Цифровой термометр

 

ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР, содержащий термопреобразователь с частотным выходом, подключенный к первому входу тактирующего блока, выход которого соединен с входом ключа, а второй вход соединен с выходом генератора опорной частоты и через делитель частоты подключен к первому входу блока управления, первый выход которого соединен с управлякядам входом ключа, а второй выход подклкг чен к установочному входу счетчика результата, выхбд которого соединен с входом индикаторного регистра и первым входом цервой схемы большеменьше , вторые входы которой подклю чены к источнику постоянных логических уровней, группу схем И, выходы которых соединены с входами перрой схемы ИЛИ, вторую схему ИЛИ, три ,схемы И, вторую схему больше-меньше , первые входы которой соединены с источниками постоянных опорных уровней, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса калибровки термометра, в него введены дополнительно две схемы ИЛИ, дополнитель ный счетчик, одновйбратор, элемент И-НЕ, триггер, два инвертора и дешифратор, входы которого соединены с выходами счетчика результата , а выходы подключены к входам группы схем И и входам второй схемы РШИ, выход которой подключен к первому входу схемы И-НЕ и через первый инвертор соединен с первым входом первой схемь И, второй вход которой соединен :с вторым входом схемы И-НЕ и выходом одновибратора, вход которого соединен с выходом первой схемы Н)Ш и первым входом третьей ИЛИ, второй вход которой соединен с управляющим входом индикаторного регистра и вторым выходом блока управления , а выход подключен к устаноО1 вочному входу дополнительного счет00 чика, выходы которого соединены с 00 входами групп схем И, а счетный вход подключен к выходу второй схемы И, со первый вход которой соединен с выходом первой схемы больше-меньше и третьим входом схемы И-НЕ, а второй вход соединен с выходом ключа и первым входом четвертой схемы ИЛИ, второй вход которой соединен с выходом первой схемы И, а выход соединен через второй инвертор с первым входом триггера, второй вход которого соединен с выходом схемы И-НЕ, при этом входы третьей схемы И соединены соответственно с вшодом триггера и выходом четвертой схемы ИЛИ,

(19) (11) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН, 4(5)) G ul К 7/32

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ЦО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3593128/24-10 . (22) 18. 05. 83 (46) 30. 05. 85. Бюл. У 20 (72) В. Г. Брандорф, А, А. Гришанов, О. А, Губанов и В. Л. Котляров (71) Львовский ордена Ленина политехнический институт им. Ленинского комсомола и Львовский лесотехнический институт . (53) 536. 53{088. 8) (56) 1. Глембо В, А., Котляров В. Л., Швецкий Б. И. Пьезокварцевые аналогоцифровые преобразователи температуры.

Львов, Изд-во при Львовском государственном ун-те, 1977, с. 147, рис. 7. I.

2. Авторское свидетельство СССР

Ы 830151, кл, G 01 К 7/32, 1979 (прототип). (54)(57) ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР, содержащий термопреобразователь с частотным выходом, подключенный к первому входу тактирующего блока, выход которого соединен с входом ключа, а второй вход соединен с выходом генератора опорной частоты и через делитель частоты подключен к первому входу блока управления, первый выход которого соединен с управляющим входом ключа, а второй выход подключен к установочному входу счетчика результата, выход которого соединен с входом индикаторного регистра и первым входом первой схемы "больше- . меньше", вторые входы которой подключены к источнику постоянных логических уровней, группу схем И, выходы которых соединены с входами первой схемы ИЛИ, вторую схему RJIH, три ,схемы И, вторую схему "больше-меньше", первые входы которой соединены с источниками постоянных опорных уровней, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса калибровки термометра, в него введены дополнительно две схемы ИЛИ, дополнительный счетчик, одновибратор, элемент И-НЕ, триггер, два инвертора и дешифратор, входы которого соединены с выходами счетчика результата, а выходы подключены к входам группы схем И и входам второй схемы

ИЛИ, выход которой подключен к пер- вому входу схемы И-НЕ и через первый инвертор соединен с первым входом первой схемы И, второй вход которой соединен:с вторым входом схемы И-НЕ и выходом одновибратора, вход которого соединен с выходом первой схемы ()(и первым входом третьей схемы

ИЛИ, второй вход которой соединен с управляющим входом индикаторного регистра и вторым выходом блока управ" лений, а выход подключен к установочному входу дополнительного счетчика, выходы которого соединены с входами групп схем И, а счетный вход подключен к выходу второй схемы И, первый вход которой соединен с выходом первой схемы "больше-меньше" и третьим входом схемы И-НЕ, а второй вход соединен с выходом ключа и первым входом четвертой схемы ИЛИ, второй вход которой соединен с выхо- ффр дом первой схемы И, а выход соединен через второй инвертор с первым входом триггера, второй вход которого соединен с выходом схемы И-НЕ, при этом входы третьей схемы И соединены соответственно с виходом триг" гера и выходом четвертой схемы ИЛИ, а выход подключен к счетному входу счетчика результата, установочные входы которого соединены с источниками постоянных логических уровней, !

158873 второй вход второй схемы "больше-меньше" соединен с промежуточным выходом делителя частоты, а выход подключен к второму входу блока управления.

Изобретение относится к устройствам для измерения температуры, в частности созданию цифровых термометров с пьеэокварцевыми термопреобразователями температуры с частот-. ным выходным сигналом.

Известен цифровой термометр, содержащий датчик температуры с частотным выходом, ключ, счетчик результата, индикаторный регистр результата, генератор опорной частоты, делитель опорной частоты, схему И и устройство управления Pl(.

Однако в данном термометре не учитывается нелинейность характеристик термопреобраэователей, что приводит к погрешности в показаниях термометра, особенно при измерениях в широком диапазоне температур.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является цифровой термометр, содержащий термопреобразоваталь с частотным выходом, подключенный к первому входу тактирующего блока, выход которого соединен с входом ключа, а второй вход соединен с выходом генератора опорной частоты и через делитель частоты подключен к первому входу блока управления, первый выход которого соединен с управ1 ляющим входом ключа, а второй выход подключен к установочному входу счетчика результата, выход которого соединен с входом индикаторного регистра и первым входом первой схемы "больше-меньше", вторые входы которой подключены к источнику постоянных логических уровней„ группу схем И, выходы которых соединены с входами первой схемы ИЛИ, вторую схему ИЛИ, три схемы И, вторую схему "больше-меньше", первые входы которой соединены с источниками постоянных опорных уровней, а также блок памяти и распределитель импульсов (2).

Известный термометр позволяет устранить влияние нелинейности характеристик термопреобразователей на результат измерения температуры, погрешность из-за нелинейности в нем отсутствует, однако его схема слишком сложна, а процесс калибровки сложен,и требует длительного времени. Объясняется это тем, что термометр снабжен органами настройки, и запоминающими устройствами в объеме, необходимом для запоминания полных кусочно-линейно аппроксимированных характеристик термопреобразователей, что позволяет настроить термометр путем записи в него параметров всех участков кусочно-линейно аппроксимированной характеристики термопреобраэователя в виде таблиц подключения схем И и чисел, записываемых в запоминающее устройство для изменения числа в счетчике результа та, по одному на участок аппроксимации. Все это усложняет процесс калибровки температуры при замене термопреобразователей.

Цель изобретения — упрощение процесса калибровки термометра..

Поставленная цель достигается тем, 30 что в цифровой термометр, содержащий термопреобразователь с частотным выходом, подключенный к первому входу тактирующего блока, выход которого соединен с входом ключа, а второй вход соединен с выходом генератора опорной частоты и через делитель частоты подключен к первому входу блока управления, первый выход которого соединен с управляющим входом ключа, а второй выход подключен к установочному входу счетчика результата, выход которого соединен с входом индикаторного регистра и первым входом первой схемы "больше-меньше", вторые входы которой подключены к ис-точнику постоянных логических уровней, группу схем И, выходы которых

35 з 1 1.58 соединены с входами первой схемы

ИЛИ, вторую схему ИЛИ, три схемы И, !! !! вторую схему больше-меньше, первые входы которой соединены с источниками постоянных опорных уровней, в него введены две схемы ИЛИ, дополнителЬнйй счетчик, однавибратор, элемент И-НЕ, триггер, два инвертора и дешифратор, входы которого соединены с выходами счетчика результата, а выходы подключены к входам группы схем И и входам второй схемы ИЛИ, выход которой подключен к первому входу схемы И-НЕ и через первый инфертор соединен с первым входом первой схемы И, второй вход которой соединен с вторым входом схемы И-HE и выходом одновибратора, вход которого соединен с выходом первой схемы

ИЛИ и первым входам третьей схемы 0

ИЛИ, второй вход которой соединен с управляющим входом индикаторного регистра. и вторым выходом блока управления, а выход подключен к установочному входу дополнительного счетчика, выходы которого соединены с входами группы схем И, а счетный вход подключен к выходу второй схемы И, первый вход которой соединен с выходом

30 первой схемы "больше-меньше" и тре чъмм входом схемы И-НЕ, а второй вход соединен с выходом ключа и первым вхадем четвертои схемы ИЛИ, второй вход которой соединен с выходом первой схемы И, а выход соединен через второй инвертор с первым вхо. дом триггера, второй вход которого соединен с выходом схемы И-НЕ, при этом входы третьей схемы И соединены соответственно с выходом триггера

40 и выходом четвертой схемы ИЛИ, а вйход подключен к счетному входу счетчика результата, установочные входы которого соединены с источниками постоянных логических уровней, 45 второй вход второй схемы "большеменьше" соединен с промежуточным выходом делителя частоты, а выход подключен к второму входу блока управления.

$0

На фиг. 1 представлена схема цифрового термометра; на фиг. 2 - схема тактирующего блока.

Цифровой термометр содержит термопреобразователь 1 с частотным выходом, тактируки1ий блок 2, ключ 3, генератор 4 опорной частоты, делитель 5 частоты блок 6 управления, 873 4 счетчик 7 результата, на установочные входы которого подано число N в виде постоянных логических уровней, индикаторный регистр 8, первую схему

"больше-меньше" 9, на первые входы которой подано число N н виде постояйных логических уровней, вторую схему "больше-меньше" 10 на вторые входы которой в виде постоянных логических уровней подано число N дешифратор 11, и выходов которого (где n — количество узлов анпроксимаПии кривой ошибок от нелинейного пьезокварцевых термапреобразавателей, на которых поправка к результату измерения положительна) подключены к первым входам всех схем И 12 груп-, пы, а m выходов (где ш — количество участков аппроксимации, на которых поправка к результату измерения отрицательная) — к входам первой схемы ИЛИ 13, дополнительный счетчик 14, вторую схему ИЛИ 15, одновибратор 16, первую схему И 17, третью схему ИЛИ 18, элемент И-НЕ 19, четвертую схему ИЛИ 20, триггер 21, первый инвертор 22, вторую схему

И 23,,третью схему И 24 и второй ннвертор 25.

В качестве индикаторного регистра.

8 применяется регистр с реверсивной системой индикации, Блок управления содержит триггер

26, входы которого являются первым и вторым входами блока управления, и однавибратор 27, подключенный к выходу триггера. При этом выходы триггера и одновибратора являются одновременно первым и вторым выходами блока управления, Тактирующий блок 2 предназначен для "привязки" импульсов, поступаю" щих от термопреобразователя 1 в лю" бой момент времени, к импульсам опорного генератора, чта необходимо для. того, например, чтобы перенос информации из счетчика 7 в регистр 8 не произошел в момент подсчета счетчиком 8 очередного импульса от датчика.

Тактирующий блок (фиг. 2) может быть реализован на двух П-триггерах 28 и 29 и элементе И 30, выход которого является вьмадом тактирующего блока, а входы подключены к прямому выходу триггера 28 и инверсному выходу триггера 29. Тактовые входы обоих триггеров подключены к выходу опорного генератора, D-вход триггера 28 под1158873 ключен к выходу термопреобразователя, а . D-вход триггера 29 — к выходу триггера 28.

Схемы "больше"меньше" 9 и 10 представляют собой устройства для вычитания двух чисел с выходом тольК0 знака результата и могут быть реализованы на основе стандартных микросхем.

Работа цифрового термометра основана на том, что в нем вначале производится преобразование частоты в код, зависящий только от температуры и не зависящий от разброса характеристик термопреобраэователя по номинальной частоте и крутизне,, а затем производится линеаризация полученного таким образом числа путем введения поправки. При этом используется тот факт, что после преобразования частоты термопреобразователя в код с учетом номинальной частоты термопреобразователя и крутизны, характер нелинейности для всех пьезокварцевых .термопреобразователей становится одинаковым, т.е, после совмещения начальной и конечной точек характеристики путем сдвига

I всех ее точек перпендикулярно оси абсцисс и умножения каждой ординаты на коэффициент, определенный индивидуально для каждого термопреобразователя, характеристики в остальных точках будут совпадать. !

Поэтому в предлагаемом термометре в отличие от прототипа вначале осуществляется совмещение двух точек характеристики, а затем — линеаризация по общей программе.

Очень важным является то, что в предлагаемом термометре процесс. совмещения двух точек характеристи.ч ки термопреобразователя заканчивает-. ся до того, как заканчивается процесс счета, .что позволяет начать и закончить линеаризацию в процессе подсчета импульсов от термопреобраэователя, не увеличивая времени измерения. Иначе говоря, особенностью предлагаемого термометра является отсутствие преобразования уже полученного кода, в котором устранены раэбросы характеристик термопреобраэователей, но остается погрешность от нелинейности, в другой код, в котором отсутствует погрешность от нелинейности.

В тактирующем блоке после поступления "1" на D-вход триггера 28 от термопреобразователя ближайший фронт импульса опорного генератора установит триггер 28 в "1". При этом на выходе элемента И 30 появится "1".

Следующий импульс опорного генератора установит в "!" триггер 29 и на выхо49 де элемента И 30 появится "0". По окончании входного импульса триггеры

28 и 29 по очереди установятся в "0" импульсами опорного генератора. Так как в "0" вначале установится триггер 28, импульс с выхода элемента

И 30 не появится. Таким образом, в ответ на один импульс термопре. образователя, имеющий произвольную длительность и поступающий в произвольный момент времени, тактирующий блок вьдает один узкий положи-. тельный импульс, длительность которого равна периоду сигнала опорного генератора, а начало и конец совпаЯ дают с одним иэ фронтов этого сигнала. Счетчик результата подсчитывает поступающие на его вход импульсы.

Импульсы с выхода тактирующего блока будут, поступать в счетчик 7

I0

i!5

З9

Процесс получения результата в предлагаемом термометре осуществляется следующим образом.

В результате очередного переполне* ния делителя 5 триггер 26 блока 6 управления устанавливается в "0", закрывает ключ 3 и запускает одновибратор 27, импульс с выхода которого (второй выход блока управления) переносит результат из счетчика 7 в индикаторный регистр 8. При этом в счетчик 7 заносится число N a счетчик 14 через схему ИЛИ 18 устанавливается в "0". Делитель 5 частоты при этом устанавливается в "0" и на выходе схемы 10 также устанавливается "0", так как число в делителе .(все нули) меньше числа N

Когда в делителе 5 опорной частоты в результате непрерывного подсчета импульсов генератора 4 опорной частоты появится число N, схема "большеменьше" 10 подает импульс в блок 6 управления, триггер 26. блока управления устанавливается в "1", ключ 3 открывается. Импульсы от датчика 1 температуры через тактирующий блок

2, ключ 3, схему ИЛИ 20 и схему И 24 начинают поступать на вход счетчика 7 результата.! 58873 результата до тех пор, пока число в счетчике 7 не станет равным числу N. После этого входные импульсы с выхода ключа 3 начнут через схему

И 23 поступать на вход счетчика 14.

Счетчик 14, схемы И 12, схема ИЛИ !8 и одновибратор 16 представляют со-. бой управляемый делитель частоты, который управляется выходами дешнфратора ll. Набор коэффициентов деления управляемого делителя определяется по обобщенной характеристике не- ° линейности ньезокварцевых термопреобразователей, построенной в виде зависимости числа, соответствующего температуре, от числа, зафиксированного в счетчике 7„ без учета попра. вок, которые должен вырабатывать . управляемый делитель (т.е. в виде кривой ошибок от нелинейности). При этом учитывается, что И и Ж под1 2 бираются для каждого термопреобразователя индивидуально в зависимости от нулевой (номинальной) частоты и средней крутизны термопреобразовате-. ля между точками калибровки.

Когда число в счетчике !4 станет равным числу, при котором на выходе выбранной дешифратором 11 схемы И 12

tl Н появится . 1, - включится одновибратор

l6 и через Схему ИДИ !8 установит счетчик 14 s "0", если при этом на выходе схемы ИДИ 15 "О", через схемы 17, 20 и 24 добавит "1" в счетчик

7. результата. Если же иа. выходе схемы ИЛИ l5 присутствует "!" это означает, что к содержимому счетчика нужно не прибавлять "!", а вычитать..

В этом случае импульс с вьпсода одновибратора 16 через схему И-НЕ 1.9 устанавливает триггер 21 s "О" и на вход счетчика 7 результата не прохо-. дит, Следующий .импульс .с вйходй .клю-. ча 3 не проходит на вход счетчика 7, задним фронтом этого же импульса триггер 21 устанавливаетея в "l", раэрешая. тем Самым прохождение сле- . дующих счетных импульсов с выхода ключа 3 через схему И 24 на вход счетчика 7 результата.

Число N2 задает время счета из условия, чтобы разность показаний термометра при измерении температуры в двух точках температурного диапазона соответствовала разности тем-. ператур s этих двух точках. Число .

Н задает значение температуры в оДной из точек диапазона..

Число М выбирается за пределами температурного диапазона (например о

Р

l 80 С), Когда в счетчике результата окажется число N, происходит коррек5 ция результата измерения, Это число постоянно для всех термопреобразователей н несколько больше самого большого И . из

g t tIldg всех М„ которые могут понадобиться !

6 для данного семейства термопреобразователей, но в то же время меньше чиспа Ир„„,„, которое окажется в счетчике результата при измерении минимальной температуры

13. N . .(1 (!!

11 так P»tt

Поскольку N постоянно, а после измерения в счетчике результата окажется число, которое зависит от температуры и не зависит от нулевой

26 частоты термопреобраэователя и средней крутизны его термочастотных

1 характеристик, так как эта зависимасть устранена соответствующим выбором для i-го термопреобразователя

Ж чисел Ы„, .н N2,, то число импульсов, э поступившее на счетчик с выхода ключа 3 за время от момента появления в счетчике числа N и до счетного интервала, тоже зависит только от тем36 пературы и не зависит от нулевой частоты термопреобразователя и средней крутизны его термочастотной характеристики.

Таким образом,, к моменту окончания счетного интервала, т. е, в момент переполнения делителя 5, в счетчике 7 устанавливается результат. измерения, который, во-первых, не зависит от разброса характеристик

46 термопреобразавателя, так как этот разброс устранен соответствующим выбором числа И„; предустановки счетчика 7 и числа N2,- выбора времени измерения в зависимости от

Я5 средней крутизны термочастотной ха-. рактеристики i-го термопреобразователя, и, во-вторых, линейно связан с измеряемой температурой, так как погрешность от нелинейности устраня @ ется в процессе счета путем добавленин в счетчик импульсов от управляемого делителя частоты или запрета дрбавления в счетчик импульсов сигналами этого делителя по заранее

И:установленному закону.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет по новому организовать обработку сигнапа с

10 меньшими аппаратурными и трудовыми затратами. Кроме того, предлагаемый термометр дешевле, так как содержит меньшее количество корпусов микрб5 схем при одной и той же точности измерения, 9 1158873 термопреобраэователя и исключить трудоемкий процесс определения и ввоЪ да индивидуальных термочастотных характеристик термопреобразователя, что упрощает его эксплуатацию и позволяет производить калибровку с

1158873

Составитель В. Куликов

Редактор Ю. Ковач Техред М. Надь Корректор Е. Рошко

Заказ 3575/41 Тираж 897 .. Подписное

ВНИИПИ ГосударсТвенного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 1 3035, Москва, Ж-35, Раущская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4