Цифровой измеритель температуры Советский патент 1992 года по МПК G01K7/16 

NИ

Изобретение относится к области температурных измерений, а именно к цифровым измерителям температуры и может быть использовано в измерительной технике в системах автоматического регулирования и контроля. Цель изобретения - упрощение схемного решения путем сокращения количества задающих источников, Сущность изобретения: цифровой измеритель температуры содержит источник 1 напряжения, платиновый датчик 2 температуры, эталонный резистор 3, согласующий каскад 4, нормировочный резистор 5, блок 6 коммутации, интегратор 7, компаратор 8, блок 9 управления, генератор 10 тактовых импульсов, счетчик 11 импульсов. 3 ил

Изобретение относится к области температурных измерений, а именно к цифровым измерителям температуры, и может быть использовано в измерительной технике в системах автоматического регулирования и контроля.

Известны измерители температуры, работающие на принципе двойного интегрирования и содержащие термометр сопротивления, подключенный к первому входу операционного усилителя, к выходу которого подсоединены включенные последовательно интегратор, нуль-орган, блок управления и счетчик импульсов. Кроме того, измеритель содержит генератор счетных импульсов, подключенный к блоку управления, и два источника тока, соединенные с двумя двухпозиционными переключателями, связанными с блоком управления, причем во втором такте используется функциональный генератор.

Недостатком известного устройства является его сложность, вызванная наличием функционального генератора, погрешность и нестабильность которого обуславливает погрешность и нестабильность измерителя

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является цифровой измеритель температуры, содержащий эталонный резистор, включенный между вторым входом и выходом операционного усилителя, термометр сопротивления, подключенный к первому входу операционного усилителя, к выходу которого подсоединены включенные последовательно интегратор, нуль-орган, блок управления и счетчик импульсов, генератор счетных импульсов, под- ключенный к блоку управления, два

VI

О СП

:

ю

источника тока, соединенные с двумя двух- позиционными переключателями, причем первые позиции переключателей соединены соответственно с термометром сопротивления и эталонным резистором, а вторые позиции - соответственно с эталонным резистором и термометром сопротивления.

Недостатком данного устройства является наличие двух источников тока, погрешность и нестабильность которых обуславливает допол- нительную погрешность и нестабильность температуры.

Целью изобретения является упрощение схемного решения цифрового измерителя температуры путем сокращения количества задающих источников, сниже- ние требований к ним по точности и стабильности, т.е. сокращение оборудования и повышение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что в цифровой измеритель температуры, содер- жащий температурный датчик, включенный между общей шиной и входом согласующего каскада, эталонный резистор, блок коммутации в виде двух ключей, первый управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, последовательно соединенные интегратор и компаратор, выход которого подключен к первому входу блока управления, второй вход которого соединен с выходом генера- тора импульсов, а третий выход - со счетным входом счетчика импульсов, введены источник напряжения, первый выход которого подключен к входу согласующего каскада, а второй выход - через эталонный резистор к общей шине, и нормировочный резистор, а блок коммутации выполнен в виде трех ключей, управляющие входы первого и второго из которых являются первым управляющим входом блока коммутации, вторым управляющим входом которого является управляющий вход третьего ключа, при этом выход согласующего каскада соединен через первый ключ блока коммутации с первым входом интегратора, второй выход источника напряжения соединен с вторым входом интегратора через второй ключ блока коммутации, а также через нормировоч- ный резистор и третий ключ блока коммутации, второй управляющий вход ко- торого подключен к второму выходу блока управления, четвертый выход которого соединен с входом сброса счетчика импульсов.

При этом блок управления содержит счетчик, выход разряда которого под- ключей к входу С триггера и к входу инвертора, выход которого подключен к первому выходу блока управления и к первому входу первой схемы 2И, второй вход которой подключен к выходу По разряда счетчика, а выход - к входу дифференцирующего звена, выход которого подключен к четвертому выходу блока управления, третий выход которого подключен к выходу второй схемы 2И, первый вход которой подключен к второму выходу блока управления и выходу триггера, вход R которого соединен с входом R счетчика и первым входом блока управления, второй вход которого подключен к входу V счетчика и второму входу второй схемы 2И.

На фиг. 1 приведена функциональная схема цифрового измерителя температуры; на фиг. 2 - временная диаграмма работы; на фиг. 3 - схема блока управления.

Цифровой измеритель температуры содержит источник напряжения 1, платиновый датчик температуры 2, эталонный резистор 3, согласующий каскад 4, нормировочный резистор 5, блок коммутации 6, интегратор 7, компаратор 8, блок управления 9, генератор тактовых импульсов 10, счетчик импульсов 11.

Работа измерителя происходит следующим образом. В момент времени to по сигналу управления от блока управления 9 замыкаются ключи 1, 2 блока коммутации 6 (ключ 3 - разомкнут) и на вход 1 интегратора 7 через согласующий каскад 4 поступает

а на вход 2 напряжение Ux

RX + Кэ

напряжение Ui -1)и

R3

где ии Rx+Rs

величина напряжения источника 1; Rx - величина сопротивления датчика температуры 2; Ra - величина сопротивления эталонного резистора 3,

В течение фиксированного интервала времени At ti - to, величина которого задается блоком управления 9, напряжение на выходе интегратора будет изменяться по закону

ИНТ

Uo-5 /Uxdt ТТТС

1

to

RaC

/

to

Uidt, (1)

где Ri, Ra - сопротивление интегратора по входам 1 и 2;

С - емкость интегратора;

Do начальное напряжение на выходе интегратора.

Т.к. начальное напряжение U0 на выходе интегратора равно 0, напряжение на выходе интегратора в момент времени ti будет

равно UHHTNHJHf -r ., I, Кэ . At

UMRX + R3 (2)

В момент времени ti ключи 1 и 2 блока коммутации 6 размыкаются, ключ 3 по сигналу блока управления 9 замыкается. В этот же момент времени блок управления 9 раз- peuiaWcVe f импульсов счетчику 11 от гене- ратбра тактовых импульсов 10.5

Напряжение на выходе интегратора будет изменяться по закону

- vt О

тСн

Uldt (3)

„ f i HG x , - - t

где Рз - величина нормировочного резистора 5. При достижении на выходе интегратора йапряжёния UMHT 0 (момент времени 12) компаратор 8 срабатывает, блок управления 9 запрещает счет импульсов счетчику 11. Ключ 3 блока коммутации б размыкается, ключи 1, 2 замыкаются, и начинается новый цикл преобразования.

В момент времени t2 напряжение иИнт (t2) на выходе интегратора будет равно

IR)C 0. (4)

Подставив значение UMHT(ti) и обозначив t2 - ti Atx, получим

11 Rx At ,, R3 At

и Rx i Ra RiC и Rx + R3 R2C

+ | R3Atx

MRx+Rs ( R2 + R3)C

Отсюда

0 . (5)

A -(-i)(i+|)At.

(б)

Учитывая, что Rx Ro(1 + а Т) (влияние нелинейной составляющей для платиновых датчиков несущественно и им можно пренебречь), выражение примет следующий вид:

Atx4R 1R3+g R2-1(1+|)At. (7)

где RO - сопротивление датчика при температуре 0°С, а. - температурный коэффици- 50 ент, Т - температура

При R2 Ri R, RO Rs получим:

Atx

ОТ(1 + ) At.

(8)

Количество импульсов N, цифровой код, соответствующий температуре Т, будет равен

N

Atx

Гги

(9)

где г™ - период следования сигналов генератора импульсов 10. Учитывая, что At По Гги(Ю)

где По - фиксированное число, определяемое диапазоном и точностью измерения температуры, и соотношение (8), выражение (9) будет иметь вид:

N- а(1 + - )п0Т.

, 0, I ., -, R3

(11)

Обозначив сг(1 + -) По к, получим

N kT.

(12)

Наличие нормировочного резистора 5 (величиной Нз) позволяет изменять коэффициент преобразования, что дает возможность производить измерение температуры в единицах измерения, т.е. в °С.

Блок управления (фиг. 3) работает следующим образом: в момент времени to по сигналу с компаратора 8 происходит обнуление счетчика 12 и перевод триггера 13 в нулевое состояние, через инвертор 14 на первом выходе блока управления появляется сигнал, замыкающий ключи Кл1, Кл2 блока коммутации 6 (ключ КлЗ блока коммутации размыкается, т.к. второй выход блока управления соединен с выходом триггера 13, который находится в нулевом состоянии). Сигналы от генератора импульсов 10 не поступают на третий выход блока управления и соответственно на счетный вход счетчика 11.

Счетчик 12 начинает работать по заднему фронту импульсов генератора импульсов 10.

,,ti - to По

Через время на выходе

п0 разряда счетчика 12 появляется сигнал логической единицы, который через схему 2И 15 поступает на дифференцирующее звено 17, далее на четвертый выход блока управления и обнуляет счетчик 11

Через время At TI - to п0тГи на п0 + 1-м разряде счетчика 12 появляется сигнал, который, проинвертировавшись через инвертор 14, размыкает ключи Кл1, Кл2 Сигнал с п0 +1 разряда счетчика 12 поступает также на вход триггера 13 и переводит его в единичное состояние. При этом ключ КлЗ замыкается, и через схему 2И 16 разрешается прохождение сигналов генератора импульсов на счетный вход счетчика 11

В момент времени t2 на счетчик 12 и триггер 13 приходит сигнал с компаратора 8, который обнуляет счетчик и триггер, что приводит к замыканию ключей Кл1, Кл2, размыканию ключа КлЗ и запрету прохождения сигналов с генератора 10 импульсов на счетчик 11, и цикл работы повторяется.

Таким образом, данное устройство, работающее по методу двойного интегрирования, позволяет производить измерение температуры с использованием одного задающего источника, причем к источнику напряжения нет необходимости выдвигать высокие требования по точности и стабильности, т.к. величина напряжения не входит в формулу преобразования и влияния на точность преобразования не оказывает.

Формула изобретения

Цифровой измеритель температуры, содержащий температурный датчик, включен- ный между общей шиной и входом согласующего каскада, эталонный резистор, блок коммутации в виде двух ключей, первый управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, последовательно соединенные интегратор и компаратор, выход которого подключен к

первому входу блока управления, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а третий выход - с счетным входом счетчика импульсов, отличающий- с я тем, что, с целью упрощения устройства и повышения точности, в него введены источник напряжения, первый выход которого подключен к входу согласующего каскада, а второй выход - через эталонный резистор к общей шине, и нормировочный резистор, а блок коммутации выполнен в виде трех ключей, управляющие входы первого и второго из которых являются первым управляющим входом блока коммутации, вторым управляющим входом которого является управляющий вход третьего ключа, при этом выход согласующего каскада соединен через первый ключ блока коммутации с первым входом интегратора, второй выход источника напряжения соединен с вторым входом интегратора через второй ключ блока коммутации, а также через нормировочный резистор и третий ключ блока коммутации, второй управляющий вход которого подключен к второму выходу блока управления, четвертый выход которого соединен с входом сброса счетчика импульсов.