Цифровой термометр
Изобретение относится к темнературным измерениям. Це.чь изобретения новы- Н1ение точности измерения, а также номехоза1ции1енн()стн. Термометр содержит измерительный нреобразовате. Пз I темнератур1 1, дифференциальный усилите,-1ь 3, резистор 4, ключ 5, источник 6 опорного иа 1ряже1Н1Я, генератор 7 напряжения, иреобразонате.чь 9 напряжения в ннтерва, времени, 1Ч нератор 10 онорной частоты, цифровое отсчетное устр-во 20, источник 21 нанряже1 ня CMIMHC- ния и резистор 22. Введение нерек.чючателя 2 нолйрности, ключа 8, элементов И II 13, триггеров 15 и 16, элемента I l 17, схемы 18 задержки, элемента ИЛИ 19 и реверсивн()-() счетчика 14 импульсов и образование связей между элементами нозв(Х 1яет умеиьшить влияние на результат нзмерення фа нараметро элементов термометра. 3 ii.i. to (Л
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИН
„„SU„„, 1404844
А1 (5)) 4
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ;ц
К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ I
" (>р) Ф(>г (21) 4157708/ 24-10 (22) 08.12.86 (46) 23.06.88. Б(ос!. № 23 (71) Специальпое конструкторско-те);иологическос бюро Львовского производствепного объединения «!Овес(ирпром» и Львовский политсхпический ииститvT ич. Левинского комсомола (72) 11. И. Грибок, В. В. Забульский, В. И. Зорий, B. В. Осиич к, С. А. Савенко и Ю. В. Сасии (53) 536.53 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 979891, кл. С) 01 К 7/02, 1981.
Авторское свидетельство СССР № 609066, кл. С(01 К 7/16, 1976. (54) ЦИФ РОВ011 Т1) Р.ЧО.))! 1 ТР (57) Изоорстсиис относится к тсмпсратуриым измерениям. Цель изобрстсиия (н)вып(свис точности измерении,
1404844.1
1
U dt+ (К+21) С 1
U (R+R )С
55 2 !— о (2) Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к цифровым термометрам с коррекцией характеристики термопреобразователя.
Целью изобретения является повышение точности измерения путем уменьшения влияния на результат измерения дрейфа параметров элементов термометра, а также повышение помехозащищенности.
На фиг. 1 представлена функциональная схема цифрового термометра; на фиг. 2 — 10 временные диаграммы работы основных узлов термометра; на фиг. 3 — структурная схема интегрирующего преобразователя напряжения в интерал времени.
Цифровой термометр содержит первичный измерительный преобразователь 1 температуры, переключатель 2 полярности, дифференциальный усилитель 3, резистор 4, первый ключ 5, источник 6 опорного напряжения, функциональный генератор 7 напряжения, второй ключ 8, интегрирующий преобразователь 9 напряжения в интервал времени, генератор 10 опорной частоты, первый элемент И 11, второй элемент И 12, третий элемент И 13, реверсивный счетчик 14 импульсов, первый триггер 15, второй триггер 16, четвертый элемент И 17, схем,у 18 задержки, элемент ИЛИ 19, цифровое отсчетное устройство 20, источник 21 напряжения смещения и второй резистор 22.
Первый вход 23 интегрирующего преобразователя напряжения в интервал времени подключен к выходу первого ключа 5, второй вход 24 — к выходу второго ключа 8, третий вход 25 соединен с шиной «Пуск», а четвертый вход 26 подключен к выходу генератора опорной частоты. Первый выход 27 интегрирующего преобразователя 9 соединен с управляющим входом первого ключа 5, второй выход 28 соединен с первым входом первого элемента И 11 и инверсным входом где R!!, R! u R — значения сопротивлений соответственно резисторов 22, 4 и 36;
С вЂ” емкость конденсатора интегратора.
В момент t! открывается ключ 42 (фиг. 3) и на счетчик 43 импульсов от генератора 10 опорной частоты поступают импульсы с частотой fo.
При достижении в счетчике 43 импульсов числа И!! (обычно равного полному объему счетчика) в момент tz первый такт заканчивается.
Время интегрирования составляет триггера 16, а третий выход 29 подключен к первому входу четвертого элемента И 17.
Интегрирующий преобразователь 9 напряжения в интервал времени содержит первый ключ 30, второй ключ 31, третий ключ 32, четвертый ключ 33, интегратор на основе операционного усилителя 34 с конденсатором 35, резисторами 36 — 38 и корректирующим конденсатором 39, схему 40 сравнения, цифровой автомат 41, пятый ключ 42 и счетчик 43 импульсов.
Цифровой термометр работает следующим образом.
В исходном состоянии по сигналу «Пуск» триггеры 15 и 16, реверсивный счетчик 14 сбрасываются в нулевое состояние, а преобразователь 9 напряжения в интервал времени приводится в исходное состояние. По сигналу «Пуск» преобразователь 9 начинает свою циклическую работу. Выходной сигнал
Е„первичного измерительного преобразователя температуры 1, например термоэлектрического преобразователя, через переключатель 2 полярности подается на вход дифференциального усилителя 3, где усиливается до номинального уровня (1 — КЕ„), где
К вЂ” коэффициент усиления усилителя 3.
К входу переключателя 5 через резистор 22 подается напряжение U,„èñòî÷íèка 21 напряжения смещения, а через резистор 4 — выходное напряжение U!=Uz>— — КЕ„усилителя 3, где U/„— дрейф нуля усилителя 3. С выхода ключа 5 сигнал поступает на первый вход 23 интегрирующего преобразователя 9. В первом такте с момента
t! до 4 (фиг. 2) цифровой автомат 41 (фиг. 3) замыкает ключ 30 и переводит ключ 5 в нижнее положение.
Резисторы 4 и 22 образуют аналоговый сумматор. Выходное напряжение интегратора (фиг. 2а) изменяется по закону
4 (U>< — К Ех) dt, (1) (., В момент 4 счетчик импульсов переходит в нулевое состояние, а цифровой автомат 41 замыкает ключ 31. В момент 4 (фиг. 2в) включается ключ 31 и напряжение Uo источника 6 через токозадающий резистор 36 с сопротивлением R подключается к входу интегратора (фиг. 3) . Выходное напряжение интегратора линейно уменьшается и в момент 4 становится равным порогу U, срабатывания сравнивающего устройства 40.
Этот момент (фиг. 2а) фиксируется сравнивающим устройством 40, представляющим собой разомкнутый широкополосный усилитель постоянного тока. В момент t3 заканчивается второй такт преобразования. Баланс зарядов на конденсаторе 35 соответствует условию
1404844
20 (4) — а,-а, Е„, (6) Uvã
К Exdt
1»
2
U U (R+R1)C
30 (R+R, ) С
foK.R а, 1 U (R+R ) 1 » о (tz- t,)
= U, (R+R,) (7) 2 N»> К вЂ” — — — Ех + Uñ. (R+R„) с (8) 40 (10) 1 сг 1г
dt + 1 (К+К )С,) 04 (R+R,)C
>» .»»
В момент 4 выходной сигнал на втором выходе 28 преобразователя 9 опрокидывает триггер 16 в единичное состояние (фиг. 2д) и открывает элемент И 11 на время (4 — 4), в течение которого через открытый элемент
И 12 на вычитающий вход реверсивного счетчика поступает М импульсов. Число NI равно
fñ R Г Uc
N=f (t — t)= — — — — +
1 о 3 z
1 „1 (+ ††--- " U dt + ------ 1 U (+1 ) J " (R+R,) 11 (1
fÎ.K R
X dt) + — — — ) (Ex) Uo (R+R1 ) 11
Г с»С 1 где г+
U. L с (R+R.)
1 1, 4
x dt + -- — — — < U .dt s (R+R,)
4.»
В момент 4 цифровой автомат 41 возвращается в исходное состояние, в котором ключи 30, 31 и 42 разомкнуты, а ключи 32 и 33 замкнуты. Начиная с момента 4, аналоговая часть прибора автоматически корректируется. В момент t4 цифровой автомат
41 вновь формирует временной интервал длительностью
»4 с2»1=
Ф, f, (5)
Триггер 16, переходя в момент 4 из нулевого состояния в единичное, вызывает срабатывание переключателя 2, который переключает выводы термопреобразователя 1, в результате чего на выходе дифференциального усилителя 3 формируется напряжение (/2=0„+КЕ„которое и подается на вход преобразователя 9 в течение интервала времени (t — t4) совместно с напряжением от источника 21 напряжения смешения. Эти напряжения, аналогично как с> 1 и U, в процессе двухтактного интегрирования в преобразователе 9 преобразуются во временной интервал 16 — / путем интегрирования во втором такте напряжения U»I источника 6. Поскольку U2)UI, то в момент ts триггер 16 опрокидывается в нулевое состояние, элемент И 13 открывается и импульсы с частотой следования /»» начи» ают поступать с выхода элемента И 11 на суммирующий вход реверсивного счетчика 14. В момент 4 ревер13 (U pKE>») dt — ) 13ос) = Ц, (3)
1 z сивный счетчик 14 переходит в нулевое состояние. Сигнал на выходе нуля реверсивного счетчика 14 опрокидывает триггер 15 в единичное состояние. Единичный сигнал с единичного выхода триггера 15 запускает функциональный генератор 7 напряжения и переводит ключ 8 в нижнее положение.
Учитывая баланс заряда на конденса торе 35 интегратора и равенство t;,— — t4 ——
=4 — tl= —, имеем
iV, f, 1 2
1
1с
1 с>см dt
+ 1 U,. с) + (к+к )с р +к) с
1 »
1 гг
+ ------- ) KExdt -- (Uî dt (Р+К.» ) С, RC
1 4
Так как f»I(tq — t,-,)= f»I(t » — 4), что фиксируется в момент перехода через нуль реверсивного счетчика 14 (момент 4), то, вычитая из выражения (6) выра кение (4), получаем
Таким образом, напряжение U„> на конденсаторе 35 интегратора в момент t; не зависит от напряжения дрейфа и равно
2 (t; — с») К Ех (R+R») С
Если функция преобразования термопреобразователя описывается полиномом и-й степени
E(e) = Ь!8 + Ьгб + ... + Ь„б", (9) где Π— температура;
bI, ..., b„— постоянные коэффициенты, то для получения линейного отсчета развертывающая величина должна быть выражена зависимостью
z-"I »> (t) = ас>» + а„ t + az» < + ° ° ° +а(,» 1)»с
55 где Qol QII Qz>I ..., Q(n I»l — постоянные коэффициенты.
Развертывающую величину (напряжение) A»»(t) генерирует функциональный генератор 7 напряжения. Начиная с момента
1404844
4, происходит разряд напряжения U. до момента равенства выходного напряжения интегратора порогу U, срабатывания сравнивающего устройства.
При этом справедливо соотношение
2 Мо К вЂ” — (b 8 + b 8 +... +Ь„8 ) +
fo(R,+R,) С
+ 0с $ (ар,+ >„ t+ >gg< +
В.С 6
+ ° ° ° + >(n-<)q t ) <1 = 4.
o-t
После интегрирования напряжения Ао(/) в интеграторе преобразователем имеем
2 N К . г (Ь,4 Ьф+ ...+ Ь„,О") — — x .1 („+к) С " Б.С
aí t„ аг, + — — — — — + +
Х(а, t„+ и (и-пл
+ ) = О, и
tx = су с (12) Вводя обозначения aoi=aii, >" — аь З вЂ”
2N K 1 — (ЬВ + Ь,e+...+ Ь„В) — — X
X(a, t„ + а, t„ +... + a t ) = 0 . 2N Кbe и f. (R+R,) а, Х э 2N К b g аг. t Д (14) 40 f (R+R„) R 2N< К, Ь б f, (R+R,) R Отсюда получаем пропорциональность временного интервала t„ значению измеряемой температуры 0„. При fo кратном 10, где m=0, 1, 2, значение измеряемой температуры О„будет непосредственно связано с числом импульсов N„, подсчитанным счетчиком 14 за интервал времени T„ 8„=N„= f, х=10 t„° Функциональный генератор 7 напряжения, вырабатывающий нелинейно изменяющееся во времени напряжение Ao(t), может быть вы полне н в виде посл едовател ьно вклю30 Выбором численных значений No, К, fo, Rl, R, а, аг, ..., а„с учетом bl, b, ..., bÄ исходя из градуировочных характеристик термопреобразователя, можно обеспечить равенства ченных источника опорного напряжения и (n — 1) интеграторов и сумматора, входы которого соединены с выходами источника опорного напряжения и интеграторов. В схему цифрового термометра источний 21 напряжения смещения и резистор 22 введены, исходя из следующих соображений. В связи с тем, что термоЭДС Е„термопреобразователя 1 в первом цикле измерения посредством переключателя 2 полярности подается на входы дифференциального усилителя 3 с отрицательной полярностью, а во втором цикле — с положительной, то для обеспечения одинаковой полярности напряжений Ul и U на выходе усилителя 3 выбирают такие численные значения выходного напряжения источника 21 смещения и сопротивления резистора 22, чтобы U,„)E„ и тем самым Ul и (l будут всегда одинаковой полярности. По сравнению с известным термометром результат измерения не зависит от порога срабатывания U, сравнивающего устройства и дрейфа нуля (l„дифференциального усилителя. Кроме того, поскольку несимметричные электромагнитные помехи за время интегрирования (4 — ti) и (4 — t4) эквивалентны постоянной составляющей на входе усилителя 3, и как U, íîñÿò аддитивный характер, то их воздействие на результат измерения в цифровом термометре также устраняется. Формула изобретения Цифровой термометр, содержащий первичный измерительный преобразователь температуры, два резистора, первый ключ, интегрирующий преобразователь напряжения в интервал времени, генератор опорной частоты, источник напряжения смещения, цифровое отсчетное устройство, источник опорного напряжения, функциональный генератор напряжения и дифференциальный усилитель, выход которого через первый резистор и первый ключ соединен с первым входом интегрирующего преобразователя напряжения в интервал времени, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с шиной «Пуск» и выходом генератора опорной частоты, а первый выход подключен к управляющему входу первого ключа, вход которого соединен через второй резистор с выходом источника напряжения смещения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены переключатель полярности, второй ключ, четыре элемента И, два триггера, реверсивный счетчик импульсов, схема задержки. и элемент ИЛИ, входы которого соединены соответственно с выходом схемы задержки и шиной «Пуск», а выход соединен с входами установки в нулевое состояние первого триггера и - реверсивного счетчика, информационные выходы которого соединены соответственно с информационными входами цифрового 1404844 t Cq Фиг. 2 28 27 Фиг Л Составитель В. Куликов Редактор Г. Волкова Текред И. Верес Корректор Г. Рсшетник Заказ 3092/43 Тираж 607 Подписное ВНИИП! Государственного комитета СССР по делам изобретений и откргягий ! l 3035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская нао., д. 4, 5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная. 4 7 отсчетного устройства, а выход нуля соединен с входом установки в единичное состояние первого триггера, единичный выход которого подключен к управляющим входам функционального генератора напряжения и второго ключа, входы которого соединены 5 соответственно с выходами функционального генератора напряжения и источника опорного напряжения, а выход соединен с вторым входом интегрирующего преобразователя напряжения в интервал времени, второй выход и четвертый вход которого подключены соответственно к первому и второму входам первого элемента И, выход которого соединен с первыми входами второго и третьего элементов И, выходы которых соответственно соединены с вычитаю- 15 щим и суммирующим входами реверсивного счетчика, а вторые входы подключены сооТветственно к единичному и нулевому выходам второго триггера, соединенным соответственно с управляющим входом переключателя полярности и первым входом четвертого элемента И, выход которого соединен с входом схемы задержки и управляющим входом цифрового отсчетного устройства, а второй вход подключен к третьему выходу интегрирующего преобразователя в интервал времени, второй выход которого соединен со счетным входом второго триггера, вход установки в нулевое состояние которого подключен к шине «Пуск», причем выходы первичного измерительного преобразователя температуры через переключатель полярности подключены к входам дифференциального усилителя.
