Цифровой термометр Советский патент 1983 года по МПК G01K7/00 

,(54) ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР

Изобретение относится к контрольно измерительной технике, к области температурных измерений. По основному авт. ев, № 700788 известен цифровой термометр, 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 преобразовате ля кодов и стробоскопический блок индикации 1 . В этом термометре для учета технологического разброса характеристик температурного кварцевого резонатора (ТКР) по номинальной частоте fj, и чувствительности S, а также для учет разброса кварцевых резонаторов (КР) по значению fj, (технологический разброс для герметизированных ТКР составляет по номинальной частоте +50-К что соответствует +250 Гц, и разброс по чувствительности 160-200 ). необходимо применять схемы изменения времени измерения t путем изменения коэффициента деления Кд делителя частоты базы времени. Требуемые коэффициенты деления выставляются согласно таблице с паспортной чувствительностью датчика переклк чателем. или посредством коммутации выводов, Недостатком этого технического решения является необходимость -размещения внутри ЦТ уз/ioB переключения большого числа коммутирующих элементов для предварительной установки счетчика результата и делителя частоты базы времени, что усложняет ручное управление ЦТ и его конструкцию, а также увеличивает возможность случайного переключения коммутирующих элементов. Кроме того, для учета погрешностиизза нелинейности составляющей длй ТКР с пьезоэлементом ЬС среза в диапазоне температур - 60- +120°С, 0,2-0, осуществляют либо подбор ТКР, у- которых температурные коэффициенты второго и третьего порядка противоположны ПО знаку и равны модулю, что возможно только теоретически, либо применяют коррекцию по градуировочньел таблиц цам, производимую оператором, .После нее ведет к неудобствам в эксплуатации и является источником дополнитель ных случайных ошибок, т.е. в этом тер мометре не учитывается нелинейность характеристики датчика, что приводит к погрешности показаний термометра, Особенно при измерениях в широком диапазоне температур. Одним из путей реализации повышенных точностных характеристик ЦТ является уточнение формы ТЧХ, вид которо известен эмпирически лишь в нескольких точках. При этом возможность ее корректировки с высокой точностью может быть достигнута не путем кусочно-линейной аппроксимации, а с помо дью интерполяционного полинома Лагранжа, который практически однозначн передает форму ТЧХ. Цель изобретения - повьпление точности измерения температуры путем устранения погрешности от нелинейное ти термочастотной характеристики датчика. Пос тавленная цель достигается тем что в известный цифровой термометр , введены соединенные последовательно блок аппроксимации и блок коррекции количества импульсов, при этом выходы блока индикации соединены с информационными входами блока аппроксимации, его входы сравнения соединены с выходами сумматора и входами блока индикации, а выход блока коррекции количества импульсов соединен с одним из входов ключа. Причем .блок аппроксимации содержи 2п схем вычитания, выходы которых попарно подключены к входам п схем деления, а их выходы соединены с входами запоминающего устройства, выход которого подключен к одним из входов п схем сравнения, другие входы которых соединены с выходами сумматора, а их выходы подключены к входу блока коррекции, где п - количество узлов аппроксимации характеристики датчика На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого термометра; на фиг, 2 - блок аппроксда ации; на фиг. 3 - дифференциальная селекторная схема; на фиг. 4 - схема выполнения блока деления. Устройство содержит пьезокварцевый термопреобразователь 1-С частотным вы ходом, который через ключ 2 и тактирукяций блок 3 подключен к управля1 ему входу сумматора 4, ко входам которого подключены выходы преобразователя кодов 5, служащего для преобразования прямого кода в обратный по сигналам старшего разряда делителя опорной частоты. К входам преобразователя 5гподключены выходы старших K+l п-1.разрядов делителя б опорной частоты. Самый старший п - разряд делителя опорной частоты служит для управ ления работой преобразователя 5. К входу делителя 6 подключен генератор 7 опорной частоты, выход К-го разряда делителя б - к другому входу тактирующего блока 3. К входу схемы 8 управления подключен старший п-й разряд делителя опорной частоты. Первый выход схемы 8 управления подключен ко входам Установка в О сумматора 4, делителя 6 опорной частоты и 2. Выходы сумматора 4 подключены ко входам стробоскопического блока индикации 9, между выходами которого и дополнительным входом ключа 2 введены последовательно соединенные блок ап.проксимации 10, состоящий из 2п схем вычитания, п схем деления, п схем сравнения (где п - количество узлов (точек) аппроксимации характеристики датчика) и запоминанвдего устройства, и блок коррекции количества импульсов 11, причем входы сравнения блока аппроксимации 10 подключены к выходам сумматора 4. Весь диапазон измеряемых температур разбивают на поддиапазоны, границами которых являются реперные точки. Перед сдачей термометра в эксплуатацию производят корректировку погрешности из-за нелинейности ТКР путем замены ТЧХ интерполяционным полиномом Лагранжа п-й степени (где п - количество узлов аппроксимации характеристики датчика) с узлами в реперных точках. ТЧХ в общем случае является нелинейной функцией температуры и описывается рядом вида Ai- Г „. , f ) -.е™,ературный коэффициент частоты (ТКЧ); в и Э - калибровочное и текущее значение температуры. Для аппроксимации ТЧХ путем интерполяционного полинома Лагранлса дополнительно введенные блоки дают возможность реализовать любой член формулы и получить высокую точность измерения температуры вплоть до предельного значения, обусловленного нестабильностью ТЧХ. Устройство работает следующим образом. При измерении температуры схема управления включает генератор 7 и открывает ключ 2. Импульсы с выхода термопреобразователя 1 через ключ 2 поступают на вход тактирующего блока 3,.который запрещает одновременное поступление импульсов с выхода ключа 2 на вход Перенос сумматора 4 и импульсов с выхода К-го разряда. На выходе преобразователя 5 во время ра боты ЦТ 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 термопреобразователя в среду с температурой,соответствуквдей реперным значениям t, t , , . . , tp , . работа блока аппроксимаций 10 и инте поляция ТЧХ может быть пояснена следующим образом. В общем виде полином Лагранжа пре ставляется в схемах запоминания функ цией ),ie-ejrF,2(e-eo)te-6,K... - + pn ® ®oHe-®ib-ie- -i . при этом имеем f (о)- Рассмотрим полином . М10)-- -Q-of- - FI- -1 - п1®-б.- (0-б|Т. . Затем рассмотрим полином . F,.F i0-02K- Fni®- 2b Э в--46-Vi) т(е2)-м(.в-,; -г::;О и т.д. При каждом очередном помещении датчи ка в реперную точку в конечном итоге в блоке аппроксимации формируются вс коэффициенты F, что и дает искомый полином f(0). В качестве упрощенного примера вы полнения .блока 10 для трех точек аппроксимации приведено на фиг. 2; Здесь описанный алгоритм работы реализуется в шести схемах вычита.ния 10.1 и трех деления 10.2 запоминающе устройстве 10..3 и сравнивающем устройстве 10.4. Таким образом, помещая да .чик последовательно в три реперные .точ)ки, в блоке аппроксимации 10 формируется искомый полином F(e)-Fo+F,((e-0o)(e-eJ, который с большой точностью совпада:ёт с ТЧХ кварцевого резонатора и хра нится в ячейках памяти запоминающего устройства блока аппроксимации 10. В процессе эксплуатации термометра в схемах сравнения блока 10 проис ходит сравнение измеряемой температу ры - сигналов с сумматора 4 с данными, хранимьми в запсминающем, устройстве блока аппроксимации, и при необходимости подается соответствующий сигнал на блок коррекции количества импульсов 11, который открывает (закрывает) ключ 2, и импульсы от датчика 1 через тактирующее устройство 3 поступают в сумматор 4 и далее в имдикатор 9. Блок аппроксимации (для трех узлов аппроксимации) представля ; ет собой комбинацию щести схем вычитания и трех блоков деления, запоми- назощего устройства и схемы сравнения. Техническая реализация схемы вычитания может быть достигнута с помощью реверсивных счетчиков. При вычитании одновременно поступающих последовательностей импульсов перед реверсивHbiM Счетчиком включается дифференциальная селекторная схема (фиг.З)..В этом случае поступающие в оба канала импульсы сначала запоминаются промежуточньми -запоминающими устройствами 10.1.1 и .2, после чего с тактовой частотой передаются- в запоминающие устройства 10.1.3, 10.1.4. В счетчик 10.1,6 иктульсы попадают через селекторную схему 10.1.5 только при раэаом состоянии обоих запоминающих устройств 10.1.3и10.1.4. . Техническая реализация блока деления может быть выполнена по схеме, представленной на фиг. 4. Для каждого интервала импульсов Ig включается триггерная схема 10.2.1, открывающая вентиль 10.2.2. В течение этого времени импульсы 1 могут поступать в счетчик 10.2.3. Таким образом, введение в предлагаемое устройство блока аппроксимации и блокакоррекции количества импульсов позволяет проводить корректировку ТЧХ не путем кусочно-линейной аппроксимации, а путем замены ТЧХ интерполяционным полиномом Лагранжа, что дает возможность работать с датчиками температуры с частотным выходом, имеющим нелинейную зависимость от температуры. При этом экономический эффект достигается за счет значительного уменьшения погрешности измерения изз.а нелинейности характеристики датчика (от 0,2°С до 0,01°С), расширения диапазона измеряемых температур, исключения влияния технологического разброса характеристик ТКР по номинальной частоте f и чувствительности S, а следовательно, за счет снижения требований к стабильности элементов устройства, что значительно упрощает технологию их производства. Формула изобретения 1. Цифровой термометр по авт. св. № 700788, отл, ичающийся

тем, что, с целые повышения точнооти измерения температуры путем устранения погрешности от нелинейности термочастотной характеристики датчика, в него введены соединенные последовательно блок аппроксимации и блок коррекции количества импульсов, при этом выходы блока индикации соединены с информационньлми входами блока аппроксимации, его входы сравнения, соединены с выходами сумматора и входами блока индикации, а выход блока коррекции количества импульсов соединен с одним из входов ключа.

одним из входов п схем сравнения, другие входы которых соединены с выходами сумматора, а их выходы подключены к входу блока коррекции, где п - количество узлов аппроксимации характеристики датчика.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

JUUL

k

Фиг.