Цифровой термометр Советский патент 1992 года по МПК G01K3/02 

Изобретение относится к области температурных измерений и может применяться а информационно-измерительных системах, например, б сельскохозяйственном производстве для определения значений эффективных температур.

Известен цифровой термометр, используемый для измерения положительных температур, а также цифровой термометр, содержащий датчик температуры, подключенный к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), выход которого подключен к регистрирующему устройству.

Недостатком указанных цифровых термометров является невозможность определения средней по времени температуры.

Наиболее близким по технической cyu HocTVi к предлагаемому является цифровой термометр, содержащий ртутный датчик температуры, преобразователь дискретных значений температуры, накапливающий сумматор, блок индикации, коммутатор, блок регистров, распределитель импульсов, элемент задержки, группу элементов И.

Недостатком указанного цифрового термометра является невозможность измерения значений эффективной температуры.

Целью изобретения является расши- рение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности измерения эффективной температуры.

Поставленная цель достигается тем, что в цифровой термометр, содержащий датчик температуры, элемент задержки, подключенный выходом к входу обнуления накапливающего суммато- pa, блок индикации и регистр, подключенный выходами к первой группе входов коммутатора, введены аналого- цифровой преобразователь, подключенный входом к выходу датчика температуры, дешифратор, блок управления, п каналов интегрирования и шинный формирователь, шинный формирователь первой группой входов подключен к выходам аналого-цифрового преобразователя и группе входов накапливающего сумматора, соединенного входом разрешения суммирования с первым выходом блока управления, второй выход блока

управления подключен к входу элемента задержки и входу записи регистра, подключенного входами к выходам накапливающего сумматора, третий выход блока управления соединен с входом

управления коммутатора, вторая группа входов которого соединена с первой группой выходов блока управления и подключена к первым группам входов каналов интегрирования, вторые группы выходов которых объединены и подключены к второй группе выходов блока управления, третья группа выходов блока управления подключена к входам дешифратора, подключенного выходами соответственно к управляющему входу шинного формирователя и к первым входам каналов интегрирования, вторые входы которых объединены и подключены к выходу элемента задержки, третьи группы входов каналов интегрирования объединены и подключены к выходам коммутатора и второй группе входов шинного формирователя, объединенного выходами с выходами каналов интегрирования и подключенного к блоку индикации,

Значения эффективной температуры определяются в каналах интегрирования, каждый из которых содержит первый, второй, третий, четвертый и пятый элементы И, регистр, вычитатель, схему сравнения, элемент ИЛИ, накапливающий сумматор, шинный формирователь, входы первой группы канала

интегрирования соединены с входами регистра, выходы которого подключены к первым входам схемы сравнения, к входам вычитаемого вычитателя и к первой группе входов шинного формирователя, подключенного второй группой входов к выходам накапливающего сумматора, выход схемы сравнения соединен с первым входом первого эле мента И, входы второй группы канала

интегрирования соединены с первыми входами второго, третьего, четвертого и пятого элементов И, вторые входы которых соединены с первым входом выбора канала интегрирбвания и с управляющим входом шинного формирователя, второй вход канала интегрирования подключен к первому входу элемента ИЛИ, входы третьей группы канала интегрирования подключены к входам уменьшаемого вычитателя и к вторым входам схемы сравнения, входы записи и сброса регистра подключены соответственно к выходам второго и третьего элементов И, выходы вычитателя подключены к информационным входам накапливающего сумматора, вход разрешения суммирования которого подключен к выходу первого элемента И, соединенного вторым входом с выходом элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу четвертого элемента И, выход пятого эле мента И соединен с входом обнуления накапливающего сумматора, выходы шинного формирователя являются выходами канала интегрирования,

Все это позволяет термометру выолнять следующие функции:

измерять и отображать в блоке иникации текущее значение темперауры t°(t);

определять и отображать среднее за период значение температуры t

-ср

определять и отображать значения эффективной температуры , определяемые при различных поро- говых значениях температуры а: и выражаемые следующим соотношением: о

fj; V

,rsvio

аз

tcp (t;) a ,

t«, (i 0,1,2,.,.) -

j 1,2,,,.,п -

На фиг,1 представлена цифрового термометраJ на схема канале интегрирова

0

5

0

5

фиг.З - схема одного из возможных вариантов реализации накапливающего сумматора; на фиг.k - временная диаграмма, поясняющая работу термометра

Термометр содержит датчик 1 температуры, АЦП 2, шинный формирователь 3, блок k индикации, элемент 5 задержки, накапливающий сумматор 6, регистр 7, коммутатор 8, дешифратор 9, каналы 10 интегрирования, блок 11 управления, внутренние информационные шины , шину 15 управления каналами.

Канал содержит элементы И 16-20, регистр 21, схему 22 сравнения, элемент ИЛИ 23, накапливающий сумматор 24, шинный формирователь 25, входы 26-31 управления, из которых входы 26-29 подключены к шине 15 управления. Кроме того, в состав канала входит вычитатель 32.

В качестве датчика 1 температуры могут быть использованы, например, термопара, диод, транзистор, в качестве АЦП 2 - цифровой вольтметр следящего уравновешивания. Лля пост-1 роения коммутатора 8 могут использоваться микросхемы селекторов-мультиплексоров,- например, К155КР2 с использованием только двух каналов из четырех имеющихся, К531 КПП и др. Количество микросхем определяется требуемой разрядностью коммутатора 8. ,Шинный формирователь 3 и шинные фор5 1мирователи 25 каналов 10 интегрирования используются для передачи информации, поступающей на первые и вторые входы шинных формирователей 25 и 3, в блок.k индикации через шину 14. Причем к входам блока 4 индикации подключаются выходы только того шинного формирователя, на управляющий вход которого поступает сигнал разрешения с выхода дешифра5 тора 9. Выходы остальных шинных формирователей сЗ и 25 находятся в высо- коимпедансном состоянии, В качестве формирователей 3 и 25 можно использовать микросхемы шинных формирователей с высокоимпедансным состоянием на выходах.

0

0

0

Согласно одному из возможных вариантов реализации блок 11 управления состоит из генераторов 33 тактовых импульсов, элемента И З1, счетчика 35, переключателей 36 и 37. групп переключателей 38 - 40, а также элемента 41 задержки.

В цифровом термометре выход датчика 1 температуры подключен к входу АЦП 2, выходы которого подключены к первой группе входов шинного фор- мирователя 3 и к группе входов накапливающего сумматора 6, подключенного входом обнуления к выходу элемента 5 задержки и к входу 31 каналов 10 интегрирования, а вход разрешения суммирования сумматора 6 подключен к выходу элемента И 3 и счетному входу счетчика 35 блока 11 управления. Выходы накапливающего сумматора 6 подключены к входам регистра 7, подключенного входом записи к входу элемента 5 задержки и к выходу элемента k задержки, вход которого связан в блоке 11 управления с выходом переполнения счетчика 35.

Выходы регистра 7 подключены к первой группе входов коммутатора 8, вторая группа входов которого через шину 12 соединена с выходами группы переключателей 38 блока 11 управления и с первыми группами входов каналов 10 интегрирования. Вход управления коммутатора 8 подключен к выходу переключателя 37 блока 11 управления, Шина 15 управления соединяет выходы группы переключателей 39 блока 11 управления с вторыми группами входов каналов 10 интегрирования. Выходы группы переключателей 0 блока 11 управления подключены к входам дешифратора Э, подключенного выходами соответственно к управляющему входу шинного формирователя 3 и к входам выбора 30 каналов 10 интегрирования. Выходы коммутатора 8 через шину 13 подключены к второй группе входов шинного формирователя 3 и к третьим группам входов каналов 10 интегрирования, объединенных через шину k своими выходами с выходами шинного формирователя 3 ии подключенных к вводам блока k индикации ,

В блоке 11 управления выход генератора 33 тактовых импульсов подключен к первому входу элемента И 3 подключенного вторым входом к выходу переключателя 36, Выходами переключателей являются выводы подвижных контактов, а выводы неподвижных контактов этих переключателей подключены к выводам с единичным и нуле вым сигналами, обозначенными на чертеже 1 и О соответственно Сует}

0

5

0

5

ройства противодребезговой защиты контактов переключателей БУ11 не показаны) ,

В канале 10 интегрирования (фиг.2) входы первой группы 12 соединены с информационными входами регистра 21, выходы которого подключены к первым входам схемы 22 сравнения, к входам вычитаемого вычитателя 32 и к первой группе входов шинного формирователя 25 подключенного второй группой входов к выходам накапливающего сумматора 2k, Выход схемы 22 сравнения соединен с первым входом элемента И 16, входы 26-29 управления, являющиеся второй группой входов канала 10 и образующие шину 15, соединены с первыми входами элементов И соответственно. Вторые входы элементов И 17-20 соединены с входом 30 выбора канала интегрирования и с управляющим входом шинного формирователя 25. Вход 31 подключен к первому входу элемента ИЛИ 23. Входы 13, являющиеся входами третьей группы, соединены с входами уменьшаемого вычитателя 32 и соединены с вторыми входами схемы 22 управления. Входы записи и сброса регистра 21 подключены соответственно к выходам элементов И 17 и 18, Выходы вычитателя 32 подключены к группе входов накапливающего сумматора 24, вход разрешения суммирования которого подключен к выходу элемента И 16, соединенного вторым входом с выходом ИЛИ 23 второй вход которого подключен к выходу элемента И 19. Выход элемента И 20 соединен с входом обнуления накапливающего сумматора ® 2k, Выходы шинного формирователя 25 являются выходами 12,

Накапливающий сумматор (фиг, 3) содержит комбинационный сумматор k2t выходы которого подключены к инфор- мационным входам регистра 3( выходы которого являются выходами накапливающего сумматора. Информационные входы накапливающего сумматора связаны с первыми входами сумматора k2t 9 вторые входы которого подключены к выходам регистра 3t вход разрешения суммирования связан с входом записи регистра k3t а вход обнуления - с входом сброса регистра 43,

0

5

5

Сигналы на временных диаграммах (фиг,) обозначены номерами тех эле ментов термометра, на выходах которых они образуются; Тг - период еле

дования импульсов генератора 33, Ъс, С 41 задержки распространения сигналов в элементах 5 и М соответственно.

Рассмотрим работу цифрового термометра, который позволяет:

измерять и отображать блоком k индикации текущее значение температуры;

на заданном интервале времени определять и отображать среднее знамение температуры;

определять и отображать эффективные значения температуры с учетом заданных пороговых значений температуры.

Измерение текущей температуры происходит следующим образом.

Группой переключателей 40 блока 1 управления на входах дешифратора 9 устанавливается код, по которому дешифратор 9 вырабатывает на первом своем выходе сигнал, поступающий на управляющий вход формирователя 3. Эт приводит к тому, что формирователь 3 разрешает прохождение информации со своих входов первой и второй группы на соответствующие входы блока k индикации. При этом нулевые сигналы с остальных выходов дешифратора 9, поступающие через входы 30 каналов 10 на управляющие входы формирователей 25 каналов 1C, переводят выходы этих формирователей в высокоимпе- дансное состояние, запрещающее про- хождение информации через формирователи 25. Напряжение с датчика 1, соответствующее измеряемой температуре, поступает на ЛЦП 2, который преобразует это напряжение в цифровой код. Информация с АЦП 2 поступает на входы первой группы формиро вателя 3. С выходов формирователя 3 информация о текущем значении температуры поступает на блок k индика- ции, где и отображается.

Следует отметить, что при этом блоком k индикации отображается также информация, поступающая с выходов коммутатора 8 через шину 13 на вторую группу входов формирователя 3. Этой информацией, в зависимости от положения переключателя 37, может быть или код с выходов регистра 7| поступающий на первые входы коммутатора 8, или код, набранный переключателями 38 группы, поступаю0

j

0 5 « 5 5

0

0

5

щий на вторые входы коммутатора 8 через шину 12,

Определение средней температуры на заданном интервале времени производится с помощью накапливающего сумматора 6, /1ля определения средней температуры переключателем 36 на первый вход элемента И подается единичный сигнал. Элемент И 34 открывается и пропускает импульсы генератора 33 на вход разрешения суммирования сумматора 6 и на счетный вход счетчика 35, на выходе переполнения которого формируется сигнал, который через элемент 41 задеожки поступает на вход записи регистра 7 и через элемент 5 задержки на вход обнуления сумматора 6. Задержка Ј$ необходима для того, чтобы обнуление сумматора 6 происходило после записи информации о средней температуре из сумматора 6 в регистр 7. Задержка Ј4, необходима для того, чтобы запись в регистр 7 произошла после суммирования значения текущей температуры в сумматоре 6, а не в момент изменения информации на выходах сумматора 6 после очередного суммирования; Эти сигналы показаны на временной диаграмме на фиг,4, Интервал времени Т, для которого находится средняя температура, определяется, из соотношения Т Tr- , где m - разрядность двоичного счетчика 35. Интервал времени Т разбивается импульсами генератора 33 на 2т равных участков, на каждом из которых значение текущей температуры считывается из АЦП 2 в -накапливающий сумматор 6 по импульсам с элемента И 3k. Эти значения суммируются. Средняя температура t°- является среднеарифметическим из этих значений. Она определяется после 2т cyм ирований считыванием в регистр 7 со старших разрядов сумматора 6 по сигналу переполнения счетчика 35, поступающему на вход записи регистра 7 через элемент 41 задержки. Считывание старших разрядов сумматора без учета m младших разрядов соответствует сдвигу

информации на ш разрядов вправо, что равнозначно делению полученной суммы на 2т, Результат такого считывания и является среднеарифметическим значением температуры на интервале времени Т, Значение средней температуры из регистра 7 может поступать

11

через коммутатор 8 на шину 13 для отображения блоком k и для дальнейшего преобразования в каналы 10 интегрирования.

Рассмотрим определение эффектна- ной температуры.

Сначала в регистры 21 каналов 10 заносится N пороговых значений температуры, Это происходит следующим образом. Переключателями 38 устанавливается пороговое значение температуры 3{, а переключателями kG - номер канала, в который это значение надо занести, При этом на выходе дешифратора 9, связанного с входом 30 соответствующего канала,появляется единичный сигнал, который поступает на вторые входы элементов И 17-20 и на управляющий вход форми- рователя 25 выбранного канала 10, С этого момента блока k индикации через формирователь 25 этого канала отображается информация с регистра 21 и накапливающего сумматора 2k, Запись значений а в регистр 21 осуществляется по импульсу, поступающему через элемент И 17 на вход запис регистра 21 от соответствующего переключателя (кнопки) группы 39 блока 11 управления.

Следует отметить, что хотя сигналы о значении a с переключателей группы 38 поданы на информационные входы регистров 21 других каналов 10, запись в эти регистры не произ- водится, так как на входы 30 этих каналов с дешифратора 9 подаются нулевые сигналы, запрещающие прохождение сигнала записи в регистр 21 через элемент И 17, Аналогичным спо- собом осуществляется запись пороговы значений температуры а т ан в остальные каналы.

Перед началом определения эффективной температуры необходимо обну- лить накапливающие сумматоры 2k каналов 10, Для этого поочередно с помощью переключателей 0 группы набираются номера каналов 10, в результате чего с входов дешифратора 9 по- очередно подаются единичные сигналы на входы 30 каналов 10, а соответствующим переключателем (кнопкой) 39 группы на входы обнуления сумматоров 2k через открытый элемент И 20 подаются импульсные сигналы, поочерено обнуляющие сумматоры 2 каналов 10, Цифровой термометр готов для определения эффективных температур.

5

1

Q 0 5

82 -12

Так как измерение текущей температуры и определение средних значений температуры описано выше, то остановится на определении эффективной температуры в каналах 10, Среднее значение температуры, полученное сумматором 6, записанное в регистр 7, через коммутатор 8 поступает на выходы 13 каналов 10, где сравнивается в схемах 22 сравнения с соответствующими пороговыми значениями а: из регистров 21, Кроме того, среднее значение tcp в каждом канале уменьшается в вычитателе 32 на величину порогового значения а:, а разность с выходов вычитателя 32 поступает на входы сумматора 2, В случае если а (где j - номер канала), на выходе схемы сравнения формируется единичный сигнал, открывающий элемент И 16. Это позволяет сигналу с выхода элемента 5 задержки через вход 31 канала 10.J, второй вход элемента ИЛИ 23 и элементы И 16 поступить на вход разрешения суммирования сумматора 2k. Определение эффективной температуры для разных пороговых значений aj (j 1, 2,,.,, N) происходит одновременно во всех каналах один раз в интервал времени Т по сигналу с выхода счетчика 35, задержанного элементами k1 и 5 задержки.

Задержка сигнала вводится для того, чтобы сигнал разрешения суммирования на накапливающие сумматоры 2k поступал после смены информации в регистре 7. При этом следует учесть задержку распространения сигнала среднего значения температуры в коммутаторе 8, в вычитателе 32 и в схеме 22 сравнения, Значения эффективной температуры, получаемые в сумматорах 2k, можно отобразить, поочередно набирая переключателем kO группы номера каналов. При этом блоком k поочередно для каждого канала 10 отображаются значения эффективной температуры совместно с соответствующим пороговым значением температуры.

Кроме того, в цифровом термометре имеется возможность для контроля прохождения информации через каналы 10 интегрирования, В режиме контроля пе реключатель 37 устанавливается в положение, когда с его подвижного контакта снимается сигнал, поступающий на вход управления коммутатора 8,

который коммутирует шину 12 с шиной 13, отключая от последней выходы регистра 7. Переключателями 38 группы на шину 12 и, следовательно, на входы 13 каналов 10 можно подать про извольные коды, имитирующие среднюю температуру. После выбора соответствующего канала на блоке А индикации можно увидеть пороговое значение, записанное в регистре 21 этого канала, и содержимое сумматора 2k. Подавая импульсный сигнал с соответствующего переключателя (кнопки) 39 группы на вход 28, имитируем поступление сигнала на вход 31. Сигнал с входа 28 этого канала проходит через элемент И 19, открытый сигналом с со ответствующего выхода дешифратора 9, и элемент ИЛИ 23 на второй вход элемента И 16. В случае если значение, имитирующее среднюю температуру„боль ше соответствующего порогового значения, этот сигнал поступает на вход разрешения суммирования сумматора 2k который увеличивает свое содержимое на величину разницы между имитируемой информацией и пороговым значением, что и отображается блоком 4, В случае если значение, имитирующее среднюю температуру, меньше порогового, этого не происходит.

Это подтверждает работоспособность канала, С помощью этой процедуры можно записать в сумматор 2k выбранного канала произвольное число, набранное на переключателях 38, предварительно записав в регистр 21 этого канала нулевое число. Обнуление регистра 21 выбранного канала можно осуществить подачей импульса с соответствующего переключателя группы 39 на входы 27 каналов 10, Этот импульс пройдет на вход обнуления регистра 21 выбранного канала через открытый элемент И 18,

Таким образом, предлагаемый цифровой термометр позволяет измерять эффективную температуру в сельскохозяйственном производстве при уходе за растениями,

Формула изобретения

1, Цифровой термометр, содержащий датчик температуры, элемент задержки, подключенный выходом к входу обнуления накапливающего сумматора, блок индикации и регистр, подключенный выходами к первой группе вхо10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

дов коммутатора, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения возможности измерения эффективной температуры, в него введены аналого-цифровой преобразователь, подключенный входом к выходу датчика температуры, дешифратор, блок управления ,п каналов интегрирования и шинный формирователь, первой группой входов подключенный к выходам аналого-цифрового преобразователя и группе входов накапливающего сумматора, соединенного входом разрешения суммирования с первым выходом блока управления, подключенного вторым выходом к входу элемента задержки и входу записи регистра, подключенного входами к выходам накапливающего сумматора, третий выход блока управления соединен с входом управления коммутатора, вторая группа входов которого соединена с первой группой выходов блока управления и подключена к первым группам входов каждого ка- нала интегрирования, вторые группы входов которых объединены и подключены к второй группе выходов блока управления, подключенного третьей группой выходов к входам дешифрато- ра, подключенного выходами соответ- ств.енно к управляющему входу шинного формирователя и к первым входам каналов интегрирования, вторые входы которых объединены и лодкпючены к выходу элемента задержки, третьи группы входов каналов интегрирования объединены.и подключены к выходам коммутатора и второй группе входов шинного формирователя, объединенного выходами с выходами каналов интегрирования и подключенного к блоку индикации,

2. Термометр по п, 1, о т л и - чающийся тем, что каналы интегрирования содержат первый, второй, третий, четвертый и пятый элементы И, регистр, вычитатель, схему сравнения, элемент ИЛИ, накапливающий сумматор, шинный формирователь, . при этом первая группа входов канала интегрирования соединена с входами регистра, выходы которого подключены к первым входам схемы сравнения, к входам вычитаемого вычитателя и к первым входам шинного формирователя, подключенного вторыми входами к вы15

ходам накапливающего сумматора, выход схемы сравнения соединен с первым выходом элемента И, входы управления каналов интегрирования соединены с первыми входами второго, третьего, четвертого и пятого элементов И, вторые входы которых соеди нены с третьим входом выбора канала интегрирования и с управляющим входом шинного формирователя, четвертый вход канала интегрирования подключен к первому входу элемента ИЛИ, пятые входы канала интегрирования соединены с входами уменьшаемого вычита- теля и с вторыми входами схемы сравнения, входы записи и сброса регист32182 16

ра подключены соответственно к выходам второго и третьего элементов И, выходы вычитателя подключены к информационным входам накапливающего сумматора, вход разрешения суммирования которого подключен к выходу первого элемента И, соединенного вторым входом с выходом элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу четвертого элемента И, а выход пятого элемента И соединен с входом обнуления накапливающего сумматора, выходы шинного формирователя являются выходами канала интегрирования .

10

15

Изобретение относится к термо- метрии и позволяет расширить функциональные возможности цифрового термометра за счет обеспечения воз- .можности измерения эффективной температуры. Для определения эффективной температуры в регистры каналов 10 заносятся пороговые значения температур и обнуляются одни накапливающие сумматоры. Среднее значение температуры, полученное другим сумматором и записанное в регистр 7, через коммутатор 8 поступает на выходы каналов 10, где сравнивается с пороговыми значениями. По результа

ТГ

гв.

Я

3ЈJ-гЧ1

30

ЗТ

Фые Ь

32

гЧ1 Г

М73

Фиг. г

33

Jr,

ТП I I I i i i i и i i I i i i i i

34MM И M I И I I II MJ

Фиг. 4