предвари55 тельной установки.

t

Изобретение относится к температурным измерениям и позволяет повысить точность измерения температуры путем уменьшения погрешности от нелинейности характеристики термопреобразователя при сохранении возможности его раздельной независимой юстировки в трех точках температурного диапазона. С выхода смесителя 2 на вход тактирующего устройства 4 поступает сигнал, частота которого равна разности частоты опорного генератора 3 и частоты термопреобразователя 1. Коммутатор 5 обеспечивает поступление импульсов с выхода тактирующего устройства 4 на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика 6 результата в течение счетного интервала T_сч с помощью триггера 20. Счетный интервал начинается в момент переполнения счетчика 11 опорной частоты, а заканчивается при срабатывании второго устройства 25 сравнения, в момент равенства кодов в счетчике 6 и дополнительном счетчике 27. При срабатывании устройства 25 сравнения одновибратор 21 формирует сигнал для записи числа предварительной установки из счетчика 23 в счетчик 6 и записи результата измерения в индикаторный регистр 8. Запуск дополнительного счетчика 27 с помощью делителя 13 опорной частоты, третьего устройства 19 сравнения кодов, второго умножителя 10 частоты, третьего и четвертого блоков коммутационных элементов 30, 28, триггеров 16, 20 и третьего одновибратора 18 происходит за N тактов до срабатывания устройства 15 сравнения, в результате чего длительность счетного интервала зависит от получаемого результата измерения. 4 ил.

Фиг.I

ft A

f3

2П I

xJnl Hilft n

23

i-b т-ц г-л i Ц i i t-., Г,1

ч,

4ч

-и

III I

iT

{ H-i

+Т-Г-Н гЧ

iT

гЧ

./

tgeЈ- fjfc - f/yv -

tgfl frou-fyen )

V

tgd - ffMf frov tgflsfrot/-fg0i 23

r CV0}0

I

б,г i

Фиг Л