Цифровой термометр Советский патент 1981 года по МПК G01K7/00 

I

Изобретение относится к температурным измерениям.

По основному авт, св. № 700788 известен цифровой термометр (ЦТ), содержащий термопреобразователь с частотным выходом, соединенный с входом ключа, генератор опорной частоты, соединенный с делителем частоты, блок управления, вход которого соединен с выходом старшего разряда делителя частоты, а выходы соединены соответственно с управляющим входом ключа, генератором опорной частоты и входами установки нуля делителя частоты, тактирующий блок, подключенный к управляющему входу сумматора, ко входам которого подключены выходы преобразователя кодов и стробоскопический блок индикации.

В этом термометре для учета технологического разброса характеристик температурного кварцевого резонатора (ТКР) по номинальной частоте fo и чувствительности S, а также для

учета ра.зброса параметров кварцевых резонаторов (КР) по значению f необходимо применять схемы изменения времени измерения to путем изменения коэффициента деления kg делителя частоты базы времени. Требуемые коэффициенты деления выставляются согласно таблице с паспортной чувствит.ельностью датчика переключателем или посредством коммутации выводов .

10

Недостатком этого термометра является необходимость размещения внутри ЦТ узлов переключения большого числа коммутирующих элементов для предварительной установки счетчика

ts результата и делителя частоты базы времени, что усложняет ручное управление ЦТ и его конструкцию, а также увеличивает возможность случайного переключения коммутирующих элеменXтов. Кроме того, для учета погрешности из-за нелинейности составляющей для ТКР с пьезоэлементом LC среза в диапазоне температур -60 - 3 + 120 С и 0,2-0,3 С осуществляют либо подбор ТКР, у которых температурные коэффициенты второго и третьего порядка противоположны по знаку и равны по модулю, что возможно только теоретически, либо применяют по градуировочным таблицам. Это ведет к неудобствам в эксплуа тации и является источником дополнительных случайных ошибок. ЦелЪ изобретения - повышение точности измерения путем устранения ошибки в результатах отсчета температуры, возникающей из-за нелинейности термочастотной характеристики датчика температуры и расширения диа пазона измеряемых температур. Поставленная цель достигается тем что в цифровой термометр введены сое диненные последовательно блок распознавания калибровочных интервалов температуры, блок-диспетчер и электронный коммутатор, выходы которого соединены с соответствующими входами делителя опорной частоты, а вход блока распознавания калибровочных ин тервалов температуры соединен с выхо дом блока индикации. На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого термометра; на фиг. 2 - его термочастотные харак теристики. Устройство содержит пьезокварцевый термопреобразователь 1 с частотным выходом, который через ключ 2 и тактирующий блок 3 подключен к управляющему входу сумматора 4, ко вхо дам которого подключены выходы преоб разователя 5 кодов, служащего для преобразования прямого кода в обратный по сигналам старшего разряда делителя опорной частоты. К входам пре образователя 5 подключены выходы старших k+1-n-l разрядов делителя 6 опорной частоты. Самый старший п-ный разряд делителя опорной частоты служит для управления работой преобразователя 5. К входу делителя 6 подключен генератор.7 опорной частоты, выход k-ro разряда делителя 6 к другому входу тактирующего блока 3. К входу схемы 8 управления подключен старший п-ный разряд делителя опорной частоты. Первый выход схемы 8 управления подключен ко входам Установка в О сумматора k, делителя 6 опорной частоты, а второй выход к входам генератора 7 опорной часто3ты и ключа 2. Выходы сумматора t подключены ко входам стробоскопического блока 9 индикации, выход которого соединен d блоком 10 распознавания калибровочных интервалов температуры, выход которого соединен.с входом диспетчера 11. Выход диспетчера 11 соединен с входами электронного коммутатора 12, выходы которого соединены с входом делителя 6 опорной частоты. В качестве точек стабильной температуры (реперных точек) при градуировке термометра используют вещества с характерными точками агрегатного. состояния, температура которых достаточно точно известна. Весь диапазон измеряемых температур, составляющий -80 - + 150°С разбивают на поддиапазоны, границами которых являются реперные точки. Перед сдачей термометра в эксплуатацию производят корректировку погрешности из-за нелинейности ТКР путем кусочно-линейной аппроксимации термочастотной характеристики (ТХЧ) отрезками прямых с узлами в реперных точках. ТЧХ в общем случае является нелинейной функцией температуры и описывается рядом вида (ГЛе-Эо), о hri . i .„.ы. .. температурный коэффициент час(1 тоты (ТКЧ); G - калибровочное и текущее значение температуры. Для кусочно-линейной аппроксимации дополнительно введенные блоки реализуют лишь первый член формулы, так как в промежутке температур между двумя реперными точками истинная зависимость частоты колебаний кварца от температуры измеряемой среды остается неизвестной. Устройство работает следующим образом. При измерении температуры схема управления включает генератор 7 и открывает ключ 2. Импульсы с выхода термообразователя 1 через ключ 2 поступают на вход тактирующего блока 3, которое запрещает одновременное поступление импульсов с выхода ключа 2 на вход Перенос сумматора

и импульсов с выхода k-ro разряда. На выходе преобразователя 5 во время работы-цифрового термометра формируется определенная последовательность чисел. Импульсы с выхода тактирующего блока 3 вызывают перенос чисел с выходов преобразователя 5 в сумматор 4, в котором они суммируются.

При помещении пьезокварцевого термопреобразователя в среду с температурой, соответствующей реперным значениям tp , tpj,. .. , t p болок 10 распознавания калибровочных интервалов температуры обучают. Процесс обучения заключается в том, что с помощью диспетчера 11, в ячейках памяти которого запоминаются определенные последовательности чисел, подают команды через электронный коммутатор 12 на делитель 6 для измерения его коэффициента деления до тех пор, пока цифровой индикатор не зарегистрирует температуру, соответствующую температуре реперной точки,

В процессе эксплуатации термометра блок 10 распознает д,ействительный интервал температуры (между двумя реперными точками), номер этого интервала выдает в виде двоичной последовательности диспетчеру-блоку 11, который в свою очередь вырабатывает команду, поступающую в блок 12 электронного коммутатора для установки электронных ключей а такую комбинацию включено-выключено, которой соответствует определенная крутизна S (чувствительность) ТКР, точно приводящая его характеристику в следующую реперную точку.

Блок 10 распознает калибровочные интервалы температуры, информация о номерах которых поступает на его i вход в виде двоичного п-элементного кода. Блок 10 выполнен в виде п схем совпадений по входу, выходу которых конъюктивно объединяются соответственно новому коду, содержащему номер калибровочного интервала, т.е. блок 10 реализует булеву матрицу, совокупности входов которой соответствуют определенные значения температур, хранящихся в матрице, а совокупности выходов - значения температурных интервалов. Техническая реализация блока 10 достигнута сборкой диодной матрицы по типу дешифратора. Блок-диспетчер 11 преобразует номер температурного интервала в команду

на включение соответствующих элементов электронного коммутатора 12.

Блок 11 выполняет две функции: шифратора, так как преобразует номер

конкретного температурного интервала в соответствующую п-значную кодовую двоичную последовательность, управляющую ключами электронного коммутатора 12, и функцию усиления сигнала.

Техническая реализация блока 11 достигнута также сборкой диодной матрицы по типу шифратора с транзисторным усилием на выходе.

Блок 12 электронного коммутатора

управляет работой делителя 6. Блок 12 является исполнительным элементом. По входу он выполнен в виде п независимых схем совпадения, а по выходу - конъюктивно связанных между

собой таким образом, чтобы срабатывание/несрабатывание определенных электронных ключей (реализация определенного выходного кода) соответствовало установке определенной крутизны S в блоке 6.

Техническая реализация блока 12 достигнута сборкой двух диодных матриц (дешифраторной на входе и шифраторной на выходе).

Принцип повышения точности и расширения диапазона измеряемых температур с помощью дополнительных блоков 10-12 поясняет фИг. 2, где 1 - термочастотная характеристика

f(T); И -линейная аппроксимация, реализуемая в известном термометре; lit- предлагаемая аппроксимация прямолинейными отрезками; IV - возможная ошибка измерения температуры известным устройством.

. Значительная величина ошибки (фиг. 2) объясняется большим выбранным диапазоном измерения температур. 8 действительности для известных термометров -этот диапазон ограничивается -60 - + , а крутизна параболы несколько меньше, т.е. зависимость u.f/u.T f(T) более линейна.

Предлагаемое устройство позволяет не только повысить точность, но и расширить интервал возможных измерений температуры до значений, практически ограничиваемых возможными граничными температурами эксплуатации данного типа кварцевого резонатора.

Таким образом, введение в устройство блоков распознавания калибровочных значений температуры, диспетчера

и электронного коммутатора позволяет исключит из результата измерения погрешности, вызываемые нелинейностью ТЧХ пьезокварцевого термопреобразователя и технологическим разбросом характеристик ТКР по номинальной частоте fg и чуйствительности S, что, в свою очередь, позволяет снизить требования к стабильности элементов устройства при одновременном повышении точности и расширении интервала измеряемых температур.

Формула изобретения

Цифровой термометр по авт. сэ. N 700788, отличающийся

тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измеряемых температур, в него введены соединенные последовательно блок распознавания калибровочных интервалов температуры, блок-диспетчер и электронный коммутатор, выходы которого соединены с соответствующими входами делителя опорной частоты, а вход блока оаспознавания калибровочных интервалов температуры соединен с выходом блока индикации.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 700788, кл. G 01 К 7/00, 1978.

Л /к If fn л

7R «Т 1

Ml

Г.-К

J

Л Я ЛХ

f

N.-rП

/faffu5poffovMb/e uff/ne/ Sa 6/ fnenne/fa rrypbf

. .j ,fffe/n Mocm6) ftexcffy pen ныпи movfrafvu