Цифровой термометр Советский патент 1992 года по МПК G01K5/62 

Фиг. 2

Изобретение относится к технике измерений характеристик окружающей среды и может быть использовано в составе цифровых систем сбора метеорологической информации или систем управления технологическими процессами, характер протекания которых зависит от температуры воздуха.

Известен биметаллический термометр, содержащий биметаллическую спираль, размещенную внутри корпуса, основанием которого служит магнит, а к центральному витку спирали присоединена стрелка, расположенная между циферблатом и защитным стеклом,

Однако обработка результатов измерения термометра с биметаллической спиралью для ввода в ЭВМ требует много времени, так как информация должна быть представлена в дискретном кодированном виде.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является термометр, содержащий биметаллическую спираль, внутренним концом жестко прикрепленную к стержню с зафиксированным на нем диском. Стержень крепится с помощью растяжек к обойме, которая служит каркасом Растяжки с помощью пружин прикреплены к обойме. На кодовой дорожке диска установлены бесконтактные датчики, выходные сигналы которых образуют параллельный код, содержащий информацию о температуре. Для визуального отсчета температуры в термометре имеется шкала.

Известный термометр применяется как первичный датчик температуры для ввода этих значений в ЭВМ Самостоятельного применения этот термометр не имеет. В связи с высокой стоимостью ЭВМ экономически оправдано только массовое применение описанных термометров, сосредоточенных в одном месте, локализованных в ограниченном объеме (цех, складское помещение). При необходимости применения этих термометров в системах сбора информации или системах управления технологическими процессами, имеющих протяженные размеры, например системы орошения, стоимость линий связи становится соизмеримой со стоимостью ЭВМ, а стоимость одного измерения температуры еще выше. Кроме того, известный термометр без применения ЭВМ, не может измеря-. ь температуру (исключая шкалу визуального отсчета).

Цель изобретения - повышение точности измерений и уменьшение времени измерения температуры, а также устранение избыточности круговой кодовой шкалы.

Поставленная цель достигается тем, ,что в цифровой термометр, включающий корпус с биметаллическим датчиком температуры, круговую кодовую шкалу и неподвижно установленные относительно круговой кодовой шкалы элементы считывания кода, введена многоканальная система цифровой обработки сигналов датчика, включающая в себя таймер, последовательно соединенные

0 многоканальный усилитель-формирователь и преобразователь (многоканальный) код Грея - двоичный код, разрядные выходы которого соединены с разрядными входами запоминающего блока, связанного сво5 ими разрядными выходами через многоканальный преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный с входами многоканального блока индикации, а выход таймера подключен к входу Разрешение

0 записи запоминающего блока, а датчик температуры выполнен состоящим из трех одинаковых биметаллических спиралей Архимеда, установленных горизонтально и параллельно с зазорами друг относительно

5 друга, внутренние концы спиралей жестко закреплены на оси и равномерно расположены по ее окружности, ось выполнена в виде двух трубок и одни их торцы укреплены в корпусе, имеющем опоры, в которых уста0 новлены концы дополнительной подвижной оси, размещенной внутри оси в виде трубок, кодовая шкала установлена в зазоре между другими торцами оси в виде двух трубок, жестко связана с подвижной осью и шар5 нирно с внешними концами биметаллических спиралей, размещенных равномерно по окружности круговой кодовой шкалы, а элементы считывания кода своими выходами соединены с входами системы обработки

0 сигналов датчика температуры, с которыми также соединены входы многоканального усилителя-формирователя.

Кроме того, круговая кодовая шкала цифрового термометра выполнена в виде

5 круговых кодовых дорожек, каждая кодовая дорожка выполнена состоящей из разрядных кодовых дорожек, каждая из которых связана с соответствующим элементом считывания кода, а количество L и 111 соответ0 ственно круговых кодовых и разрядных кодовых дорожек определяется из соотношений:

i - а |092N. т 2л. L t 111 - ,

5

2лa

где о. - угол максимального поворота кодовой шкалы, рад.;

N - количество уровней дискретизации диапазона измерения температуры.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого цифрового термометра; на фиг. 2 - схема датчика температуры цифрового термометра; на фиг. 3 - схема круговой шкалы датчика температуры.

Цифровой термометр выполнен в виде датчика 1 температуры, разрядные выходы которого соединены с многоканальным усилителем-формирователем 2 логических двоичных единиц, выходы которого подключены к многоканальному преобразователю 3 код Грея - двоичный код. Разрядные выходы многоканального преобразователя 3 код Грея - двоичный код соединены с разрядными входами запоминающего блока 4. Разрядные выходы запоминающего блока 4 соединены с разрядными входами многоканального преобразователя 5 двоичного кода в двоично-десятичный. Разрядные выходы многоканального преобразователя 5 двоичного кода в двоично-десятичный соединены с разрядными входами многоканального блока б индикации. Таймер 7 соединен своим выходом с входом Разрешение записи запоминающего блока 4.

Датчик 1 температуры выполнен в виде трех идентичных биметаллических спиралей Архимеда 8. Указанные спирали Архимеда 8 расположены друг над другом горизонтально в параллельных плоскостях с зазорами между собой по высоте. Внутренние концы биметаллических спиралей Архимеда 8 жестко соединены с осью 9 в виде двух трубок, причем указанные внутренние концы спиралей Архимеда 8 расположены равномерно по ее окружности, т.е. разнесены в пространстве на угол 120о. Внутри оси 9 в виде двух трубок расположена укрепленная на опорах дополнительная подвижная ось 10, На подвижной оси 10, имеющей свободу вращения в горизонтальной плоскости, укреплена и жестко связана с ней круговая шкала 11. Через равные промежутки вдоль окружности круговой кодовой шкалы 11 с помощью осей 12с круговой кодовой, шкалой 11 шарнирно соединены внешние концы биметаллических спиралей 8. Ось 9 выполнена в виде двух трубок, причем одни их торцы укреплены в корпусе 14, имеющем опоры, в которых установлены концы дополнительной подвижной оси 10. Круговая кодовая шкала 11 установлена в зазоре между другими торцами оси 9 в виде двух трубок. Элементы 13 считывания кода расположены неподвижно относительно круговой шкалы 11 над ее кодовыми дорожками. Выходы элементов 13 считывания кода соединены с входами многоканального усилителя-формирователя 2 логических двоичных единиц. Выходы многоканального усилителя-формирователя 2 соединены с входами многоканального преобразователя 3 код Грея - двоичный код. Разрядные выходы многоканального преобразователя 3 код

Грея - двоичный код соединены с разрядными входами запоминающего блока 4. Конструктивно все з.лементы конструкции датчика 1 температуры ра.змещены в корпусе 14.

0Круговая кодовая шкала 11 состоит из

двух круговых кодовых дорожек 15 и 16, а каждая круговая дорожка состоит из трех разрядных кодовых дорожек, т.е. круговая дорожка 15 состоит из разрядных кодовых

5 дорожек 17-19, являющихся кодовыми дорожками первого, второго и третьего разрядов соответственно, а круговая кодовая дорожка 16 состоит из разрядных кодовых дорожек 20-22, являющихся разрядными

0 кодовыми дорожками четвертого, пятого и шестого разрядов соответственно. ад каждой из разрядных кодовых дорожек, т.е. над каждой из дорожек 17-22, располагается элемент 13 считывания кода. Шесть злемен5 тов 13 считывания кода снимают информацию с разрядных кодовых дорожек и образуют первичную кодовую комбинацию цифровых сигналов измеряемой температуры в коде Грея.

0 Цифровой термометр работает следующим образом.

Информационные сигналы с датчика 1 температуры поступают на входы многоканального усилителя-формирователя 2 логи5 ческих двоичных единиц. На выходах многоканального усилите л я-формирователя 2 логических двоичных единиц формируются сигналы из стандартных логических двоичных единиц и нулей, образующих ко0 довую комбинацию измеряемой в данный момент температуры, Для уменьшения ошибки при считывании кода температуры в датчике 1 температуры применен код Грея. На разрядных входах многоканально5 го преобразователя 3 код Грея - двоичный код после преобразования кода Грея в обычный двоичный код формируется цифровой сигнал в двоичном коде. Сформированная таким образом кодовая комбинация двоич0 ных единиц и нулей подается на разрядные входы запоминающего блока 4. После поступления разрешающего сигнала, который вырабатывается таймером 7, с выхода таймера 7 на вход Разрешение записи

5 запоминающего блока 4 происходит запись указанной кодовой комбинации двоичных единиц и нулей в запоминающем блоке 4. После записи в запоминающем блоке 4 описываемая кодовая комбинация двоичных единиц и нулей будет представлена на

разрядных выходах запоминающего блока 4. Эта кодовая комбинация поступает на разрядные входы многоканального преобразователя 5 двоичного кода в двоично-де- сятичный и после преобразования поступает на многоканальный блок 6 индикации.

Термочувствительными элементами датчика 1 температуры являются три идентичные биметаллические спирали Архимеда 8, которые под действием температуры изменяют свои геометрические размеры (удлиняются при повышении температуры и укорачиваются приуменьшении температуры). Указанные биметаллические спирали Архимеда 8 располагаются горизонтально и параллельно друг другу с зазорами между собой по высоте. Внутренние концы биметаллических спиралей 8 жестко соединены с неподвижной вертикальной осью 9 и равномерно расположены по окружности этой неподвижной оси 9. Внешние концы биметаллических спиралей 8 с помощью вспомогательных осей 12 шарнирно соединены с круговой кодовой шкалой 11. Изменение длины биметаллических спиралей 8 вызывает поворот круговой кодовой шкалы 11. Круговая кодовая шкала 11 жестко укреплена на дополнительной подвижной оси 10, имеющей возможность вращения в горизонтальной плоскости. Подвижная ось 10 укреплена на кернах в опорах, расположенных на корпусе 14. Над кодовыми дорожками круговой кодовой шкалы 11 располагаются элементы 13 считывания кода, которые формируют дискретные сигналы двоичных единиц и нулей. Для уменьшения ошибки при считывании кода с круговой кодовой шкалы 11 она выполнена в коде Грея.

Три биметаллические спирали Архимеда 8 выполняют функцию своеобразного стабилизатора положения вертикальной подвижной дополнительной оси 10 и создают необходимое усилие для поворота круговой кодовой шкалы 11. Известно, что линейное удлинение каждой компоненты любой из биметаллических спиралей 8 подчиняется линейному закону

I -lo+ at,

где 1о первоначальная длина компоненты биметаллической спирали 8 в начале измеряемого температурного диапазона;

а- коэффициент линейного расширения компоненты биметаллической спирали 8;

t - значение температуры из диапазона измеряемых температур 1нач t TKOH.

Это приводит к тому, что в выбранном диапазоне измерения температуры Тнач t 1кон шкала предлагаемого цифрового термометра, соответствующая значениям измеряемой температуры, будет линейной. Поэтому точность измерения температуры будет зависеть от количества различных кодовых комбинаций круговой кодовой шкалы 11, приходящегося на один градус измене0 ния температуры во всем диапазоне изменения указанной величины.

Например, для диапазона изменения температуры от 0 до 60°С при N 26 64 кодовых комбинациях круговой кодовой

5 шкалы 11 на 1°С будут приходиться 26/60 64/60 1 кодовая комбинация или точность измерения будет равна 1°С Если требуется точность измерения, равная 0,5°С, то потребуется круговая кодовая шкала 11 с числом

0 N - 27 кодовых комбинаций N 27 64 х 2 128.

Таким образом в цифровом термометре реализуется повышение точности измерения температуры.

5 Уменьшение времени температуры достигается тем, что для получения нового результата измерения достаточно, чтобы на вход запоминающего блока 4 пришел новый разрешающий сигнал от таймера 7, так как

0 цифровой термометр постоянно подключен к сети питания и на разрядных входах запоминающего блока 4 находится кодовая комбинация, соответствующая температуре в данный момент времени. При наличии раз5 решающего сигнала от таймера 7 происходит запись нового значения температуры в запоминающий блок 4, его преобразование в двоично-десятичный код в многоканальном преобразователе 5 двоичного кода в

0 двоично-десятичный и его отображение в многоканальном блоке 6 индикации.

Конструкция датчика 1 температуры выполнена такой, что круговая кодовая шкала 11 поворачивается на подвижной оси 10 на

5 угол менее 360° при верхнем пределе измерения в заданном диапазоне изменения температуры, т.е. подвижная кодовая шкала 11 поворачивается менее чем на один оборот. Поэтому разрядные кодовые дорожки

0 17-22 размещены в пределах равных центральных секторов, центральный угол которых равен углу максимального поворота круговой кодовой шкалы 11, соответствующего наибольшему значению температуры

5 в требуемом диапазоне измерения.

Для измерения агрометеопараметров в течение периода продукционного процесса растений достаточен диапазон температур, равный 0-60°С. В общем случае при выборе дискретизации диапазона измерения температур исходят из того, что количество уровней дискретизации N равно или несколько превышает количество Т градусов Цельсия в диапазоне измерения температуры 2П N Т, где N - количество уровней дискретизации диапазона измерения температуры;

Т - количество градусов Цельсия в диапазоне изменения температуры;

п - количество разрядных кодовых дорожек.

Для диапазона изменения температуры 0-60°С 2 64 60, т.е. дискретизация диапазона измерения должна быть выполнена по 64 уровням.

Тогда для обеспечения заданной дискретизации диапазона изменения температуры потребуется п разрядных кодовых дорожек: п loga 64 6.

Пусть угол максимального поворота кодовой шкалы при изменении температуры в пределах 0-60°С .

Деля длину окружности в угловых единицах на угол максимального поворота, получают число разрядных кодовых дорожек, которое может быть размещено по длине окружности круговой кодовой шкалы

III- 360° - 3

i i

110° или, в общем случае

,., 360° 2л:

|||- . (

а° а

где (f - значение угла максимального поворота круговой кодовой шкалы 11, угл. град.;

а- значение угла максимального поворота круговой кодовой шкалы 11, рад.

Поскольку на круговой кодовой дорожке 15 или 16, охватывающей всюокружность круговой кодовой шкалы 11, размещаются три разрядные кодовые дорожки 17-19 (или 20-22), то число круговых кодовых дорожек

п

2

III 3

В общем случае число круговых кодовых дорожек, размещаемых на круговой кодовой шкале 11,

о° loQ2 N а. Iog2 N

360е

In

где L - число круговых кодовых дорожек;

N - количество уровней дискретизации диапазона измерения температуры;

а° - угол максимального поворота круговой кодовой шкалы, угл. град.;

0

5

0

5

0

5

0

а- угол максимального поворота круговой кодовой шкалы, рад.

Пример. Пусть угол максимального поворота круговой кодовой шкалы предложенного цифрового термометра а- 110°. Диски с кодовыми шкалами обычно выполняют таким образом, что разрядная кодовая дорожка каждого разряда занимает всю длину окружности кодового диска. В случае применения такого кодового диска в предлагаемом цифровом термометре, часть кодовой дорожки каждого разряда будет не использована, так как кодовый диск будет поворачиваться только на угол а 110°. Так, при дискретизации диапазона измерения в N 26 отсчетов будет задействован кодовый диск с шестью дорожками. Но при работе термометра будет использоваться только часть кодового диска, а именно сектор с центральным углом в 110°. так как поворот кодового диска меньше одного оборота вокруг своей оси. Значит, реально будет использоваться не 26 отсчетов, а значительно меньшее, т.е.

NI 360°

N2 а

где а-угол максимального поворота кодового диска заявляемого цифрового термометра;

NI - количество уровней дискретизации диапазона измерения температуры, в данном примере NI 64;

N2 - число уровней дискретизации, реально используемых при традиционном кодовом диске.

Таким образом a- NI

360° или

110x64

N2

N2

360

19.5 20

Для получения требуемого числа отсчетов N2, равного 64, требуется кодовый диск с числом отсчетов Мз, которое находят из соотношения

N3 360°

N2«

Отсюда

N3

или

N3

360° N2 а

360 х 64 110

209.5 210 (отсчетов),

что близко к числу 2 256 или эквивалентно кодовому диску с восемью кодовыми дорожками (восьмиразрядному кодовому диску).

Следовательно, чтобы получить требуемую дискретизацию диапазона измерения при использовании в датчике 1 температуры в качестве круговой кодовой шкалы 11 традиционного кодового диска, требуется кодовый диск с восемью кодовыми дорожками, который по сравнению с предлагаемым кодовым диском обладает значительной информационной избыточностью.

Кроме того, такая избыточность традиционного кодового диска приводит к аппаратурной избыточности, т.е., как видно из приведенного примера, потребуется не б элементов считывания кода, а 8. Это приводит к дальнейшему усложнению схемы предлагаемого цифрового термометра. Увеличение числа кодовых дорожек ведет к увеличению радиальных размеров кодового диска и его массы, что увеличивает нагрузку на подвижную ось датчика температуры предлагаемого цифрового термометра и к увеличению его габаритных и, как следствие, весовых характеристик.

Применение в датчике температуры предлагаемого цифрового термометра кодового диска описанной конструкции устраняет избыточность кодового диска, аппаратурную, избыточность цифрового термометра, уменьшает нагрузку на подвижную ось датчика температуры цифрового термометра, радиальные размеры кодового диска датчика температуры цифрового термометра, а также габаритные размеры и весовые характеристик датчика температуры цифрового термометра.

Предлагаемый цифровой термометр можно использовать в составе системы сбора агрометеорологической информации и системы управления технологическими процессами по температуре воздуха, в частности в составе системы орошения с водосберегающей технологией полива сельскохозяйственных культур.

Формула изобретения 1. Цифровой термометр, содержащий корпус с биметаллическим датчиком температуры, связанным с круговой кодовой шкалой, а также неподвижно установленные относительно кодовой шкалы элементы считывания кода, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени измерения температуры, в него введена многоканальная система цифровой

обработки сигналов датчика, включающая в себя таймер, последовательно соединенные многоканальные усилитель-формирователь и преобразователь код Грея - 5 двоичный код, разрядные выходы которого соединены с разрядными входами запоминающего блока, связанного своими разрядными выходами через многоканальный преобразователь двоичного кода в двоично- 10 десятичный с входами многоканального блока индикации, а выход таймера подключен к входу Разрешение записи запоминающего блока, датчик температуры выполнен состоящим из грех одинаковых 5 биметаллических спиралей Архимеда, установленных горизонтально и параллельно с зазорами друг относительно друга, внутренние концы спиралей жестко закреплены на оси и равномерно расположены по ее 0 окружности, ось выполнена в виде двух трубок и одни их торцы укреплены в корпусе, имеющем опоры, в которых установлены концы дополнительной подвижной оси, размещенной внутри оси в виде трубок, кодо- 5 вал шкала установлена в зазоре между упругими торцами оси в виде двух трубок, жестко связана с подвижной осью и шар- нирно с внешними концами биметаллических спиралей, размещенных равномерно 0 по окружности кодовой шкалы, а элементы считывания кода своими выходами соединены с входами системы обработки сигналов датчика, с которыми также соединены входы многоканального усилителя-формирова- 5 теля.

2. Термометр поп. 1,отличающий- с я тем, что, с целью устранения информационной избыточности кодовой шкалы, кодовая шкала выполнена в виде L круговых 0. кодовых дорожек, каждая кодовая дорожка выполнена состоящей из разрядных кодовых дорожек, каждая из которых связана с соответствующим элементом считывания кода, а количество L и HI соответственно 5 круговых кодовых и разрядных кодовых дорожек определяется из соотношений

a (092 N

L 2я ;

2л- a

где а- угол максимального поворота кодовой шкалы, рад.;

N - количество уровней дискретизации диапазона измерения температуры.

/г ft/К

Использование: приборостроение, системы управления технологическими процессами, Сущность изобретения: термометр содержит датчик температуры, многоканальный усилитель-формирователь, преобразователь код Грея - двоичный код, запоминающий блок, преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный, блок индикации, таймер, биметаллические спирали Архимеда 8, ось 9 в виде двух трубок, подвижную ось 10, кодовую шкалу 11, оси 12, N элементов 13 считывания кода, корпус 14, кодовые дорожки, разрядные кодовые дорожки. Кодовая шкала из кодовых и разрядных кодовых дорожек закреплена на подвижной оси в зазоре между торцами оси в виде двух трубок, жестко укрепленных другими торцами в корпусе. Кодовая шкала шарнирно соединена с внешними концами биметаллических спиралей, внутренние концы спиралей укреплены на оси в виде двух трубок. Элементы считывания кода размещены над кодовыми и разрядными кодовыми дорожками. 1 з.п. ф-лы. 3 ил.

t

Ж 1

л

л

/Г L

Л А/1 I

18

Фиг.З