Цифровой термометр

 

Использование: для измерения температуры различных объектов. Сущность изобретения: цифровой термометр обладает повышенным быстродействием за счет полезного использования информации переходного периода в процессе регулярного нагрева термочувствительного резонатора от объекта, температура которого измеряется. Если температура объекта ниже начальной температуры термочувствительного элемента, то оценка измеряемой температуры производится после достижения состояния теплового равновесия традиционным способом. Алгоритм оценивания температуры реализуется в специализированном вычислителе. Прибор может использоваться в самых различных областях народного хозяйства. Вследствие высокого быстродействия термометра при измерении повышенных температур целесообразно его применение для контроля взрыво-и пожароопасных ситуаций, а также для измерения высоких температур, превышающих допустимую температуру нагрева термочувствительного элемента. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры различных объектов, в том числе и в случае, когда температура объекта превышает допустимую температуру нагрева термочувствительного элемента (ТЧЭ).

Известно устройство для измерения температуры, иллюстрирующее способ измерения температуры [1] содержащее термочувствительный резонатор со схемой управления его положением, кварцевый генератор, распределитель импульсов, две схемы И, два счетчика, два блока масштабирования и сумматор.

Недостатком устройства является необходимость знания величины тепловой постоянной времени ТЧЭ.

Известное устройство [2] лишено этого недостатка, так как оно обеспечивает по- лучение оценки измеряемого ускорения без знания тепловой постоянной ТЧЭ. Устройство содержит термочувствительный элемент с частотным выходом (термочувствительный резонатор), схему охлаждения ТЧЭ, кварцевый генератор, связанный с распределителем импульсов, четыре схемы И, первые входы которых связаны с выходом ТЧЭ, а вторые входы связаны с выходом распределителя импульсов, четыре счетчика, связанные с выходом соответствующих схем И и специализированный вычислитель, связанный с выходом счетчиков.

Недостатком прототипа является невысокая точность и сложность функционирования, обусловленная необходимостью предварительного охлаждения ТЧЭ до температуры, меньшей температуры исследуемого объекта (в противном случае термометр будет иметь недопустимо большую погрешность измерения и, как следствие, невысокую частоту следования циклов измерения и ограниченные диапазон и область применения).

Цель изобретения повышение точности, упрощение функционирования и расширение диапазона измерения термометра.

Цель достигается тем, что в термометр, содержащий термочувствительный резонатор, кварцевый генератор, четыре схемы И, выход каждой из которых соединен с входом соответствующего счетчика импульсов, и специализированный вычислитель, связанный с выходами счетчиков, дополнительно введены связанный с выходами термочувствительного резонатора и кварцевого генератора смеситель, последовательно соединенные счетчик-делитель, счетчик и дешифратор, связанные с входом специализированного вычислителя, три схемы И, цифровой компаратор, источник питания с ключом, схема ИЛИ и два формирователя одиночных импульсов, причем вход счетчика делителя соединен с выходом кварцевого генератора, первые входы первой, второй, третьей и четвертой схем И связаны с выходом смесителя, вторые входы первой, второй, третьей и четвертой схем И связаны с последующими друг за другом первым, вторым, третьим и четвертым выходами дешифратора, выходы первого и четвертого счетчика связаны с входом цифрового компаратора, первый, второй и третий выходы которого связаны с первыми входами пятой, шестой и седьмой схем И, вторые входы которых соединены с выходом второго формирователя одиночных импульсов, вход которого соединен с четвертым выходом дешифратора, входы обнуления всех счетчиков и счетчика-делителя соединены с выходом первого формирователя одиночных импульсов, вход которого соединен с выходом схемы ИЛИ, первый вход которой через ключ соединен с источником питания, а второй вход соединен с пятым выходом дешифратора.

Наличие дополнительно введенных элементов, а также указанные оригинальные связи между ними и известными элементами позволяют считать предлагаемое устройство соответствующим как критерию "Новизна" так и критерию "Существенные отличия".

Изобретение иллюстрируется фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 приведена схема цифрового термометра.

Цифровой термометр содержит термочувствительный резонатор 1, кварцевый генератор 2, смеситель 3, счетчик-делитель 4, пять счетчиков 5-9, дешифратор 10, семь схем И 11-17, цифровой компаратор 18, источник 19 питания и связанный с ним ключ 20, схему ИЛИ 21, два формирователя 22, 23 одиночных импульсов и специлизированный вычислитель 24, причем первый и второй входы смесителя 3 связаны с выходами термочувствительного резонатора 1 и кварцевого генератора 2, выход смесителя 3 связан с первыми входами первой, второй, третьей и четвертой схем И 11-14, вторые входы которых соединены с первым, вторым, третьим и четвертым выходами дешифратора 10, выходы схем 11-14 связаны с входами счетчиков 6-9 соответственно, выходы которых связаны со специализированным вычислителем 24, выходы счетчика 6 и счетчика 9 связаны с первым и вторым входом цифрового компаратора 18, первый, второй и третий выходы которого через первые входы схем И 15, 16, 17 соответственно связаны со специализированным вычислителем 24, вторые входы схем И 15, 16, 17 связаны с выходом формирователя 23 одиночных импульсов, вход которого связан с четвертым выходом дешифратора 10, пятый выход которого связан с вторым входом схемы ИЛИ 21, первый выход которой через ключ 20 связан с источником 19 питания, выход схемы ИЛИ 21 связан с входами обнуления счетчика-делителя 4 и счетчиков 5-9, а выход кварцевого генератора 2 через счетчик-делитель 4 и счетчик 5 связан с дешифратором 10.

Устройство работает следующим образом.

После размещения термометра в исследуемой среде перед началом первого цикла работы осуществляют кратковременное замыкание ключа (ключ-кнопка), что вызывает подачу в течение этого времени напряжения источника питания через схему ИЛИ 21 на вход формирователя 22 одиночных импульсов, в котором формируется короткий импульс, поступающий на R-входы счетчика-делителя 4 и счетчиков 5-9 и обнуляющий их. Импульсы кварцевого генератора 2 через счетчик-делитель 4, понижающий частоту их следования, поступают на счетчик 5, состояние разрядов которого анализируется дешифратором 10. Спустя некоторое время задержки τ_зад, необходимое для того, чтобы нагрев термочувствительного резонатора 1 в исследуемой среде (в случае, если температура среды больше начальной температуры термочувствительного резонатора 1) принял регулярный характер (фиг. 2а), на выходе дешифратора 10, условно принятом за первый выход, появляется единичный потенциал, поступающий на второй вход схемы И 11. При этом через первый вход схемы И 11 на счетчик 6 поступают со смесителя 3 импульсы с частотой, равной разности частот термочувствительного резонатора 1 и кварцевого генератора 2. Через время Δ t на счетчик 5 поступает очередной импульс со счетчика-делителя 4, что вызывает исчезновение единичного потенциала на первом выходе дешифратора 10 и появление его на втором выходе. При этом схема И 11 закрывается, а схема И 12 открывается на временной интервал длительностью Δ t, обеспечивая прохождение разностной частоты на счетчик 7. Аналогичным образом происходят открывание схем И 13 и 14 на время Δ t каждая и запись импульсов разностной частоты в счетчики 8 м 9. В момент окончания четвертого временного интервала в счетчиках 6-9 будет записано количество импульсов N₁, N₂, N₃, N₄, пропорциональное значениям интегралов I₁, I₂, I₃, I₄ соответственно от текущей температуры термочувствительного резонатора. При этом коды, записанные в счетчиках 6 и 9, непрерывно сравниваются между собой в цифровом компараторе 18. Исчезновение единичного сигнала с четвертого выхода дешифратора 10 приводит к формированию в формирователе 23 одиночных импульсов единичного импульса, который поступает на вторые входы схем И 15, 16, 17, обеспечивая поступление с цифрового компаратора 18 в специализированный вычислитель 24 результатов сравнения кодов N₁ и N₄ на момент окончания четвертого временного интервала. В зависимости от того, через какую из схем И 15-17 поступает единичный сигнал на специализированный вычислитель 24, реализуется тот или иной алгоритм нахождения оценки измеряемой температуры, причем сам факт поступления единичного сигнала по одному из входов является информацией о завершении формирования интегралов и разрешением опроса состояния счетчиков 6-9. Если начальная температура термочувствительного резонатора 1 ниже температуры исследуемой среды, то код N₁ будет меньше кода N₄ и единичный сигнал на специализированный вычислитель 24 поступит через схему И 17 с третьего выхода цифрового компаратора 18. При этом в специализированном вычислителе 24 после опроса счетчиков реализуется следующий алгоритм нахождения искомой температуры [2] T^*= где I_i= T(t)dt f_p(t)dt · N_i, f_p(t) K·T(t) К коэффициент пропорциональности; T(t) и f_р(t) текущая температура и частота термочувствительного резонатора; I_i интеграл от текущей температуры за i-й временной интервал;
N_i количество импульсов термочувствительного резонатора, накопленное за i-й временной интервал.

Спустя некоторый временной интервал τ_выч, длительность которого выбирается достаточной для обеспечения требуемой частоты следования циклов работы термометра с учетом времени, необходимого для реализации алгоритма нахождения оценки температуры, с пятого выхода дешифратора 10 поступает единичный сигнал через схему ИЛИ 21 на формирователь 22 одиночных импульсов, в котором формируется короткий импульс, приводящий схему термометра в исходное состояние перед началом формирования очередной оценки искомой температуры с повторением всех описанных операций.

Если температуры исследуемой среды и термочувствительного резонатора 1 равны (фиг. 2б), то коды в счетчиках 6 и 9 также равны и единичный сигнал на специализированный вычислитель 24 поступает через схему И 16 с второго выхода цифрового компаратора 18. По этому сигналу в специализированном вычислителе 24 реализуется алгоритм
T^*= I_i= N_i
(2)
Учитывая, что при подсчете интегралов может быть ошибка в один-два импульса разностной частоты (ошибка дискретности счета), то в цифровом компараторе 18 последние (младшие) два разряда счетчиков 6 и 9 не сравниваются между собой. Ошибка из-за такого допущения не превышает погрешности из-за дискретности счета и компенсируется за счет такого соотношения между разностной частотой f_р(t) и длительностью Δ t каждого из четырех задаваемых временных интервалов, чтобы количество накапливаемых импульсов удовлетворяло условию
γ
(3) где γ требуемая погрешность измерения I_i.

Уменьшению погрешности от дискретности счета способствует усреднение кодов N_i за все четыре временных интервала, что отражено зависимостью (2).

Если температура термочувствительного резонатора 1 превышает измеряемую температуру (фиг. 2в), то код N₁ будет больше кода N₄, в результате чего сигнал на специализированный вычислитель 24 поступает через схему И 15 с первого выхода цифрового компаратора 18. По этому сигналу в специализированном вычислителе 24 может находиться оценка Т* по алгоритму, являющемуся в общем случае функцией не только измеренных интегралов I_i, но и теплофизических свойств среды. С целью исключения необходимости настройки термометра в этом случае на конкретную среду (объект) целесообразно использовать упрощенный подход, состоящий в ожидании достижения момента охлаждения термочувствительного резонатора 1 до температуры среды (момент времени t₅) с последующей реализацией по равенству кодов N₁ и N₄ алгоритма (2). Такой подход ненамного ухудшает быстродействие термометра, зато упрощает алгоритм нахождения измеряемой температуры. Если же
важно обеспечить максимальное быстродействие измерений, то определяется алгоритм вычисления температуры по найденным значениям N_i с учетом теплообмена между термочувствительным резонатором 1 и средой от момента t_o до момента t₄. Таким образом, если начальная температура термочувствительного резонатора превышает измеряемую температуру, о чем свидетельствует появление единичного сигнала на первом выходе цифрового компаратора 18, то в специализированный вычислитель закладывается один из двух алгоритмов:
если требуется максимальная частота получения оценок измеряемой быстро охлаждающейся среды, то предварительно исследуются теплофизические свойства этой среды и разрабатывается алгоритм (аналогичный алгоритму (1)) нахождения измеряемой температуры, учитывающий не только измеренные значения интегралов I₁-I₄, но и теплофизические свойства исследуемой среды;
если максимального быстродействия не требуется, то оценка в данном цикле не находится, а цикл измерений повторяется до тех пор, пока коды N₁ и N₄ не сравняются (термочувствительный элемент при этом придет в тепловое равновесие с исследуемой средой) и не появится единичный сигнал с второго выхода цифрового компаратора 18, что приведет к реализации алгоритма (2).

Второй случай более универсален и является основным в заявке, поэтому конкретные алгоритмы оценивания температуры с учетом теплофизических свойств среды не приводятся.

Длительность временной задержки перед началом измерений задается постоянной для всех трех случаев соотношения температуры среды и начальной температуры термочувствительного резонатора 1 и определяется при калибровке термометра как временной интервал, по окончании которого нагрев и охлаждение термочувствительного резонатора 1 будет находиться в стадии регулярного процесса.

Частота кварцевого генератора 2 ввиду того, что считается целое количество импульсов, выбирается невысокой. Ее смешение с частотой термочувствительного резонатора 1 осуществляется с целью понижения измеряемой частоты для исключения излишней, притом неинформативной, перегрузки счетчиков.

Формирователи 22 и 23 одиночных импульсов срабатывают при перепаде на их входах потенциалов: с низкого на высокий (22) и с высокого на низкий (23). Длительность импульса, формируемого формирователем 23 одиночных импульсов выбирается достаточной для того, чтобы коды, сформированные в счетчиках 6 и 9, успели сравниться в цифровом компараторе 18, а результат их сравнения поступить в специализированный вычислитель 24.

Все рассмотренные элементы и узлы предлагаемого термометра являются стандартными и известными. Архитектура построения и функционирования микропроцессоров и микроЭВМ для использования их в качестве специализированных вычислителей известна.

Положительный эффект доказывается следующими рассуждениями. В устройстве-прототипе перед началом каждого измерения термочуствительный элемент охлаждают до температуры, которая должна быть меньшей, чем измеряемая. Это, во-первых, требует наличия специального охладителя, во-вторых, не позволяет измерять температуру, меньшую, чем выбранная, начальная температура термочувствительного элемента, в-третьих, надо быть заведомо уверенным в том, что начальная температура термочувствительного элемента действительно ниже измеряемой температуры. Такая уверенность может быть лишь в случае, когда диапазон возможных температур исследуемой среды (объекта) известен, что существенно снижает возможности известного устройства по исследованию неизвестных сред (объектов). Уменьшение абсолютного значения начальной температуры расширяет диапазон измерения и повышает уверенность в необходимом соотношении температур, расширяет
диапазон измерения, однако требует все больших энергетических и временных затрат для большего охлаждения и ограничивается возможностями (и габаритами) охладителя. Кроме того, не всегда можно быть уверенным, что выбранная начальная температуры меньше измеряемой, причем достаточно меньше для проведения точного измерения. Если не обеспечить достаточной положительной разности между измеряемой температурой и начальной температурой термочувствительного элемента, то значения интегралов будут близки друг к другу, поэтому исследуемый в прототипе алгоритм
T_c= будет давать увеличивающуюся по мере сближения значений интегралов погрешность в связи с возрастанием веса индивидуальных погрешностей измерения интегралов на общую погрешность измерения. В предельном случае, когда начальная температура термочувствительного элемента и температура среды равны, данный алгоритм не работает, поскольку числитель и знаменатель равны нулю.

Предлагаемое устройство лишено этих недостатков. Если измеряемая температура выше начальной температуры термочувствительного элемента, то реализуется алгоритм (1), а если измеряемая температура ниже или равна температуре термочувствительного элемента, то реализуется алгоритм (2).

Никакого специального охлаждения термочувствительного элемента не требуется, что существенно упрощает функционирование термометра. Диапазон предлагаемого термометра более широкий, чем известного, у которого он ограничен возможностями охладителя. Точность предлагаемого термометра также более высокая, поскольку в устройстве предусмотрен анализ соотношения температуры среды и термочувствительного элемента для выбора соответствующего алгоритма. Быстродействие предлагаемого термометра даже в случае более высокой начальной температуры термочувствительного элемента более высокая, чем у прототипа, поскольку в предлагаемом термометре термочувствительный элемент охлаждается до температуры среды, а в прототипе его надо охлаждать до более низкой температуры. В остальных случаях предлагаемый термометр намного более быстродействующий, чем известный, поскольку охлаждение не требуется вообще. Сформированная в специализированном вычислителе 24 оценка температуры далее используется по назначению (поступает на индикатор, регистрируется и т.д.). Одновременно с оценкой может выдаваться дополнительная информация об используемом алгоритме.

Применение термометра может быть самым разнообразным, включая его использование в целях контроля и предотвращения развития пожаро- и взрывоопасных ситуаций.

Формула изобретения

ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР, содержащий термочувствительный резонатор, кварцевый генератор, пять схем И, выходы первых четырех из которых соединены с входом соответствующего счетчика импульсов, специализарованный вычислитель, связанный с выходами четырех счетчиков, и источник питания с ключом, отличающийся тем, что в него введены связанный с выходами термочувствительного резонатора и кварцевого генератора смеситель, последовательно соединенные счетчик-делитель, счетчик и дешифратор, связанные с входом специализированного вычислителя, шестая и седьмая дополнительные схемы И, цифровой компаратор, схема ИЛИ и первый и второй формирователи одиночек импульсов, причем пятая схема И связана с входом специализированного вычислителя, вход счетчика-делителя соединен с выходом кварцевого генератора, первые входы первых четырех схем И связаны с выходами смесителя, вторые входы первых четырех схем И связаны с последовательно расположенными первым, вторым, третьим и четвертым выходами дешифратора, выходы первого и четвертого счетчиков связаны с входом цифрового компаратора, первый, второй и третий выходы которого связаны с первыми входами пятой, шестой и седьмой схем И, вторые входы которых соединены с выходами второго формирователя одиночных импульсов, вход которого соединен с четвертым выходом дешифратора, входы обнуления всех счетчиков и счетчика-делителя соединены с выходом первого формирователя одиночных импульсов, вход которого соединен с выходом схемы ИЛИ, первый вход которой через ключ соединен с источником питания, а второй вход соединен с пятым выходом дешифратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2