Цифровой измеритель температуры

 

Изобретение касается температурных измерений. Цель изобретения - повьппение точности измерения. Устр-во содержит источник 1 опорного напряжения , аналоговый ключ 2, термопреобразователь 3 сопротивления, резисторы 4 и 6, усилитель 5, генератор 7, блок 8 сравнения, счетчики 9, 12, элементы И 10, 15, 19, 20 и 27, дешифратор 11, формирователи 13 и 14, элементы ИЛИ 16, 17, триггер 18, инвертор 21, усилитель 22, интегратор 23, частотомер 24, делитель 26 частоты , счетчик 28, блок 29 памяти и индикатор 30. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устр-ва позволяет уменьшить погрешность измерения, вызванную временной и температурной нестабильностью времязадающей цепи генератора 7 и элементов частотомера 24. 2 ил. иифройои код (ТТуГЛП .ттт тт I СуЛ i « сл со со о ел 05

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1390516 А1 (51)4 G 01 К 7/16

Р .4

Р

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4ифМЬй код

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4096448/24-10 (22) 01.08.86 (46) 23.04.88. Бюл. М- 15 (72) Л.А. Демидов, С.А. Дунский, В.В. Подлесный и И.Н. Нефедова (53) 536.53 1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 1068738, кл. G 01 К 7/22, 1984.

Авторское свидетельство СССР

В 1278623, кл. G 01 К 7/22, 1985.

1 (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ TEMJIEPATYPbl (57) Изобретение касается температурных измерений. Цель изобретения повышение точности измерения. Устр-во содержит источник 1 опорного напряжения, аналоговый ключ 2, термопреобразователь 3 сопротивления, резисторы 4 и 6, усилитель 5, генератор

7, блок 8 сравнения, счетчики 9, 12, элементы И 10, 15, 19, 20 и 27, дешифратор 11, формирователи 13 и 14, элементы ИЛИ 16, 17, триггер 18, инвертор 21, усилитель 22, интегратор

23, частотомер 24, делитель 26 частоты, счетчик 28, блок 29 памяти и индикатор 30. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устр-ва позволяет уменьшить погрешность измерения, вызванную временной и температурной нестабильностью времяэадающей цепи генератора 7 и элементов частотомера 24.

2 ил.

1390516

Изобретение относится к области температурных измерений, а именно цифровым измерителям температуры.

Целью изобретения является повы5 шение точности измерения путем уменьшения погрешности измерения, вызванной временной и температурной нестабильностью времязадающей цепи генератора экспоненциального напряжения и элементов цифрового частотомера.

На фиг. 1 представлена блок-схема цифрового измерителя температуры; на фиг. 2 — временные диаграммы сигналов элементов измерителя.

Цифровой измеритель температуры содержит источник 1 опорного напряжения, аналоговый ключ 2, термопреобразователь 3 сопротивления, дополнительный резистор 4, инвертирующий усилитель 5 постоянного тока (УПТ) с резистором 6, включенным в цепь отрицательной обратной связи, генератор 7 экспоненциального напряжения, блок 8 сравнения, первый счетчик 9, первый элемент И 10, дешифратор 11, второй счетчик 12, формирователь 13 заднего фронта, формирователь 14 переднего фронта, второй элемент

И 15 первый элемент ИЛИ 16 второй элеУ 1

30 мент ИЛИ 17, триггер 18, третий элемент

И 19, четвертый элемент И 20, инвертор 21, дифференциальный усилитель постоянного тока (УПТ) 22, интегратор

23 и цифровой частотомер 24.

Цифровой частотомер 24 содержит управляемый генератор 25 опорной частоты, делитель 26 частоты, элемент

И 27, рабочий счетчик 28, блок 29 памяти и цифровой индикатор 30, вы40 ходы которого являются выходами цифрового частотомера.

Генератор 7 экспоненциального напряжения может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных конденсатора 31 и резистора

32, причем точка соединения одной из обкладок конденсатора 31 и одного из выводов резистора 32 является выходом генератора 7, другая обкладка конденсатора — первым входом генератора 7, а другой вывод резистора 32 подключен к шине нулевого потенциала. Кроме этого, генератор 7 может содержать аналоговый ключ 33, подключенный параллельно обкладкам 55 конденсатора 31, при этом управляющий вход аналогового ключа 33 является вторым входом генератора 7. Блок

8 сравнения может быть выполнен, например, в виде операционного усилителя 34, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, а к инвертирующему пбдключены резисторы 35 и 36.

Интегратор 23 может быть выполнен на операционном усилителе 37, в цепь отрицательной обратной связи которого включен конденсатор 38, неинвертирующий вход подключен к шине нулевого потенциала, а инвертирующий — к одному из выводов резистора

39. Другой вывод резистора 39 является входом интегратора 23.

Измеритель работает следующим образом.

В момент изменения выходного сигнала дешифратора 11 с нулевого в единичный он, поступая на управляющий вход аналогового ключа 2, устанавливает его в такое положение, при котором от выхода источника 1 опорного напряжения отключается дополнительный резистор 4 и подключается терморезистор 3. При этом напряжение на выходе УПТ 5 изменяется скачком от значения (1) RO (tI Re чпт ор дО у11т о р 1

9 т где U, — величина выходного напряжения опорного источника 1;

R — величина сопротивления резистора в обратной связи усилителя 5 постоянного тока;

R — величина сопротивления до3 полнительного резистора 4;

R — величина сопротивления терт морезистора 3.

Величина сопротивления терморезистора 3 изменяется при изменении измеряемой температуры по закону

R = А е ь/т т

Э где А,  — постоянные коэффициенты терморезистора; е — основание натурального логарифма;

Т вЂ” величина измеряемой температуры.

При этом выходное напряжение УПТ

5 Uö„,, временная диаграмма которого представлена на графике 40 (фиг ° 2), соответствующее уровню измеряемой температуры U „дт, подается на один (г1 из входов блока 8 сравнения, на вто1390516 рой вход которого поступает напряжение U> с выхода генератора 7, представленное на графике 4 1:

Е ф

= 14е э о.

R92 R 9C

С

15

Сформированный на выходе блока сравнения в момент его срабатывания импульс поступает на один из вхо- >5 дов первого элемента И 10 и вследствие того, что на другом его входе в это время присутствует разрешающий где t — текущее время, прошедшее от начала генерирования экспоненциального напряжения; 10

С вЂ” постоянная генератора 7;

С вЂ” величина емкости конденсатора 31;

R, К . величина сопротивлений резисторов 32 и 36.

В момент равенства суммы токов

i»»xти 19»(ПРотекаюЩих чеРеэ Резисто ры 35 и 36 блока 8 сравнения, нулю (21 г

1ВХ2 З R9» х 1 Ьх» у»»т R 9Э ИЛИ при R39 R 3 раве а»»упт+»,э=0 20 на выходе операционного усилителя 34 блока 8 сравнения эа счет высокого коэффициента в разомкнутом состоянии появляется скачок положительного напряжения, который поступает на управляющий вход аналогового ключа генератора 7. Ключ 33 эакорачивает обкладки конденсатора 31, и разряжает его. При этом выходное напряжение генератора 7 скачком устанавливается в исходное состояние U9 = Uo, в результате чего положительный сигнал на выходе блока 8 сравнения скачком уменьшается до нуля, что в свою очередь приводит к размыканию аналогового ключа 33, и начинается новый цикл генерирования экспоненциального напряжения, определяющий начало формирования временного интервала задержки. При этом на выходе блока 8 сравнения в момент каждого его срабатывания формируется импульс. Выходной сигнал блока 8 сравнения представлен на графике 42. Время Н,», прошедшее от начала генерирования экспоненциального напряжения до момента сраба45 тывания блока 8 сравнения, определяемое иэ равенства U + U = 0 или

Ь

UoRo В7 — — — — + U е ° составит Р»= ——

Ae»»(x o ° 1 50

-Cln -

А сигнал логической единицы с выхода дешифратора 11, он проходит на нь»ход и далее на вход нулевого сброса первого счетчика 9. Импульсный сигнал на выходе элемента И 10 представлен на графике 43.

При этом сигнал на выходе дешифратора 11, представленный на графике

44, меняется с единичного на нулевой, поступает на управляющий вход аналогового ключа 2 и устанавливает его в такое состояние, при котором от выхода источника 1 опорного напряжения отключается терморезистор 3 и подключается дополнительный резистор 4, что в свою очередь приводит к скачкообразному изменению напряжения на выходе УПТ 5 от величины U „„, <2»

Uo Ro (т) Ro до U -U

R упт о ( т 9

С этого момента начинается процесс формирования временного интервала задержки

Время t(», прошедшее от момента начала генерирования экспо»»енциального напряжения, определяемого предыдущим срабатыванием блока сравнения, до момента его нового срабать»вания, определяемое из равенства ((и

U e " = О, о

9

Кg

"у»»т + (»» л. составит t = ».ln

Сформированньп» на выходе блока сравнения импульс вследствие блокировки входа первого элемента И 10, соединенного с выходом дешифратора

1t присутствующим на нем сигналом нулевого уровня не проходит на вход нулевого сброса первого счетчика 9, поступая на счетный вход первого счетчика 9, изменяет по своему заднему фронту соответствующим образом его состояние. Так как при этом сигнал на выходе дешифратора 11 изменился, сформированный на выходе блока 8 сравнения импульс вследствие блокировки входа первого элемента И 10 по входу, соединенному с выходом дешифратора 11, присутствующим на нем нулевым сигналом не проходит на вход нулевого сброса первого счетчика 9, а поступает на счетный вход первого счетчика 9 по своему заднему фронту и изменяет соответствующим образом его состояние. Так как при этом сиг1390516 нал па выходе лешпфратора 11 не измс— нился, то очередной и последую(цие импульсы на выходе блока 8 сравнения (r( будут формироваться c: периодом

1п

Р, Rp

Так будет продолжаться до момента формирования и-ro HM((I c, (: T 10 с момента нулевого сброса первого счетчика 9, т.е. с момента начала формирования временного интервала задержки t>. Этот импульс, поступая на счетный вход первого счетчика 9, устанавливает его выходы в такое состояние, при котором уровень на выходе дешифратора 11 меняется с нулевого опять на единичный. При этом аналоговый ключ 2 вновь отключает выход источника 1 опорного напряжения от вывода дополнительного резистора 4 и подключает к нему вывод терморезистора 3. В этот момент заканчивается формирование временного интервала задержки, длительность которого t> таким образом составит

nt = nein (<) л R t

3 Rà

Далее работа измерителя происходит аналогично описанному. В результате на выходе дешифратора 11 формируется импульсная последовательность с длительностью импульсов t и с периодом определяемым выражением

Ro

+ t = — — г1п — +

Т А

Rà и" lnRo

Ra

lп

При выполнении условия

Rg Rp Rp n

Rp А Rp

- или — = (-+) частота f п71п импульсного сигнала на выходе дешифратора 11 определяется выражением

1 Т вЂ” — т.е ° будет прямо пропорв1 циональна измеряемой температуре. Для получения прямого цифрового отсчета измеряемой температуры импульсный 50 сигнал с выхода дешифратора 11 подается на первый вход цифрового частотомера 24. Сигнал с выхода генератора 25 управляемой опорной частоты частотометра 24 через его выход опор-55 ной частоты поступает на счетный вход второго счетчика 12. Одновременно на вход нулевого сброса второго счетчика 12 поступает импульс с выхода первого элемента 11 10. Так как импульс на выходе первого элемента И формируется в момент начала формирования временного интервала задержки, то задний фронт импульса, сформированного на выходе второго счетчика

12, соответствующий моменту его переполнения, появится после момента начала формирования временного интервала задержки через управляемый временный интервал t>, определяемый частотой f< выходного сигнала генератора управляемой опорной части и коэффициента пересчета К „второго

Kcv счетчика 12: t = ---. Временна

2

Я диаграмма сигнала на выходе счетчика

12 представлена на графике 45. Формирователь 13 заднего фронта по заднему фронту импульса с выхода второго счетчика 12 формирует единичный импульс, передний фронт которого соответствует окончанию управляемого временного интервала tv. Временная диаграмма сигнала на выходе формирователя 13 заднего фронта представлена на графике 46. Одновременно формирователь 14 переднего фронта формирует на своем выходе импульс, передний фронт которого совпадает с моментом окончания временного интервала задержки t так как передний фронт единичного импульса на выходе дешифратора 11 соединенном с входом формирователя 14 переднего фронта, совпадает с моментом окончания формирования временного интервала задержки.

Временная диаграмма сигнала на выходе формирователя 14 переднего фронта представлена на графике 47. Импульсы с выходов формирователей 13 и 14, поступая на входы второго элемента

И 15, формируют на его выходе единичный импульс, временная диаграмма которого представлена на графике 48, только в случае, если они придут одновременно, т.е. когда г. = t>, Импульс с выхода второго элемента И поступает на один из входов второго элемента ИЛИ 17, на другой вход которого поступает единичный импульс с выхода первого элемента И. Поэтому выход триггера 18 будет устанавливаться сигналом с выхода второго элемента ИЛИ 17 в нулевое состояние в момент начала формирования временного интервала запержки и в случае

139051F равенства t y = у — в момент окончания временного интервала задержки.

На выходе первого элемента ИПИ 16, временная диаграмма сигнала которого представлена на графике 49, проходят единичные импульсы с выходов формирователей 13 и 14. Причем в случае

t> > t> первым приходит импульс с выхода формирователя 13 заднего фронта, в случае > t „ — с выхода формирователя 14 переднего фронта, а в случае = t приходят одновременУ но.

Первый импульс, поступивший с выхода первого элемента ИЛИ на счетный вход триггера 18, перебрасывает его выход в единичное состояние, так как в момент начала формирования временного интервала задержки он был уста- 20 новлен в нулевое состояние, а второй возвращает его в исходное нулевое ° В результате на выходе триггера 18, временная диаграмма сигнала которого представлена на графике 50, при t > ) 25

) tу сформируется единичный импульс длительностью t — ty, задний фронт которого совпадает с моментом окончания временного интервала задержки, при t > t > — длительностью задний фронт которого совпадает с моментом окончания управляемого временного интервала, а при = t „ выход триггера удерживается в нулевом состоянии сигналом с выхода второго элемента И 15, поступающим через вто-З5 рой элемент ИЛИ 17 на вход нулевого сброса триггера 18. Так как сигнал на выходе дешифратора 11 имеет единичное значение только после окончания формирования временного интерва40 ла задержки, он, поступая на один из входов четвертого элемента И, пропустит единичный импульс с выхода триггера 18 на выход четвертого элемента И 20 только в случае

Проинвертированный инвертором 21 сигнал с выхода дешифратора 11 принимает единичное значение только в течение формирования временного интервала задержки; поэтому он, поступая на 50 один из входов третьего элемента

И 19, пропускает единичный сигнал с выхода триггера 18 на выход третьего элемента И 19 только в случае, когда

Временные диаграммы выходных 55 сигналов третьего 19 и четвертого

20 элементов И представлены соответственно на графиках 51 и 52 (фиг.2), Сигнал с выхода третьего пимента

И 19 поступает на неинвертнрующнй вход дифференциального У11Т 2?, а с выхода четвертого элемента И 20 на инвертирующий, т.е. при 1 y ) t „ на неинвертируюший вход дифференциального УПТ 22 поступает единичный импульс и на инвертируюший — нулевой сигнал, при Г у наоборот, а ! при t y = t у — на обоих входах присутствует нулевой сигнал. В ре зупьтате на выходе дифференциального УПТ

22 при t > t y сформируется импульс положительной полярности, при отрицательной, а при t = t нупевой I сигнал.

Напряжение с выхода дифференциального УПТ 22, временная диаграмма которого представлена на графике 53, поступая через вход интегратора 23 на вывод резистора 39 с сопротивлением R, определяет вепичину и направление тока через него. Вследствие того, что неинвертирующий вход операционного усилителя 37, имеющего высокий коэффициент усиления, соединен с шиной нулевого IIoTpHltHëëà, ток протекающий через конденсатор 38, будет определяться выражением i, Гвк цит то1да выходное напряжение будет. изменяться по закону

1- ьм, ннт

Вых Унт ы" инт (" р С где С вЂ” емкость конденсатора 38:

Ua ix ц„, (О) — начальное напряжение на конденсаторе 38.

TBK как при t y > t на вход интег J ратора 22 поступает импульс положительной полярности, выходное напряжение операционного УПТ 37 в течение длительности импульса будет линейно убывать ° при t 3 < tу,т . е ° Отрица†тельном импульсе напряжения на входе интегратора 23, — линейно возрастать, а при Т = 1у и нулевом сигнале на входе интегратора 23 — сохранять исходныи уровень, определяемый величиной напряжения на конденсаторе 38.

Временная диаграмма напряжения на выходе интегратора представлена на графике 54. Выходной сигнал интегратора 23 поступает через второй вход цйфрового частотомера 24 на вход ге—

1390516 нератора 25 управляемой опорной частоты. При возрастании напряжения на входе генератора 25 управляемой опорной частоты, т.е. при ty (Еучастота импульсного сигнала на его выходе увеличивается, при уменьшении, т ° е. при t> ) t„, уменьшается, а при сохранении постоянного значения — остается постоянной. При этом так как длительность управляемого временного интервала t определяется частотой импульсного сигнала на выходе генератора управляемой опорной частоты

К сч t5

t„= при t> " у она будет уменьшаться, а ири t > t> — увелиf2 чиваться. В результате частота сигнала на выходе генератора 25 управляемой опорной частоты будет изме20 няться до тех пор, пока не примет значение Г2, при котором выполняется условие t = tч, после чего будет сохранять постоянное значение. С учеКсч Ro 25 том t = --- и t = niln

2

R с

Ксч 1

f п

tin (— )

Импульсный сйгнал с выхода генератора управляемой опорной частоты, поступая на вход делителя 26 частоты, формирует на его выходе импульсный сигнал с длительностью единичного импульса, определяемого выражением

35

Клел

on

2 где К вЂ” коэффициент деления дели,4ел теля 26 частоты, 40

Этот сигнал, поступая на один из входов элемента И 27, разрешает в течение опорного временного интервала прохождение на выход элемента И 27 и импульсов с выхода дешифратора 11, 45 поступающих на другой вход элемента тота импульсного сигнала на выходе дешифратора 11, Одновременно импульсный сигнал с выхода делителя 26 частоты, поступая на вход нулевого сброса рабочего счетчика, устанавливает его в исходное нулевое состояние по своему переднему фронту, а поступая на вход записи блока памяти по своему заднему фронту, — переписывает содержимое рабочего счетчика 28 в блок 29 памяти. Выходной сигнал элемента И 27 поступает на счетный вход рабочего счетчика 28. В результате в блоке 29 памяти будет записан код преобразоваванным цифровым индикатором 30 в число N = и = f t которое с учетом равенства f = Т/ можно представить в виде

T,„K. en Rÿ Т К лел

N = — i — — n 1n (- ) = (-) — — n

nLB Kñ Ro В Kcv

«1n(- ).

Таким образом, результат измерения не зависит от постоянной времени генератора 7 экспоненциального напряжения и значения частоты импульсного сигнала на выходе генератора 25 опорной частоты.

К дел

При выполнении условия — --n ч

В К„

В.д ln(- ) = 1 получаем N = Т, т.е. пряо мой цифровой отсчет измеряемой температуры.

Формула изобретения

Цифровой измеритель температуры, содержащий источник опорного напряжения, выход которого подключен к входу генератора экспоненциального напряжения и входу аналогового ключа, управляющий вход которого соединен с выходом дешифратора, а первый и второй выходы соответственно через терморезистор и дополнительный резистор подключены к инвентирующему входу усилителя постоянного тока с резистивной отрицательной обратной связью, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом генератора экспоненциального напряжения, а выход подключен к управляющему входу генератора экспоненциального напряжения и счетному входу первого счетчика, выходы которого соединены с входами дешифратора, а вход нуленого сброса подключен к выходу первого элемента И, первый вход которого соединен с выходом блока сравнения, а второй вход — с выходом дешифратора, цифровой частотомер, включающий в себя управляемый генератор, элемент И, блок памяти, цифровой индикатор, рабочий счетчик и делитель частоты, вход которого соединен с выходом управляемого генератора, а вы12

1390516

Составитель В. Агапова

Техред М.Ходаннч Корректор A. Обручар

Редактор С. Пекарь

Заказ 1760/42

Тираж 607 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 ход подключен к первому входу элемента И, входу нулевой установки рабочего счетчика и входу записи блока памяти, выход которого подключен к блоку цифровой индикации, а входы соединены с выходами рабочего счетчика, счетный вход которого подключен к выходу элемента И, второй вход которого соединен с выходом дешифра- 10 тора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены формирователь переднего фронта импульсов, два элемента ИЛИ, инвертор, триггер, дифференциальный усилитель постоянного тока, интегратор, формирователь заднего фронта импульсов, три элемента И и второй счетчик импульсов, .счетный вход которого соединен с 20 выходом управляемого генератора цифрового частотомера, вход нулевой установки подключен к выходу первого элемента И, а выход через формирователь заднего фронта импульсов под- 25 ключен к первым входам второго элемента И и первого элемента ИЛИ, вторые входы которых подключены к формирователю переднего фронта импульсов, а выходы соответственно подключены к первому входу второго элемента

ИЛИ и счетному входу триггера, вход установкинуля которого соединен с выходом второгоэлемента ИЛИ, а выходподключен к первымвходам третьегои четвертого элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с выходом и входом инвертора, соединенным с входом формирователя переднего фронта импульсов, выходом дешифратора, а выход первого элемента И соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, при этом входы дифференциального усилителя постоянного тока соединены соответственно с выходами третьего и четвертого элементов И, а выход подключен к входу интегратора, выход которого подключен к управляющему входу управляемого генератора цифрового частотомера.

° c> tJ = т г, с