Способ определения температуры и влажности воздуха и устройство для его осуществления

 

Использование: измерение влажности воздуха и газов с помощью полупроводни; ковых датчиков. Сущность изобретения: через р-л-переход датчика пропускают заранее выбранные различные значения тока, формируют релаксационные колебания , измеряют и запоминают установившиеся значения частот релаксзцирнных колебаний, по значениям которых судят о температуре и влажности воздуха. Устройство содержит элементы, формирующие релаксационные колебания и преобразующие параметры релаксационных колебаний в значения температуры и влажности воздуха . 2 с.п. и 1 з.п.ф-ль,, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 М 27/02

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ CCCP) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4888311/25 (22) 25,09.90 (46) 23.12.92. Бюл. N 47 (71) Институт кибернетики им. В,M.ÃëóøêîВЭ (72) B.Ñ.Ìèõàëåâè÷. В,Т,Кондратов и Ю,А.Скрипник (56) Берлинер М,А. Измерение влажности.

M,: Энергия, 1973, с.400.

Авторское свидетельство СССР

N 303579, кл. G 01 М 25/56, 1969. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

- Изобретение относится к измеритель ной технике и может быть использовано для измерения влажности воздуха или отдельных газов с помощью полупроводниковых датчиков.

Известны способы определения, температуры и влажности воздуха и устройства для их осуществления, заключающиеся в преобразовании измеряемой величины в ча.стоту электрических сигналов путем, например, включения влагочувствительного элемента в частотозадающую цепь гейера- тора с последующей обработкой результатов измерения частоты по определенному выражению.

Известным техническим решениям присуща недостаточная точность измерения, обусловленная погрешностями, вносимыми нелинейностью характеристики чувствительного элемента, погрешностью "нуля", временной и температурной нестэоильностью каналов преобразования и др. Это ограни„„5ЛЛ „„1 783400 А 1 (57) Использование: измерение влажности воздуха и газов с помощью полупроводниковых датчиков. Сущность изобретения; через р-и-переход датчика пропускают заранее выбранные различные значения тока. формируют релаксационные колебания, измеряют и запоминают установившиеся значения частот релаксационных колебаний, по значениям которых судят о температуре и влажности воздуха. Устройство содержит элементы, формирующие релаксационные колебания и преобразующие параметры релаксэционных колебаний в значения температуры и влажности воздуха. 2 c,ï. и 1 з.п.ф-ль;, 3 ил. чивает возможности известных способов определения температуры и влажности воздуха с предварительнйм преобразованием измеряемого парамРГрэ в частоту.

Известен способ определения температуры и влажности воздуха, заключающийся в том, что датчики температуры размещают с двух сторон от исследуемого материала, по одну из сторон которого устанавливают также и нагреватель, прйводят всю систему

s равновесное состояние и сообщают исследуемому материалу определенную порциа тепла, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени измерения, измеряют температуру исследуемого материала с помощью датчика, установленного на противсположной стороне от нагревателя, в момент достижения определенной разности температур между датчиками, характеризующей r радиент температуры в среде. и по полученному значению, пользуясь эмпирически установлен1783400 ной зависимостью, находят иркомый пара- мируемое запоминающее устройство; 53— мультиплексор; 54, 55 — первый и второй .: Недостатком известного технического одновибраторы, 56, 57.— первый и второй решения является невысокая точность on- преобразователи кодов; 58 — блок светодиределения температуры и влажности, При 5 одов; 59 — блок цифровой индикации. определении температуры среды неиск- При этом первый выход источника нао остается мультипликативная пряжения 1 соединен через последовательсоставляющая погрешности, а при опреде- но включенные первый резистор и лекии влажности неисключенными являют- транзисторный ключ 5 с выходом операцися погрешности всего измерительного 10 онного усилителя 8, к которому подключен канала, один из вы водов конденсатора 7 и вход форВсе это ограничивает широкое исполь- мирователя 9.. зование известного технического реше- Второй выход источника 1 напряжения ния. соединен с входом формирователя импульЦелью изобретения является повыше- 15 сов сброса 30 и объединенными первыми ние точности определения температуры и выводами второго и третьего резисторов 3 влажности воздуха, а также повышение бы- и 4. Третий выход источника 1 напряжения стродеиствия и м ействия измерений за счет исключе- подключен к цепи управления (базе) транния методических погрешностей, влияния зисторного ключа 6, вторым выводам конначальной частоты релаксационного гене- 20 денсатора 7 и к инвертирующему входу ратора, параметров вольт-амперной харак- операционного усилителя 8, Четвертый вытеристики датчика (р-и-пеРехода) и ход источника 1 напряжения соединен с . нестабильности параметров времяэадаю- входом источника тока 11. Один из выходов щей цепи релаксационного генератора на полупроводникового датчика. 10 и входы результаты определения температуры и 25 кнопок "Установка нуля" 31 и "Режим индивлажности воздуха, а также расширение кации" 32 подключены к земляной шине.

Выход кнопки 32 "Режим индикации" соедиНа фиг.1 приведена структурная схема нен с вторым выводом третьего резистора 4 устройства для onределения температуры и и подключен к счетному. входу первого счетвлажности воздуха,. на фиг,2 — структурная 30 чика импульсов 22, Выход кнопки 31 Устасхема блока обработки сигналов; на фиг.3 новка нуля" соединен с вторым выводом структурная схема цифрового отсчетного второго резистора 3 и подключен к первому устройства. На фиг.1-3принятыследующие входу первого элемента ИЛИ 16, второй обозначения:1 — источник напряжения;2 — 5- вход которого соединен с выходом формипервый, второй, третий и четвертый рези- 35 рователя 30 импульсов сброса. стары; 6 —; 7 — интегри- Выход первого автоматического перерующий конденсатор; 8 — операционный ключателя 12 соединен с прямым входом усилитель; 9 — формирователь счетных им- операционного усилителя 8. Первый вход пульсов; 10 — полупроводниковый датчик;. ав1оматического переключателя 12 подклю11 — источник тока; 12-15 — первый. второй, 40 чен к одноименному выходу второго автоматретий и четвертый автоматические пере- тического переключателя 13, к второму ключатели; 16 — 21 — с первого по шестой выводу полупроводникового датчика 10 и элементй ИЛИ; 22, 23 — первый и второй через четвертый автоматический переклюсчетчики ймпульсов; 24 - реверсивный счет- чатель 16 — к третьему выходу источника 11 чик импульсов: 25 — счетчик тактов; 26 — 45 тока, задатчик числа; 27 — дешифратор; 28 — триг- Первый и второй выходы источника 11 гер;29 — кварцованный генератор;30 — фор- тока соединены с одноименными входами мирователь импульсов сброса; 31, 32 — третьего автоматического переключателя кнопки "Установка нуля" и "Режим индика- 14, выход которого подключен к входу втоции"; 33 — цифровое отсчетное устройство; 50 рого автоматического переключателя 13, 34 — блок обработки сигналов; 25-37 — пер- Второй выход второго и второй вход первовый, второй и третий элементы И; 39-41 — ro автоматических переключателей 13 и 12 первый, второй и третий управляемые дели- объединены между собой и через образцотели частоты; 42, 43 —. первый и второй вый резистор 5 подключены к земляной ширеверсивные счетчики импульсов; 44 — 55 не. счетчик импульсов; 45- блок семи элемен- Цепи управления автоматических перетов 2И; 46 - элемент ИЛИ; 47, 48 — первый ключателей 12 — 15 соединены соответствени второй регистры; 49, 50 — первый и второй но с выходами второго, третьего, четвертого элементы 2-2И-ИЛИ-НЕ; 51 — генератор и пятого элементов ИЛИ 17-20. С первого по, опорной частоты:52 — постоянное програм- девятый входы пятого элемента ИЛИ 20

1783400

Информационные входы цифрового отсчетного устройства 33 подключены к одноименным выходам блока обработки сигналов.

Блок 34 обработки сигналов содержит три элемента И 35-37, задатчик числа 38, первый, второй и третий управляемые делители частоты 39 — 41, первый и второй реверсивные счетчики 42 и 43 импульсов, счетчик

44 импульсов, блок 45 элементов 2И, эле0 мент ИЛИ 46, первый и второй регистры 47 и 48, первый и второй элементы 2-2И-ИЛИНЕ 49 и 50, генератор опорной частоты 51, постоянное программируемое запоминающее устройство 52, мультиплексор 53, пер5 вый и второй одновибраторы 54 и 55.

Первые входы блока 39 элементов 2И являются с четвертого по десятый входами блока 34 обработки сигналов, одинйадцатый и двенадцатйй входы которого соедине0 ны .соответственно с первым и вторым управляющими входами мультиплексора

53. Выходы мультиплексора 53 являются выходами блока 34 обработки сигналов, второй и третий входы которого подключены

5 соответственно к объединенным вторым входам блока 45 элементов 2И и к первому входу первого элемента ИЛИ 46.

Первый вход блока 34 обработки сигналов соединен со счетным входом первого и

0 второго управляемых делителей 39 и 40 частоты. Установочные входы первого управляемого делителя 39 частоты подключены к выходам задэтчйка 38 числа, выход соединен с объединенйыми первыми входами первого и второго элементов И 35 и 36, Второй вход первого элемента И 35 соединен с входом установки нуля второго реверсивного счетчика 43 импульсов и с первым выходом блока 45 элементов 2И. Второй вход блока 45 элементов 2И подключен к входу второго элемента И 36. Выходы первого и . второго элементов И 35 и 36 соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами первого реверсивного счетчика 42 импульсов. Вход установки нуля первого реверсивного счетчика 42 импульсов подключен к выходу первого элемента

ИЛИ 46, выходы соединены с установочными входами второго управляЕмого делителя

40 частоты.

Выход первого управляемого делителя

40частоты подключен к обьединенным между собой первому и третьему входам первого и второго элементов 2-2И-ИЛИ-НЕ 49 и

50, Второй вход первого элемента 2-2ИИЛИ-НЕ 49 соединен с входом первого одновибратора 54 и подключен к четвертому выходу блока 45 элементов 2И, третий выход которого соединен с вторым входом второго элемента 2-2И-ИЛИ-НЕ 50. подключены соответственно к выходам с четвертого по двенадцатый дешифратора

27. Нулевой выход дешифратора 27 соединен с первыми входами второго и третьего элементов ИЛИ 17 и 18 и с четвертым вхо- 5 дом блока 34 обработки сигналов, Первый выход дешифратора 27 подключен к вторым входам второго и третьего элементов ИЛИ 17 и 18, к первому входу четвертого элемента ИЛ И 19 и к пятому вхо- 1 ду блока 34 обработки сигналов. Второй, тринадцатый и пятнадцатый выходы дешифра ора 27 соединены соответственно с шестым, восьмым и десятым входами блока

34 обработки сигналов. Третий выход де- 1 шифратора 27 подключен к второму входу четвертого элемента ИЛИ 19 и седьмому входу блока 34 обработки сигналов, Четырнадцатый выход дешифратора 27 соединен с третьим входом четвертого 2 элемента ИЛИ 19 и девятым входом блока . 34 обработки сигналов, . Двадцать второй выход дешифратора

27 подключен к третьему входу первого элемента ИЛИ 16. остальные десять выходов 2 дешифратора 27 свободны.

Входы дешифратора 27 подключены к одноименным выходам счетчика 25 тактов, вход установки нуля которого соединен с третьим входом блока 34 обработки сигнэ- 3 лов, с первым входом шестого элемента

ИЛИ 21, входом установки нуля реверсивного счетчика 24 импульсов и подключен к выходу первого элемента ИЛИ. 16, :Счетный вход счетчика 25 тактов соеди- 35 нен с входом установки нуля триггера 28, входом перезаписи V и выходом переполнения "-р" реверсивного счетчика 24 импульсов..Установочные входы реверсивного счетчика 24 импульсов подключены к выхо- 40 дам задатчика 26 числа, Счетный вход реверсивного счетчика 24 импульсов соединен с выходом кварцованного генератора 29, к которому подключен и счетный вход второго счетчика 23 импульсов. Вход 45 установки нуля второго счетчика 23 импульсов соединен с выходом шестого элемента

ИЛИ 21.

Выход второго счетчика 23 импульсов подключен к входу установки единицы триг - 50 гера 28, выход которого соединен с вторыми входами шестого элемента ИЛИ 21 и блока

34 обработки сигналов, Первый вход блока

34 обработки сигналов подключен к выходу формирователя 9 счетных импульсов, один- 55 надцатый и двенадцатый входы которого соединены соответственно с первыми и вторым выходами первого счетчика импульСов

22 и первым и вторым управляющими входами цифрового отсчетного устройства 33.

1783400 инверсным выходам первого регистра 47 числа, Цифровое отсчетное устройство 33 включает в себя первый и второй преобразователи кодов 56 и 57, блок светодиодов 58 и блок 59 цифровой индикации, входами соединенный с выходами второго преобразователя 57 кодов, входы которого являются входами цифрового отсчетного устройства

33. Входи блока 53 светодиодов соединены с выходами первого преобразователя 56 (дешифратора) кодов, входы которого являются управляющими входами цифрового отсчетного устройства 33.

Четвертый вход второго эЛемента 2-2ИИЛИ-HE 50 подключен к входу второго одновибратора 55 и шестому выходу блока 45 элементов 2И. Седьмой выход блока 45 элементов 2И соединен с вторыми входами эле- 5 мента ИЛИ 46 и третьего элемента И 37, Пятый выход блока 45 элементов 2И подключен к четвертому входу первого элемента 2-2И-ИЛИ-HE 49. Выходы первого и второго элементов 2-2И-ИЛИ-HE 49 и 50 10 соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами второго реверсивного счетчика 43 импульсов, Выходы второго реверсивного счетчика

43 импульсов подключены к одноименным 15 информационным входам первого и второго регистров 47 и 48, управляющие входы которых соединены с. выходами первого и второго одновибраторов 54 и 55 соответственно.. 20

Выходы второго регистра 48 подключены к четвертым входам мул ьтиплексора 53 и соединены с установочными входами третьего управляемого делителя 41 частоты.

Счетный вход третьего управляемого дели- 25 теля 41 частоты подключен к выходу генератора 51 опорной частоты. Управляющие входы R, V<, V2 трех управляемых делителей39-41 частоты объединены и подключены к земляной шине..Выход третьего управляе- 30 мого делителя 41 частоты соединен черезтретий элемент И 37 со счетным входом счетчика 44 импульсов, Вход установки нуля счетчика 44 импульсов соединен с выходом второго одновибратора 55. 35

Выходы счетчика 44 импульсов подключены к третьим входам мультиплексора 53 и входам адреса столбца постоянного программируемого запоминающего устройства

52, 40

Выходы постоянного программируемо-„ го запоминающего устройства 52 соединены с вторыми входами мультиплексора 53.

Входы адреса строки постоянного программируемогоустройства 52 подключены к пер- 45 вым входам мультиплексора 53 и к

В основу предложенного способа положена зависимость теплообмена между нагретым объектом (датчиком) и окружающей средой (воздухом) от влажности последней.

Теплообмен межу объектом и средой характеризуется теплоотдачей. Количественно интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи ах в Вт/(м ° С), который, согласно закону

Ньютона-Рихмана, определяется выражением

Qx — ъ —, где Р— мощность теплового потока объекта (датчикэ), Вт, Зд - площадь датчика, м;

2, Мх = Ь - tx — разность температур между обьектом и средой.

Для полупроводникового датчика величину а, в В А((м2-ОС) можно записать как

aSa 6tx ahtx где V u I — напряжение и ток через р-п-переход датчика;

A tx — температура перегрева р-и -перехода.

Для определения влажности воздуха необходимо измерить значения температуры окружающей среды (воздуха) Тх и температуры Тп перегрева полупроводникового датчика, а также определить значения коэффициента связи коэффициента теплоотдачи ах с влажностью Nlx воздуха при известной температуре окружающей среды.

Сущность предложенного способа определения температуры и влажности воздуха заключается в определении температуры по падению напряжения нэ р-п-переходе. полупроводникового датчика и его. коэффициента а> теплоотдачи при заданном значении тока нагрева р-и-перехода с последующим определением влажности по зависимости

Wx=I(x Тх).

При определении температуры и влажности воздуха до нагрева р-ri-перехода датчика устанавливают первое и второе значения токов I> и t2 = (1,01...1,1)l> через р-и-переход по начальному участку его вольт-амперной характеристики, а третье значение тока )з = nI> Iî (где и = 102„.10;

1Π— предельно допустимый ток) по конечному участку вольт-амперной характеристики р-и-перехода. Последняя описывается выражением

1783400

-В/тп(qUn/òn (1) -в/т, яи,/кт, (2) Падение напряжения U< на р-и-переходе от тока! при температуре р-п-перехода, равной температуре окружающей среды, т.е. Tn = Tx, определится. с учетом формулы (2), выражением т„ tn Ë, + l

Ц (3) Учитывая, что ток насыщения р-и-перехода немного больше рабочего тока, т;е.

lp»l, падение напряжения представляют выражением с положительным логарифмом:,.

Оп = — — — 1n(lp/1)Тх.

kB k

Q с1 (4) /

Из выражения (4) видно, что падение напряжения на р-и-переходе линейно уменьшается от температуры T> = Тх.

При малых значениях температуры ри-перехода и тока через него получают малые значения падения напряжения на р-п-переходе, что не всегда обеспечивает заряд интегрирующего конденсатора релаксационного генератора, в частотоэадающую цепь которого включается полупроводниковый датчик, до требуемого уровня в заданном частотном диапазоне, В этой связи падение напряжения усиливают или используют дополнительное опорное напряжение, обеспечивая тем самым увеличение тока заряда конденсатора. где 1 — ток через р-и-переход;

lо е " — ток насыщения, зависящий от абсолютной температуры Тп перехода;

1 — ток насыщения при Т> о ;

 — коэффициент, зависящий от материала полупроводника и ширины зоны перехода;

q — заряд электрона;

k — постоянная Больцмана, Un — падение напряжения на р-и-переходе, связывающем ток через р-п-переход с падением напряжения на нем.

Крутизна вольт-амперной характеристики.(1) определяется значением 1п(1 /1), а начальное значение — параметром В. . При изменении температуры Тп в диапазоне Тп»300 К значение отношения

kTn/о»26 мВ и уравнение (1) можно представить в виде

Усиление разности (или суммы) опорного напряжения и падения напряжения позволяет выбрать требуемый частотный диапазон преобразования температуры нагрева

5 датчика в частоту и обеспечить необходимую чувствительность преобразования, Затем, согласно предложенному способу, выбирают образцовый резистор с сопротивлением Rp, равным сопротивлению

10 р-и-перехода датчика для средней температуры диапазона измерений, т.е, Rp = гд.ср.

Пропускают ток 1 . через образцовый резистор с сопротивлением. Формируют релаксационные колебания частоты f< путем

15 заряда интегрирующего конденсатора током 1,, пропорциональным заданной разности AU< напряжений между опорным напряжением Up и падением напряжения:

20 kB

Un1 = 1.1Ва = —. —.— М(1о/I) АТр, (5)

Ц Ц

С Ооп

Upï — r> . (6) 45 С учетом выражений (5) и (6) значение частоты f> релаксационных колебаний определится выражением

Аи<

50 Т< т1Up> r> U (+ 1п(1о/11) л То3.

kB k

Ц Ц (7) Измеряют.и запоминают значение час55 тоты f1 (7) релаксационных колебаний.

Устанавливают через образцовый резистор Rp ток f2. В результате падение йэпряжения на образцовом резисторе Rp увеличится до значения где ЛТо — нормированное значенйе температуры, задавамое априори в пределах диэ25 паэона измерений температуры воздуха;

I< — первое значение тока через образцовый резистор Rp, В, ц, k u lp — параметры, которые определяются типом выбранного полупроводни30 кового датчика, на образцовом резисторе Rp от тока 1 до момента равенства падения напряжения

141 на конденсаторе заданному значению

00п, т.е, 0к1 = 00п.

35 При постоянной времени заряда конденсатора F> = RC. где С вЂ” емкость конденсатора; R — сопротивление цепи, обеспечивающей ток заряда 1к конденсатора, разность Л Ui достигнет значения U

40. за время

1783400

Un2 = 12Ro г — (Uo

Т1 Uon — + 1n(Io/l2) Л To).

kB k а ц (8) Формируют релаксэционные колебания частоты f2 при падении напряжения U„2 (8) на образцовом резисторе Ro оттока 12. В этом случае заряд интегрирующего конденсатора осуществляется током 1к2, пропорци-.

ОНаЛЬНЫМ РаЗНОСтИ НаПРЯжЕНИй Uo И Un2, т.Е. Л02 = Uo - Un2 ЧаСтата f2 рЕЛаКСацИОНных колебаний описывается выражением (О, г1 О г1 О

- — + — tn(Io/I) Л To).

kB ц ц (9) ЬОз=Uo-Опз. . (10) о

С.учетом выражения (10) частота fa релаксеционных колебаний определится выражением

Л 1.4

- — + — 1п(1о/11)Tх), kB ц ц связывающим частоты fg релаксационных колебаний с температурой Тп р-п-перехода, равной температуре Тх окружающей среды

Tn = Tx, параметрами RC-цепи и вольт-амперной характеристикой р-п-перехода.

Измеряют и запоминают значение частоты (11) релаксационных колебаний, соответствующее равенству температур р-и-перехода и окружающей среды (воздуха).

Увеличивают ток через р-и-переход до значения 12 = (1,01...1,1)11. Аналогичным образом формируют релаксационнйе колебания частоты f4 при протекании через р-и-переход тока 12. Б результате падение

Измеряют и запоминают установившееся значение частоты f2 (9);

Пропускают ток 11 через р-и-переход датчика, Формируют релаксационные колебания частоты f3 путем заряда интегрирующего конденсатора током, пропорциональным разности ЛОз между опорным напряжением Uo и падением напряженйя !

4з =11 гв1, где гц1 — сопротивление р-и-перехода при температуре окружающей среды (Тп Тх), на р-и-переходе от тока 11. В этом случае напряжения на р-и-переходе определится выражением

0n4 = 12 гд1, (12)

5 а частота f4 релаксационных колебэний— выражением

ЛЬ Uo oUnn4 1 (О

6 —

W1 Uon г1 Uon т 1 Uon

- — + — 1л(1о/I2)Tx). (13)

kB ц а

Измеряют и запоминают установив15 шееся значение частоты f4 (13) релаксационных колебаний, соответствующее температуре Тх р-п-перехода.

Увеличивают ток через р-r;-пер ход до значения 1з = nit lo, где n = 10 ...10, опре2

20 деляемого конечным участком вольт-амперной характеристики р-п-перехода.

Нагревают р-и-переход током Iз в течение

ИНтЕРВаЛа ВРЕМЕНИ Лтн, РаВНОГО УтРОЕННОму.",начению тепловой постоянной времени

25 t2датчика, т.е. ЛtH =3 t2, Устанавливают через р-и-переход первоначальный ток 11. В результате падение напряжения на р-и-переходе достигнет знаЧЕНИя Un5 = li Гц2, ГдЕ Гц2 — СОПрстИВЛЕНИЕ перегретого р-и-перехода. Аналогичным образом формируют релаксационные колебания частоты f5 при перегретом р-и-переходе, которая опишется выражением .

ЬЪ Uo Un5 1

15 ., . (UotiЧол <1 Uon. 6 13on *

+ jfl(Io/11)Тн), kB k ц (14) 40 где ҄— температура перегретого р-и-перехода.

Увеличивают ток через р-и-переход до значения 12. В этом случае падение напряжения на перегретом р-и-переходе опреде45 лится выражением Un6= 12 го2.

Формируют релаксационные колебания частоты

5 1- ЛЬ=О-06= 1 (Оt1 Uon Z1 Uon Г1 Uon

50 16 . = . = Оо— + — 1п(1 о / 12)Тн), kB k а ц (15) Ate 0,1 t2, (16) Измеряют и запоминают значения час55 тот 15(14) и f6(15) при времени остывания Лtc р-и-перехода не более 10 )(, от тепловой постоянной времени т2 датчика. т.е.

1783400

14 (17) Т =А fç — т4

f1 — тг

Wx = В(Тх) ах =

= В1{Тх)K

Wx =В(Тх) f 1 — - f2 т1 тг

= В(Тх) (18) 20

30 (20) При А = ЛТ»>(ОC) Определяют температуру Тх в С и влажность Wx в % окружающей среды (воздуха) по выражениям где А =. ЛТΠ— коэффициент размерностью

С, определяемый при калибровке;

В1(Тх) — коэффициент связи влажности

Wx с коэффициентом теплоотдачи ах при температуре воздуха Тх, С;

К = U 31(п-1)/Sg A Tp =

-= P/Sg (ъТО, Втl(м i С); а, = P/Sg ЛТх — коэффициент теплоотдачи датчика, Вт/(мг OC);

P — мощность перегрева р-и-перехода датчика;

ЛТх — разность температур датчика и окружающей среды;

Л То — нормированное значение темпе-" ратуры, Sg — площадь поверхности датчи)ка;

Ц и I1 — напряжение и ток р-и-перехода; rl=10 ...10;

B(Tx) = В1{Т ) К вЂ” КОЭффИЦИЕНт, ИМЕЮщий размерность влажности % и определяемый и ри калибровке для средней точки каждого поддиапазона измеряемых значений температур;

f1 — f6 — значения частот релаксационных колебаний.

Результаты определения температуры

Т, (С) и влажности Wx (%) не зависят от начальной частоты релаксационного генератора, от -параметров вольт-амперной характеристики р-и-перехода и от нестабильности параметров времязадающей цепи релаксационного генератора.

Для доказательства этого в формулу для

Тх в С (17) подставляют выражения (7), (9), (11), (13):

7 А т -г, .)

fg,= —" — " ьЯз,)ьто7-(и - — — "г г 5,)дт4 (19) ъ ) . )) .. й.) )-. )". для Тх в С можно записать;

Тх = А Тх/ Л То = Тх {21)

Подставляют в формулу (18) выражения (7), (9), (11), (13), (14) и (15), получая значения в% (1 г(т И вЂ” " „{з%,)т,) (Uo k8+— (.(Р%,)т) ьт, г„(ур,) k () —" n(.;/,)т„- — "Г (У,)т„ где ЛТх = Тя - Тх — температура перегрева р-п-перехода.

25 Так как значение B(Tx), выраженное в

Вт/(м ОС), можно записать как

uI1n — 1

В(Тх) = В1(Тх) =

9 О в)(т„(Bx/)s c).

Sg о

И, = В{Т,) а„= В 1(Т,) х

35 х д- - = В1(Тх) »; 2ГТ что и требовалось доказать.

При проведении калибровки выполняют следующие операции.

В пределах диапазона:измерений температуры воздуха -выбирают нормированное значение АТО температуры. Полупроводниковый датчик помещают в термастат с установленным значением Л Т», температуры, равным, например, среднему: значению диапазона измерений. Измеряют значение частоты f3 релаксационных колебаний при первом значении тока через р-ипереход, одк ючают BMecTo датчика потенциометр и изменяют значение сопротивления (при токе I1 через него) до получения частоты f1 релаксационных колебаний, равной по своему значению частоте f3, т,е.

55 11 = f3 Замеряют значение сопротивления потенциометра и заменяют его образцовым резистором R». Таким образом, дости- гается получение падения напряжения (5) при заданном нормированном значении температуры Ь Т». При изменении то(»а 11 на

1783400

16 температуры A То. При изменении тока 1i нэ

l2 падениЕ напряжения Un2 определяется выражением (8).

Затем находят значения коэффициентов А и Вь Для этого измеряют и запоминают значения частот fi-fe релаксационных колебаний в соответствии с описанными выше операциями способа, Затем вычисляют коэффициент А в С из выражения (17):

fi 2

А- ЛТо 3 f4 (23) Коэффициент В(Тх) вычисляют из выражения (18);

В(Т) = W (24) при ряде дискретных значений температуры Т диапазона измерений и заданном значении влажности В4 воздуха в термостате.

Предложенный способ определения тем- пературы и влажности воздуха обеспечивает исключение влияния на результат измерения начального значения частоты релэксационного генератора, нестабильности параметров его времязадающей цепи, значения опорного нэпряжения, влияния коэффициента В вольт-амперной характеристики р-п-перехода, зависящего от материала полупроводника и ширины зоны перехода, а также тока насыщения р-иперехода, зависящего от температуры перехода. После обработки результатов промежуточных измерений частоты по предложенной последовательности операций исключаются аддитивная и мультипли кативная составляющие погрешности, в том числе и составляющие, обусловленные

-изменением характеристик датчика"и релак-„ сационного генератора в результате старения.

Предложенный способ позволяет осуществлять двухпараметровые измерения состояний окружающей;.вцзДушной среды.

Достоинством заявт)емйоiо способа является также преобразование физических величин в частоту электрического сигнала и возможность передачи ее на большие рэс— стояния по двухпроводной линии связи с минимальными искажениями.

Работа устройства для определения температуры и влажности воздуха заключа. ется в следующем.При.включении питания на выходах источника 1 появятся стабильные напряжения, поступающие на блоки 2-4, 6-8,11 и 30.

Напряжение, поступающее на вход формировэтеля 30 импульсов сброса с второго выхода источника 1 напряжения, обеспечивает формирование на выходе блока 30 импульса сброса, поступающего через первый

5 элемент ИЛИ 16 на входы установки .нуля триггера 28,,счетчика 25 тактов и реверсивнбго счетчика 24 импульсов, Через элементы ИЛИ 16,21 и 46 импульс сброса поступает на входы установки нуля счетчиков 23 и 42

10 импульсов, Автоматические переключатели

12-15 и кнопки 31 и 32 в исходном состоянии находятся в положении, показанном на фиг,1, Кнопка 31 "Установка нуля" используется .для ручного выполнения указанной

15 операции. Кнопка 32 "Режим индикации" предназначена для установки результатов измерений коэффициента теплоотдачи (а ), влажности (94), температуры (Т) или температуры (ЛТ ) перегрева датчика на цифро20 вом отсчетном устройстве 33 путем ее нажатия 1-4 раза и перевода йервого счетчика 22 импульсов в соответствующие состояния на его первом и втором выходах. В результате установки в нуль счетчика 25

25 тактов на его выходе появится код. нуля, устанавливающий дешифратор 27 в состояние, при котором. информативный сигнал появится только на его нулевом выходе.

Длительность этого сигнала (прямоугопь30 ной формы) определяется периодом следования счетных импульсов, поступающих на вход счетчика 25 тактов с выхода "-р" переполнения реверсивного счетчика 24 импульсов, 35 Появление сигналэ на нулевом выходе дешифратора 27 характеризует начало первого такта преобразования. Указанный сигнал поступает на четвертый вход блока 34 обработки сйгйалов и нэ первые входы вто40 рого и третьего элементов ИЛИ 17 и 18. С выходов элементов, ИЛ,Й 17 и 18 сигнал поступает на управляющие входы первого и второго автоматических переключателей 12 . и 13 соответственно. В результате они уста45 йавливаются в положения, противоположные у казанййм на фиг.1.

На прямой вход операционного уси лителя 8 поступит напря>кение.U

50 образцовом резисторе 5 от тока 1i, поступающегоо через третий автоматический переключатель 14 с первого выхода источника 11 тока.

На инвертирующий вход операционно55 гЬ усилителя 8, управляющий вход транзисторного ключа 6 и один иэ выводов конденсатора 7 поступает опорное напряжение О > с третьего выхода источника 1 напряжения. При постоянной времени т1 заряда

1783400 цианного генератора(на базе операционно- от периодов Т»> следования выходных имго усилителя 8, ключа 6, конденсатора 7 и пульсов кварцованного генератора 29, источников 1 и 11 напряжения и тока) на выходе операционного усилителя 8 форми- Продолжительность одного такта Тт соруются релаксационные колебания часто- 5 стоит из времени Т1 переходного процесса ты f1 (7) за счет периодического заряда релаксационного генератора и длительноконДенсатоРа 7 током l»1, пРапоРЦиональ- Сти То измеРительного интеРвала вРемени, НЫМ ЗаДаННОй РаЗНОСтИ ЬU1 = Оо - Оп1 т;Е. Тт = T1 + То. В ЭТОМ СЛУЧаЕ ЕМКОСТЬ напряжений, до момента равенства паде- счетчика 23 выбираютравной NП1=-Т1f»,, а . ния напряжения U«10 емкость реверсивного счетчика 24- равной

ЗаДаННОМу ЗНаЧЕНИЮ Ооп. ПРИ ДОСтИжЕНИИ Кв = (Nm1 + Nm2) = Тт f»s. Nm2 = Tof»a — Эта

Равенства U»1= Уоо тРанзистоРный ключ 6 число, пРеДваРительно записанное в Реоткрывается и конденсатор 8 разряжается. гистр предустановки счетчика 24 с помощью

Процесс заряда-разряда конденсата- задэтчика 26 и определяющее длительность

Ра 7 пеРиодически повтаРЯетсЯ С чаСтотой 15 То = йп2/Г»8 = Nm2 Т»в измеРительного инf1 (7). тервала времени, С помощью формирователя 9 релакса- Длительность измерительного интервационные колебания нормируются по ампли- ла времени выбирают в десять и более раз туде и длительности и поступают через меньшей тепловой постаянной1:времейи пеРвый вход блока 34 обРаботки сигнадов 20 датчика, т.е. То< 0,1 т2. ЙмпУльс длительнана счетные входы первого и второго управ- стью То формируется триггерам 28, подклюляемых делителей 39 и 40 частоты. ченным установочными входами к выходам

Поскольку на установочные входы пер- счетчиков 23 и 24 (фиг.1). Выход триггера 28 ваго управляемого делителя 39 частоты no- соединен через второй вход блока 34 обрэступает кад числа NA, формируемый с 25 батки сигналов с обьединенными вторыми помощью задатчика 38 числа, то на обьеди- входами элементов 2И блока 45, ненные первые входы первого и второго Па истечении времени Т1 переходных элементов И 35 и 36 счетные импульсы с процессов в релаксационном генераторе выхода делителя 39 поступают с частотой после начала первого такта на первом выхоГ = f1/NA, в NA раз меньшей входной часто- 30 де блока 45 элементов 2И появится сигнал ты f1. длительностью То; разрешающий прахажНа суммирующий вход первогО ревер- дение счетных импульсов частоты f1 через сивнога счетчика 42 счетные импульсы.час- элемент И 35 на суммирующий вход первого таты f1 будут поступать с выхода первого реверсивного счетчика 42 импульсов. В реэлементэ И 35 только при поступлении на 35 зультате в последний запишется второй вход последнего разрешающего импульса заданной длительности То с первого N1 = f1 ° То = f1 То/NA . (26) выхода блока 45 элементов 2И.

:- формирование разрешающего импуль- импульсов. В течение измерительного инса или измерительного интервала временй 40. тервала времени счетчик 23 импульсов абдлительнастью То осуществляется с по- нулен выходным сйгналом триггера 28, мощью блоков 21,23,24,26.28 и 29 следую- поступающим на.вхад R установки нуля чещим образом. После установки в нуль рез шестой элемент ИЛИ 21, Счетчиков 23 и 24 на их обьединенныЕ ЧеРез вРемЯ. Тт = То+ Т1 на выходе -Р счетные входы с выхода кварцовэннаго ге- 45 переполнения реверсивного счетчика 24 нератара 29 начнут поступать короткие им- импульсов появится сйгнал, который устапульсы с периодом следования T« = 1/f»a, навливает второй триггер 28 в нуль, разрегде f»o — частота кварцаванного генератора шает запись импульсов в счетчик 23, осуществляет перезапись кода выходного

Счетчики 23 и 24 предназначены для 50 числа Nm задатчика 26 в счетчик 24 и запиформирования тактов преобразрвания и сывает единицу в счетчик 25 тактов. Поизмерения заданной длительности Тт, зада-: ступление импульса в счетчик 25 тактов ния длительности измерительного интерва- прйводит к изменению его выходного кола времени То, а также для формирования да, появлению сигнала на первом выходе сигналов. управляющих работой счетчика 55 дешифратора 26 и исчезновению сигнала

25 тактов и триггера 28. на его первом выходе. Сигнал са второго .

Моменты времени появления импуль- выхода дешифратара 27 поступает через сов на выходах счетчиков 23 и 24 зависят от элементы ИЛИ 17-19 на управляющие вхоих емкостей Nm1 и Nm2 соответственно, от Ды автоматических пеРеключателей 12-14 числа, записанного априори в счетчик 24, и

19 (27) 30

N2 = f2 To = f2 To/NÀ импульсов. В результате йа выходе первого реверсивного счетчика 42 импульсов появится код числа

35 (28) ЙЗ = !ч1- 2 = (!1- т2)То/ИА

Начиная с третьего такта, на установочные входы второго управляемого делителя 40 частоты поступает код числа N3(28). На выходе 40 делителя 40 частоты формируется последо- . вательность импульсов с частотой следованйя, в Из раз меньшей частоты счетных импульсов, поступающий с выхода формирователя 9 на счетный вход второго управ- 45 ляемого делителя 40 частоты.

По истечении времении Тт на выходе -р переполнения реверсивного счетчика 24 импульсов вновь"появится импульс, изменяющий на единицу состояние счетчика 25 50 тактов и устанавливающий блоки 23,24,28 в исходное состояние. Начало третьего такта характеризуется появлением сигнала на втором выходе дешифратора 27 и на шестом входе блока 34 обработки сигналов. 55 Автоматические переключатели 12 — 14 принимают положение, указанное на фиг, l, при котором к прямому входу операционного усилителя 8 подключается полупроводниковый датчик 10, через который течет ток! !. соответственно и на пятый вход блока 34 обработки сигналов.

Положение автоматических переключателей 12 и 13 не изменится и по-прежнему будет противоположным указанному на 5 фиг,1. Положение автоматического переключателя 14 изменится на противополож- йое по отношению к указанному на фиг.1. В результате вторые выходы блоков 11,14,13 и 12 будут объединены и через образцовый 10 резистор 5 потечет ток 12 от источника 11 тока.

На прямой вход операционного усилителя 8 во втором такте постуйит уже напряжение U>2 (8), обусловленное падением 15 напряжения на резисторе 5 от тока l2. В результате на выходе операционного усилителя S формируются релаксационные коле- . бания частоты f2 (9) за счет периодического заряда конденсатора 7 током l<2, пропорци- 20 ональным разности напряжений AU2 = UpU 2. На втором выходе блока 45 элементов

2Й появится импульс длительностью То, разрешающий прохождение счетных импульсов с частотой следования f2 = f1/NA на 25 вычитающий вход первого реверсивного счетчика 42 импульсов.

За время То в счетчик поступит

N4 = f3 To = тз То/ чз, (29) где fa = fa/Мз, импульсов.

По окончании третьего такта на выходе

-р переполнения реверсивного счетчика 24 импульсов вновь появится сигнал, переводящий блоки 23,24 и 28 в исходное состояние и заносящий следующую единицу в счетчик 25 тактов. В результате изменения выходного кода счетчика 25 тактов на третьем выходе дешифратора 27 появится сигнал, характеризующий начало четвертого такта измерения.

Указанный сигнал с третьего выхода дешифратора 27 поступает на седьмой вход блока 34 обработки сигналов и на второй вход четвертого элемента ИЛИ 19. Третий автоматический переключатель 14 устанавливается в положение, противоположное указанному на фиг.1. В результате через датчик 10 потечет ток !2 с.второго вь!хода источника 11 тока. Последний создает на сопротивлении р-и-перехода датчика 10 падение напряжения Un4 (12), которое поступает на .прямой вход операционного усилителя 8, В результате на выходе операционного усилителя 8 частота релаксационных колебаний изменится до значения f4 (13).

Счетные импульсы с частотой следования f4 поступают на второй управляемый делитель 40 частоты, где делятся по частоте в Мз раза. С выхода второго управляемого делителя 40 частоты счетные импульсы с частотой следования f4 = f4/Мз поступают на первый и третьи входы первого и второго элементов 2-2И-ИЛИ-HE 49 и 50, На второй вход первого элемента 2-2И-ИЛИ-НЕ

49 через время Т1 окончания переходного процесса поступает разрешающий сигнал длительностью То с четвертого выхода блоТок I1создает на сопротивлении р-и-перехода датчика падение напряжения U>g, В результате частота релаксационн ых колебаний изменится до значения fg (11).

В третьем такте счетные импульсы с частотой следования fg поступают на счетный вход второго управляемого делителя 40 час- . тоты и делятся в Мз раз. В результате на первые и третьи входы первого и второго элементов 2-2И-ИЛИ-HE 49 и 50 поступают счетные импульсы с частотой следования з = з/Na.

При поступлении разрешающего сигнала длительностью То на второй вход второго элемента 2-2И-ИЛИ-НЕ 50 с третьего выхода блока 45 элементов 2И на вычитающий вход второго реверсивного счетчика 43 поступит

21

М5 = f4 Тр = f4Tp/ИЗ (34) ка 45 элементов 2И. За время Тр на сумми- обеспечивает отключение датчика 10 от рующий вход второго реверсивного счетами- прямого входа"оперэцйонного усилителя ка 43 поступит 8, непрерывное протекание тока !3 через датчик 10 и нагрев последнего в течение (30) 5 времени Л tH.

По истечении времени Л tH нагрева на импульсов. В результате на выходе второго:тринадцатом -выходе"феаифратора 27 пояреверсивного счетчика 43 импульсов йоя- вится сигнал, который поступает на восьвится код числа мой вход блока 34 обработки сигналов.

10 Одновременно автоматические переклюN5= N5-N4=(f4-13)Тр/N3. (31) чатели 12 и 15 устанавливаются в исходные положения, указайные нэ" фиг.1, из-за

Кодчисла И5(31) поступает на информа- отсутствия сигналов" на Их управляющих ционные входы первого и второго регист- входах, ров 4? и 48, Задним фронтом импульса с 15 При указанном положений автоматичечетвертого выхода блока 45 элементов 2И ских переключателей через нагретый полузэпускается одновибратор 54. Последний проводниковый датчик 10 потечет ток !1 с формирует короткий импульс записи кода первого выхода ис1очнйка 1 тока, который числа N5 (31) в регистр 47 числа. На первые создает йадение"напряжения ОП5 на сопровходы мультиплексора 53 и входы адреса 20 тивлении р-и-переходадэтчика 1 0. Зто на строки постоянного программируемого за- пряженvie поступает=на прямой вход поминающего устройства 52 поступит с ин- операционного усилителя 8, Аналогичным версных выходов регистра 47 код числа образом на выходе операционного усилителя 8 формируются релаксационные колеббN7 = (f3- f4)Tp/N3. (32) 25 ния частоты 15(14). Свыходаформирователя

9 счетные импульсы частоты f5 поступают на

По окончании четвертого такта на выхо- счетный вход второго управляемого делитеде -р переполнения реверсивного счетчика ля 40 частоты. делятся с его помощью в N3 импульсов 4 вновь появится сигнал, перево- раз, а затем с частотой следования дящий блоки 23,24 и 28 в исходное состоя- 30 ниЕ и заносящий очередную единицу в f5 = f5/N3 .. (33) счетчик 25 тактов. В результате изменения выходного кода счетчика 25 тактов на чет- поступаютна первые и третьи входы перэовертом выходе дешифраторэ 27 появится ro и второго элементов 2-2И-WIN-НЕ 49 и

-. сигнал, характеризующий начало пятого 35 50. Через время Т1 окончания переходных такта. Одновременно этотсигнал поступает процессов на пятом выходе блока 45 элена третий и первый входы второго и пятого ментов 2И появится сигнал, разрешающий элементов ИЛИ 17 и 20 соответственно. прохождение в течение времени Т счетных

Первый и четвертый автоматические пе- . импульсов с частотой следования f5 (33) на реключатели:12 и 15 устанавливаются в по- 40. суммирующий вход второго реверсивного ложения, противоположные указаннйм"на . счетчика 43 импульсов. За время Тр, в пофиг.1. В результате полупроводнйкбэый следний поступит датчик 10 отключается от прямого входа операционного усилителя 8 и через автома- . N5 = f5 Т = f5 Тр/N3 тический переключатель 15 подключаются к 45 третьему выходу источника 11 тока !3. С пя- импульсов. того такта начинается подогрев датчика 10 В результате общее число импульсов, током !3. записанное во второй реверсивный счетчик ток !3 через полупроводниковый датчик 43 импульсов, по окончании четырнадцэто10 пропускается в течение девяти тактов (с 50 ro такта станет равным пятого по тринадцатый включительно), т,е. в течение времени Л - 9Тр = 3 т2, равного Ng= N5+Ng=N5-N4+ N5= утроенному значению тепловой постоянной = (f4 - f3+ f5)Tp/N3.. (35) времени датчика 10. Нагрев датчика током !

3 = и!1 = !р осуществляется до температу- 55 Окончание измерительного интервала ры Тн. Поочередное поступление сигналов . времени Тр характеризуется появлением с выходов (с четвертого по двенадцатый очередного четырнадцатого импульса на включительно) дешифрэтора 27 через эле- выходе-р переполнения реверсивного счетменты ИЛИ 17 и 20 на управляющие входы чика 24 импульсов. Последний поступает в автоматических переключателей 12 и 15

1783400 (40) 25 т7 = fon/ ч11 (41) (39) NA

f1 — b

% = foTo/NA. счетчик 25 тактов и изменяет его выходной код. Это приводит к появлению сигнала на четырнадцатом выходе дешифрэторэ 27.

Указанный сигнал поступэет на девятый вход блока 34 обработки сигналов и через третий вход четвертого элемента ИЛИ 19 на управляющий вход третьего автоматического. переключателя 14. Последйий изменяет свое положение нэ противоположное указанному нэ фиг.1. В результате через нагретый полупроводниковый датчик потечет ток с второго выхода источника 11 тока и создаст на сопротивлении р-и-перехода паде-.

НИЕ НаПРЯжЕНИЯ Uno.

Последнее поступает нэ прямой вход операционного усилителя 8. В результате частота релэксэционных колебаний нэ выходе операционного усилителя 8 изменится до значения fg(15). С выхода формирователя

9 счетные импульсы с частотой следования

f0поступают нэ счетный вход второго управляемого делителя 40 частоты, делятся с его помощью в Йз рэз, а. затем с чэстотой следования

f6 =. 16/ИЗ . (36) поступают нэ первые и третьи входы первого-и второго элементов 2-2И-ИЛИ-НЕ 49 и 50.

Через время Т1 окончания переходных процессов нэ шестом выходе блока 45 элементов 2И появится сигнал, разрешающий йрохождение в течение времени То счетных импульсов с частотой следования fg (36) нэ вычитэющий вход второго реверсивного счетчика 43 импульсов. Зэ время То в rioследний поступит

Й10 = тб То = f6To/ чз (37) им пул ьсо в.

По окончании пятнадцатого такта на информэционные входы первого и второго регистров 47 и 48 с выхода второго реверсивного счетчика 43 импульсов поступит код числа

1ч11 = Mo 10= 1ч6+ NS 10.—

= Й5- N4+ NB- Й 10

= (т4 " тЗ+ 5 тб)То/N3 =

{ )

Задним фронтом импульса с шестого выхода блока 45 элементов 2И. запускается второй одновибрэтор 55, формируется короткий импульр. Последний осуществляет запись во второй регистр 48 кода числа N11 (39) и устанавливает в нуль счетчик 44 импульсов.

По окончании пятнадцатого такта на выходе -р переполнения реверсивного счетчика 24 импульсов появится сигнал, устанэвливэющий блоки 23,24 и 28 в исход5 ное состояние и зэносящий очередную единицу в счетчик 25 тактов. B результате изменения выходного кодэ счетчика 25 тактов на пятнадцатом выходе дешифраторэ

27 появится сигнал, характеризующий нэ10 чало шестнадцатого такта, Автоматический переключатель 14 принимает свое исходное состояние, показанное нэ фиг.1, Через время Т1 на выходе триггера 28 формируется импульс длительностью To, который через

15 второй вход блока 34 обработки сигнэлов поступает нэ вторые входы блокэ 45 элементов 2И. В результате на седьмом выходе блока 45 элементов 2И появится импульс этой же длительности То, который рэзрешэ20 ет поступление с выхода третьего управляемого делителя 41 частоты нэ счетный вход счетчика 44 импульсов с частотой следования

Зэ время То в счетчик 44 запишется Ч12 = 17 To = акоп То/N1 =

30 . fon 1о f1 f2

NA (f4 — fq + f5 — f6)

11 — f2

Нк, Гдв йк fon To/NA, импульсов.

Код числа N1z (41) с выходов счетчика 44 импульсов поступает на третьи входы мультиплексора 53 и на входы адреса столбца

40 постоянного программируемого запоминающего устройства 52. На входы адреса строки постоянного программируемого запоминающего устройства 52 поступает, кэк уже отмечалось, код числа N7 (32). Нэ выходе запоминающего устройства 52 появится код числэ йц = Иэ(Тх) -(т -— ; —, (42) ГДЕ NW(Ty) = НВ(Тх) Мк, Э НЦ{Тх) — КОзффИЦИент пропорциональности, определяемый при калибровке и связывающий коэффициент теплоотдачи датчика и влажность воздухэ;

Nw(Tx) — коэффициент пропорциональности. определяемый при калибровке;

1783400

Индикация результатов определения занных параметров, а также широкими фунтемпературы (32) и влажности (42) воздуха, кциональными возможностями, коэффициента теплоотдачи (41) и темпера- Повышение точности определения темтуры {39) перегрева датчика осуществляется пературы и влажности воздуха обеспечивас помощью цифровогоотсчетногоустройст- 5 ется за счет реализации нового способа ва 33. измерения, позволяющего исключить влияДля этого нажимают кнопку "Режим ин- ние на результат измерения начального знадикации" 32 до тех пор (1-4 раза), пока на чения частоты penаксационногогенератора, индикаторе устройства не появится под- нестабильности параметров его времязадастветка необходимой аббревиатуры а, W, Т 10 ющей цепи. значения опорного напряжения или ЛТ с помощью одного из четырех све- источника 1, влияние коэффициента В тодиодов блока 58 светодиодов цифрового . вольт-,амперной характеристики р-п-riepexoотсчетного устройства 33. Сигнал на тот или да датчика 10, зависящего от материала поиной светодиод блока 58 светодиодов по- лупроводника и ширины зоны перехода, а ступает с соответствующего выхода первого 15 также тока насыщения р-п-перехода, завипреобразователя 56 (дешифратора) кодов сящегооттемпературы перехода Т -+ . первого счетчика 22 импульсов, счетный Введение блока 34 обработки сигналов вход которого подключен к кнопке 32 "Pe- позволяет осуществить измерение значежим индикации", ний частот релаксационных колебаний за

В соответствии с выходным кодом 20 измерительный интервал времени То и та (00,10,0,1,11) первого счетчика 22 импуль- кую обработку результатов промежуточных

Сов, поступающим также на управляющие измерений, при которой исключаются аддинходы мультиплексора 53, на второй преоб- тивная и мультипликативная составляющие разователь 57 кода цифрового отсчетного погрешности измерения, потрешностй, устройства 33 поступит код результата из- 25 обусловленныестарениемэлементов схемы, мерения температуры (32), влажности {42) релаксационного генератора и датчика, повоздуха, коэффициента теплоотдачи {41), грешности от нелинейности вольт-амперили температуры перегрева (39) датчика с ной характеристики датчика, при этом выходов мультиплексора 53, Преобразован- исключается влияние кратковременной неный с помощью блока 57 код числа(32),(42) 30 стабильности частоты релаксационных ко(41) или (39) поступает на блок 59 цифровой лебаний, имеющей место при переходном индикации, с помощью которого отобража- процессе после изменения положений автоется полученный результат измерения. матических переключателей. Последнее доКнопка 31 "Установка нуля", подклю- стигается соответствующим выбором ченная к первому входу элемента ИЛИ 16, 35 измерительного интервала времени по исобеспечивает ручной режим установки в течении переходных процессов и введенинуль устройства и начало измерений. Цик- ем в устройство блоков 21 — 30, соединенных лический режим измерений обеспечивает- определенным образом и обеспечивающих ся путем подключения двадцать второго формирование идентичных по длительности выхода дешифратора 27 к третьему входу 40. тактов измерений и формирование измериэлемента ИЛИ 16, соединенного с устано- тельного интервала, времени заданной длйвочными входами блоков 21, 23, 24 и 34 тельности Тр. устройства. В предложенном устройстве обработка

Необходимо отметить, что сигнал на результатов осуществляется в реальном двадцать втором выходе дешифратора 27 45 масштабе времени, что повышает быстропоявляется через семь тактов после опреде- действие процесса определения температуления значения влажности воздуха. Совме- ры и влажности воздуха. Кроме того, стно с первыми двумя тактами это составйт . повышение быстродействия обеспечиваетдевять тактов, что вполне достаточно для ся за счет выбора соответствующих режиостывания полупроводникового датчика 50 мов преобразования физических величин в

10 до температуры окружающей, среды. В частоту релаксационных колебаний, режипредложенном устройстве время нагрева и мов питания и нагрева полуг;роводникового время охлаждения датчика равны между датчика, а также выбором интервалов вресобой. Это обеспечивает стационарный ре- мени измерения, нагрева и охлаждения датжим работы и одинаковые условия опреде- 55 чика. ления значений физических величин. Введение в устройство определенным

Предложенное устройство для опреде- образом соединенных четырех автоматичеления температуры и влажности воздуха от . ских переключателей и четвертого образцопрототипа отличается повышенной точно- вого резистора, счет (I ка тактов и стью и быстродействием опоеделения ука- дешифратора обеспечивает полуыние ин28

27 формационно из и избыточности в строго за- та равенства падения напряжения на конданной последовательности и оптимальную денсаторе заданному значению, измеряют реализацию алгоритм оритмов обработки измери- и запоминаютустановившиеся значения чательной информации. стоты f1 релаксационных колебаний, пропуВажным отличием предложенного уст- 5 скают через образцовый резистор ток 1р, ройства являются его широкие функцио-., формируютрелаксационные колебаниячаснальные возможности. Кроме определения тоты f при падении напряжения на обраэтемпературы и влажности воздуха предло- цовом резисторе от тока lz, измеряют и женное устройство обеспечивает получение запоминают установившееся значение часи выдачу информации о температуре пере- 10 тоты fz, после пропускания через р-и-перегрева полупроводникового датчика и его ко- ход токов li и 12, измерении и запоминании эффициенте теплоотдачи, Возможность соответствующих частот fa и f4 установивиэмерения температуры и коэффициента шихсярелаксационныхколебаний,нагреватеплоотдачи датчика позволяет использо- ют р-и-переход током!э в течение времени, вать предложенное устройство для анализа 15 равного утроенному значению тепловой понекоторых газовых смесей, благородных га- стояной времени датчика, устанавливают эов, водорода, хлора, углекислого газа, сер- через перегретый р-и-переход первоначаль-. нистого газа и различных органических ный ток 1, формируют релаксационные ковеществ в смеси с воздухом по ихтеплопро- лебания частоты fg, увеличивают ток через водности. 20 р-й-переход до значения 1г, формируют реИ, наконец, введение двух регистров 47 лаксационные колебания частоты fg, иэмеи 48 обеспечивает хранение реЗультатов ряют и запоминают значения частот f5 и fg предыдущих измерений до получения но- релаксационных колебаний привремениосвых результатов. тывания р-и-перехода не более 107; от теп25 ловой постоянной времени датчика. а

Ф о р м у л а и э о б р е т е н и я температуру и влажность окружающей сре1. Способ определения температуры и ды определяют по выражениям влажности воздуха с помощью полупроводникового датчика, заключающийся в после- Т = А тэ т4 оС; х= довательном пропускании различных 30 значений тока через р и-переход датчика в 94= В(т„) 1 2 % выборе первого значения тока 1 по началь- " ." fg — fg — f3 — f4 ному участку вольт-амперной характеристики полупроводникового датчика, второго эна- где д — коэффициент, определяемый при чения тока!2 Равного 12 =. (1,01...1,1)11, и 35 калибровке в среде (воздуха) со средней третьего значения тока 1з = nl1 — lo, где и температурой диапазона измерений;

- =10 ...103, 1Π— предельно допустимый ток, В(Т ) — коэффициент, определяемый определяемый по конечному участку вольт- при калибровке для температуры, близкой к амперной характеристики датчика, и фор- Т„. миРовании РелаксаЦионных колебаний 40 f1,fã,fç,f4Ë,f6 — значение частот релакпутем заряда интегрирующего конденсато- . сационных колебаний.

Ра током, пРопорциональным Разности 2. Устройство для определения темпемежду опорным напряжением и падением ературы и влажности воздуха, содержащее . нап ряжения на р-и-переходе от токов.11, 12 источник напряжения, источника тока, резиили 13, измерении и запоминании устано- 45 сторы, конденсатор, полупроводниковый вившихся значений частот релаксацион- датчик с р-п-переходом, транзисторный ных колебаний, по которым определяют ключ, формирователь счетных импульсов, температуру Тх и влажность W< вОздуха. первый счетчик импульсов, кнопку "Режим отличающийся тем, что, с целью индикации", кнопку "Установка нуля", форповышения точности, предварительно ток l < 50 мирователь импульсов сброса. первый элепропускают через образцовый резистор с мент ИЛИ, цифровоеотсчетноеустройство сопротивлением, равным сопротивлению и операционный усилитель, выход которор- и-перехода датчика для средней темпе- го подключен к входу формирователя счетратуры диапазона измерений, формируют ных импульсов, к одному из выводов релаксационные колебания частоты f< пу- 55 конденсатора и входу транзисторного тем заряда интегрирующего конденсатор ключа, выход которого соединен через током, пропорцкональным заданной раз- первый резистор с первым выходом источности напряженйй между опорным напря- ника напряжения, второй выход которого жением Uo и падением напряжени на подключен к обьединенным своими первыобразцовом резисторе от тока l <, до момен29

1783400

30 ми выводами второму и третьему резисто- тринадцатый и пятнадцатый выходы дешифрам и. входу формирователя импульсов ратора соединены соответственно с шессброса, третий выход источника напряже- тым, восьмым и десятым входами блока ния подключен к цепи управления транзи- обработки сигналов, третий выход подклюсторного ключа, к вторым. выводам 5 чен к второму входу четвертого элемента конденсатора и инвертирующему входу ИЛИ и седьмому входу блока обработки сигоперационного усилителя, четвертый выход налов, четырнадцатый выход дешифратора источника напря>кения соединен с входом соединен с третьим входом четвертого элеисточника тока, один из выводов полупро- мента ИЛИ и девятым. входом блока обраводникового датчика и входы кнопок "Pe- 10 ботки сигналов, двадцать второй выход

>ким индикации" и "Установка нуля" дешифратора подключен к третьему входу подключены к земляной шине, выход кноп- . первого элемента ИЛИ, остальные выходы ки "Режим индикации" соединен с вторым дешифратора свободны, входы дешифратовыводом третьего резистора и подключен к ра:подключены к однойменным .выходам счетному входу. первого счетчика импуль- 15 счетчика тактов, вход установки нуля котосов, выход кнопки "Установка нуля" соеди- рого соединен с третьйм входом блока обранен с вторым выводом второго резистора и ботки сигналов, с первым входом шестого подключенкпервомувходупервогоэлемен- элемента ИЛИ, входом установки нуля рета ИЛИ, второй вход которого соединен с версивного счетчика импульсов и подклювыходомформирователяимпульсов сброса, 20 чен к выходу первого элемента ИЛИ; отл и ч à ю ще е с ятем, что дополнительно счетный вход счетчика тактов соединен с введены блок обработки сигналов, образца- входом установки нуля триггера, входом певый резистор, триггер, второй счетчик им- резаписи "V" и выходом переполнения "-р" пульсов, кварцеванный генератор, реверсивного счетчика импульсов, устанореверсивный счетчик импульсов, задатчик 25 вочные входы которого подключены к выхочисла, счетчик тактов, дешифратор, второй. дам задатчика числа, счетный вход третий, четвертый и пятый элементы ИЛИ, реверсивного счетчика импульсов соединен первый, второй, третий и четвертый авто- с выходом кварцованного генератора, к коматическиепереключатели, выходпервого торому подключен и счетный вход второго. автоматического переключателя соединен 30 счетчика импульсок вход установки нуля кос- прямым входом операционного усилите- торого соединен с выходом шестого элеменля, первый вход подключен к одноименно- та ИЛИ, выход второго счетчика импульсов му выходу второго автоматического подключен к входуустановкиединицытригпереключателя. к второму выводу полупро- гера, выход которого соедйнен с вторыми водникового датчика и через четвертый ав- 35 входами шестого элемента ИЛИ и блока обтоматический переключатель — к третьему . работки сигналов, первый вход которого выходу источника тока, первыи и второй вы- подключен к выходу формирователя счетходы которого соединены с одноименными ных импульсов, одиннадцатый и двенадцавходами третьего автоматического пе-: тый входы блока обработки сигналов реключателя, чей выход подключен к входу 40. соединены соответственно с первым и. втовторого автоматического переключателя, рым выходами первого счетчика импульсов второй выход второго и второй вход первого и первым и вторым управляющими входами автоматических переключателей обьедине- цифрового отсчетного устройства, информаны между собой и через образцовый рези- ционные входы которого подключены к одстор подключены к земляной шине, цепи 45 ноименным выходам блока обработки управления первого, второго, третьего и сигналов. четвертого автоматических переключателей 3. Устройство по п.2, о т л и ч а ю щ е есоединены соответственно с выходами вто- с я тем, что. с целью повышения быстродейрого, третьего, четвертого и пятого элемен-- ствия и расширения функциональных возтов ИЛИ, первый — девятый входы 50 можностей, блок обработки сигналов последнего из которых подключены соот- содержит мультиплексор; постоянное проветственно к четвертому-двенадцатому вы- граммируемое запоминающее устройство, ходам дешифратора, нулевой выход два регистра числа, два одновибратора, дешифратора соединен с первыми входами счетчик импульсов, три элемента И, три уп.второго и третьего элементов ИЛИ и с чет- 55 равляемых делителя частоты, два реверсиввертым входом блока обработки сигналов, ных счетчика импульсов, генератор опорной первый выход подключен к вторым входам частоты, элемент ИЛИ; задатчик числа, два второго и третьего элементов ИЛИ, к перво- элемента 2-2И-ИЛИ-НЕ и блок семи злеменму входу четвертого элемента ИЛИ и к пято- тов2И, первые входы которых являются четму входу блока обработки сигналов, второй., вертым-десятым входами блока обработки

32

31 сигналов, одиннадцатый и двенадцатый входы которого соединены соответственно с первым in вторым yripàâëàþùèìè входами мультиплексора, выходы которого являются выходами блока обработки сигналов, второй и третий входы которого пбдключены соответственно к объединенным вторым входам блока элементов 2И и к первому входу первого элемента ИЛИ, первый вход блока обработки сигналов соединен со счетными входами первого и вторбго уйравляемых делителей частоты, устайовочные вМфы первого управляемого делителя. частоты подключены к выходам задатчика чис-, ла, выход соединен с объединенными первыми входами первого и втброгб элементов И, второй вход первого элемента И соединен с входом установки нуля второго реверсивного счетчика импульсов и с первым выходом блока элементов 2И, второй вход которого подключен- к второму входу второго элемента И, выходы первбго и второго элементов И соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами первого реверсивного счетчика импульсов, вход установки Aynsi которого подключен к выхбду первого элемента ИЛИ, выходы йервого реверсйвйогб Счетчика"импульсов .сбединены с устанбвочными-входами второго управляемого делителя частоты, выход которого подключен к объедййенным между собой первому и третьему входам первого и второго элементов 2-2И-ИЛИ-НЕ, второй вход первого элемент 2-2И-ИЛИ-НЕ соединен с входом первого одновибратора, и подключен к четвертому выходу блока элементов 2И, третий выход которогосоединен с вторым входом второго элемента 2-2ИИЛИ-НЕ, четвертый вход которого подключен к входу второго одновибратора и к шестому выходу блока элементов 2И, седьмой выход которого соединен с вторыми входами первого элемента ИЛИ и третьего эле5 мента И, пятый выход блока элементов 2И . подключен -к четвертому входу первого .алемента 2-2И-ИЛИ-К Е, выходы первого и второго элементов 2-2И-ИЛИ-НЕ соединены соответственно с суммирующим и вы10 читающим входами второго реверсивного счетчика импульсов, выходы которого подключены к одноименным информационным входам первого и второго регистров, управляющие входы которых соединены с

15 выходами первого и второго одновибраторов соответственно, выходы второго регистра подключены к четвертым входам мультиплексора и соединены с установочными входами третьего управляемого де20 лителя частоты, счетный вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, управляющие входы R, V>, Чг трех управляемых делителей частоты объединены между собой и подключены к земляной

25 шине, выход третьего управляемого делителя частоты соединей через третий элемент

И со счетным входом счетчика импульсов, вход установки нуля которого соединен с выходом второго одновибратора, выходы

30 счетчика импульсов подключены к третьим входам мультиплексора и входам адреса столбца постоянного программируемого запоминающего устройства. выходы которого соединены с вторыми входами мультиплек35 сора, входы адреса строки постоянного программируемого запоминающего устройства подключены к первым входам мультиплексора"и инверсным выходам nepsoro регистра числа.

l фы2. 3

Составитель Ю. Качуровскии

Техред М.Моргентал Корректор № Шмакова

Редактор Г; Бельская

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4510 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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