Цифровой термометр

 

Изобретение относится к температурньм измерениям и позволяет повысить точность измерения температуры за счет снижения составляющей погрешности , вносимой умножителем. При высоком уровне сигнала, поступающего с выхода счетчика 7 счетного интервала на управляюпщй вход ключа 4, импульсы измеряемой частоты через схему ИЛИ 8 поступают на счетньй вход счетчика 11 результата, увеличивая его содержимое казсдым импульсом на единицу . Сигнал с термопреобразователя 1 через умножитель частоты 2 поступает на вход 18 схемы 6 формирования временных интервалов,, пропускающий сигнал на один из счетчиков 9 результата только за интервалы времени,представляющие нецелые части периода измеряемого сигнала. При единичном со (Л стоянии старшего разряда счетчика 9 с после окончания временного интервала добавляется в счетчик 11 результата один импульс, для чего предназначена схема 5 добавления импульса. 4 ил. 1C 00 4J СП

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (1% (11) А1 (sg 4 С 01 К 7/32

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) ЦИФРОВОЙ TEPNOMETP

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 390! 092/24-10 (22) 27.05.85 (46) 30.11.86. Бюл. В 44 (71) Львовский ордена Ленина политехнический институт им. Ленинского комсомола (72) В.А. Голембо и Клаус Циммерман (00) (53) 536.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 870972, кл. G 01 К 7/00, 1979.

Голембо В.А., Котляров В.Л., Швецкий Б,И. Пьезокварцевые аналогоцифровые преобразователи температуры. — Львов, Вища школа, 1977,с.101, 147, рис. 7.1. (57) Изобретение относится к температурным измерениям и позволяет повысить точность измерения температуры за счет снижения составляющей погрешности, вносимой умножителем. При высоком уровне сигнала, поступающего с выхода счетчика 7 счетного интервала на управляющий вход ключа 4, импуль° сы измеряемой частоты через схему

ИЛИ 8 поступают на счетный вход счетчика 11 результата, увеличивая его содержимое каждым импульсом на единицу. Сигнал с термопреобразователя 1 через умножитель частоты 2 поступает на вход 18 схемы 6 формирования временных интервалов,. пропускающий сигнал на один из счетчиков 9 результата только за интервалы времени, представляющие нецелые части периода измеряемого сигнала. При единичном состоянии старшего разряда счетчика 9 после окончания временного интервала добавляется в счетчик 1! результата один импульс, для чего предназначена схема 5 добавления импульса. 4 ил.

1 12737

Изобретение относится к температурным измерениям и может быть использовано для измерения температуры контактным методом с помощью термопреобразователей с частотным выходным сигналом, например пьезокварцевых, а также для измерения других физических величин датчиками с частотным выходным сигналом.

Целью изобретения является ловы- 10 шение точности измерения температуры путем снижения составляющей погрешности, вносимой умножителем.

На фиг. 1 представлена схема.ци= фрового термометра; на фиг. 2„- вре- 15 менная диаграмма, описывающая ее работу на фиг. 3 — схема добавления импульса, на фиг. 4 — схема формирования временных интервалов.

Цифровой термометр (фиг.1) содержит термопреобразователь 1 с частот- ным выходным сигналом, умножитель 2 частоты, опорный генератор 3, ключ 4, схему 5 добавления импульса, схему 6 формирования временных интервалов, счетчик 7 счетного интервала, схему

ИЛИ 8, реверсивный счетчик 9, формирующий результат измерения для младших разрядов цифрового индикатора 10, счетчик 11 результата, формирующий результат измерения для старших разрядов цифрового индикатора 10, при этом входы 12-15 схемы добавления импульса соединены соответственно с управляющим входом ключа 4, выходом 35 термопреобразователя 1, выходом реверсивного счетчика 9 и выходом младmего разряда счетчика 11, а выход

16 подключен к схеме ИЛИ 8, входы 1719 схемы 6 формирования временных ин- 40 тервалов соединены соответственно с выходом термопреобраэователя, выходом умножителя и выходом счетчика 7 счетного интервала, а выходы 20 и 21 подключены к входам реверсивного 4$ счетчика 9.

Схема 5 добавления импульса (фиг.

3) содержит два инвертора 22 и 23, схему 24 задержки, схему ИЛИ 25,схему 26 равнозначности, триггер 27, 50 схемы И 28 и 29, триггер 30 и схему

И 31, выход которой соединен с выходом 16, а входы подключены соответственно к .входу 13, соединенному с первым входом схемы И 28, и прямо- у му выходу триггера 30, вход S установки в единицу которого соединен е потенциалом земли, D-вход подключен

51 3 к обратному выходу триггера 27, Свход соединен с выходом схемы И 28, а R-вход подключен к выходу схемы

ИЛИ 29 и первому входу схемы ИЛИ 25, второй вход которой соединен с входом 14, а выход подключен к S-входу триггера 27, D- u R-входы которого соединены с потенциалом земли, а Свход подключен к входу 12 и через схему НЕ 23 подключен к второму входу схемы И 28 и первому входу схемы

И 29, второй вход которой соединен с выходом схемы 26 равнозначности, причем к входу 15 подключены второй вход схемы 26 равнозначности и вход инвертора 22, выход которого через схему 24 задержки соединен с первым входом схемы 26 равнозначности.

Схема 6 формирования временных интервалов (фиг.4) содержит два инвертора 32 и 33, два триггера 34 и

35 и две схемы И 36 и 37, причем Sвходы установки в единицу триггеров

34 и 35 подключены к потенциалу земли, а их R-входы установки в нуль вместе с входом инвертора 33, выход которого соединен с информационными Dвходами триггеров 34 и 35, подключены к входу 17, а вход 19 соединен с тактирующим С-входом триггера 34 и входом инвертора 32, выход которого подключен к тактирующему С-входу триггера 35, соединенному своим выходом с вторым входом схемы И 37, первый вход которой вместе с вторым входом схемы И 36, соединенной своим первым входом с выходом триггера 34, подключены к входу 18, выход 20 соединен с выходом схемы И 36, а выход

21 — c выходом схемы И 37.

Цифровой термометр работает следующим образом.

При высоком уровне сигнала Т„ „„ (фиг. 2, a) поступающего с выхода счетчика 7 счетного интервала на управляющий вход ключа 4, импульсы измеряемой частоты Е„ (фиг.2,б) через схему ИЛИ 8 поступают на счетный вход счетчика 11 результата (фиг.2,е), увеличивая его содержимое каждым импульсом на единицу. Кроме того, сигнал с термопреобраэователя 1 через умножитель 2 частоты поступает на вход 18 схемы 6 формирования временнык интервалов, пропускающей сигнал с частотой k f>(K — коэффициент умножения 2 частоты) на один из счетных входов реверсивного счетчика 9

1273751

N=at, К f„+(n-1) q+ь5 K f (1) где N — - содержимое счетчика результата после окончания цикла f5 измерения (реэультат измерения); — интервал времени между нача- лом счетного интервала Тц,„ и первым входным импульсом, 2Π— интервал времени между пот следним входным импульсом и окончанием счетного интервала Т„ „;

n — число импульсов, попадающих

25 за счетный интервал T„ „ в счетчик 11 результата;

q — вес единицы младшего разряда счетчика 11 результата.

Длительность счетного интервала

Тщм HMeåT в"д

Т „„„= at,+(и-1) Т „+ at „ (2) где Тк- длительность периода измеряемого сигнала. 35

Так как выделение временного интервала at связано с определенными трудностями, то предпочтительно выделить временной интервал 6t,учитывая очевидное соотношение 40 (3) 6 х at

Если представить коэффициент умножения К умножителя частоты 2 в виде (1+ Р), (4)

45 где К вЂ” номинальный коэффициент умо ножения, — погрешность коэффициента умножения, включающая ста- 50 тическую и динамическую составляющие, с учетом необходимости обеспечения условия (5) 55

Ко алгоритм работы цифрового термометра может быть представлен выражением результата только за интервалы времени, представляющие нецелые части периода измеряемого сигнала и обозначенные через д т, и а е (фиг. 2, а), Для общего случая несинхронности начала счетного интервала T„» с импульсами измеряемого сигнала термо преобраэователя алгоритм работы цифрового термометра, следующий из временной диаграммы (фиг.2,а,б), описы- 1О вается выражением

N=K (и-1)+K f„(at,+Т„-at ) (6) В выражении (6) выделяем составляющую (7) f (atq+Tx at ) ю характеризующую работу реверсивного счетчика 9 и показывающую, что он

1 должен быть реверсивным, Так как значения длительностей временных интервалов a t и А и могут изменяться в пределах О-Т, то справедливо неравенство

0 (+T„ь ) с 2Тк показавшее, что выражение h Q +T t âñåãäà положительно, что обосновывает реализацию счетчика 11 результата в виде однонаправленного счетчика, так как отпадает необходимость в заеме единицы, Тогда емкость реверсивного счетчика 9 результата определяется выражением (9) N„=K f Ä(at, -at 3)+Kо. (10)

Из выражения (6) следует также, что число поступающих в счетчик 11 результата импульсов необходимо уменьшить на единицу, что реализуется при его предустановке.

При работе цифрового термометра, триггером 27 схемы добавления импульса емкость реверсивного счетчика увеличивается до требуемого выражением (9) значения, а его установка в состояние Ко реализуется установкой триггера 27 в нулевое состояние (в дальнейшем используется инверсный выход триггера 27), поступающим через вход 12 схемы 5 формирования временных интервалов íà его тактирующий показывающим, что старший разряд реверсивного счетчика 9 результата имеет такой же вес, .как и младший разряд счетчика 11 результата. Поэтому, при единичном состоянии старшего разряда реверсивного счетчика 9 после окончания временного интервала 6t > необходимо добавить в счетчик 11 результата один импульс, для чего и предназначена схема 5 добавления импульса.

Если заменить добавление Kf„. T импульсов в реверсивный счетчик 9 результата его установкой в состояние

К до начала цикла измерения, то выражение (7) примет вид

12737 вход передним фронтом сигнала Т, „ B момент времени с (фиг,2,а). Этим же фронтом сигнала Т

vga, Il o c т $ -и а ю щ е Г о через вход 19 схемы 6 фор»ирования временных интервалов па тактирующий вход триггера 34, последний устанав-ливается в единичное состояние, если в момент времени поступающий через вход 17 схемы б формирования временных интервалов на вход инвертора 38 10 сигнал термопреобра.зоватепя 1 имеет низкий уровень. В противном случае триггер остается в F óëåâîì состоянии, в которое он установлен не позже, чем в момент времени to (фиг.2,б), 15 поступающими через вход 17 на входы установки в нуль триггерог 34 и 35 схемы 6 формирования вре»енных интервалов импульса»и из»еряемой частоты

Е . Таким образом, инвертор 33 схе- 20 мы 6 формирова..ия вре»енных интервалов разрешает уста огку триггера 34 в единичное состояние только в том случае, когда в момент времени (начало счетного интервала Т„„) е 25 поступает импульс из»еряемой частоты термопреобразователя 1 через ключ 4 и схему ИЛИ 8 на счетный вход счетчика 11 результата.

При включенном триггере 34 схемы 30

6 формирования временных интервалов поступающие с выхода умножителя частоты 2 через вход 18 и второй вход схемы И 36 схемы 6 формирования временных интервалов импульсы с часто- 3 той следования КТ с ее выхода через выход 20 схемь; 6 формирования временных интервалоь (фиг.2„в) подаются на вход прямого счета реверсивного счетчика 9, состояние которого каж- <0 дым поступающим импульсом увеличивается на единицу (фиг.2,д), начиная ст состояния К (триггер 27 схемы 5 о добавления импульса находится в нулевом состоянии). Поступлением гервого 45 после подачи сигнала T., импульса _#_ $A( измеряемой частоты f.„ па вход 17 схемы 6 формирования временных иптервалов в момент времени t (фиг, 2,б) сбрасывается триггер 34 и прекраща-- 50 ется счет импульсов умноженной частоты в реверсивном счетчике 9, а поступающие через ключ 4 и схему ИЛИ 8 импульсы измеряемой частоты подсчитываются счетчиком 11 результата. Появпе- 5 нием в момент времени 1:„ (конец счетного интервала Т„, ) заднего фронта !! сигнала Т,„,„ . поступающего через вход

51 Ь

19 и инвертор 3? схемы 6 формировани,. временных интервалов на тактирующий вход триггера 35, последний устанавливается в единичное состояние при наличии в данный момент времени низкого уровня поступающего через вход

17 на вход инвертора 33 схемы 6 формирования временных интервалов сигнала измеряемой частоты. В результате включения триггера 35 импульсы умноженной частоты Yf„ e e xe» H 37 и выход 21 (фиг ° 2,г) схемы 6 пос гупают на вход обратного счета реверсивного счетчика 9, состояние которого соответственно уменьшается (фиг.2,д).

Если в течение временного интервала при обратном счете реверсивного

3 счетчика 9 возникает импульс переноса, поступающий через вход 14 и схему ИЛИ 25 на вход установки в единицу триггера 27 схемы 5 добавления импульса, то триггер 27 устанавливается в единицу, а в противном случае остается в нулевом состоянии. Поступлением в момент времени t 1первого после окончания счетного интервала

Т импульса .змеряемой частоты через вход 17 схемы б .формирования временных интервалоз на вход установки в нуль триггера 35 последний сбрасывается и прекрашается счет импульсов умноженной частоты Kf в реверсивном счетчике 9. Передним фРонтом (и+1)го импульса измеряемой частоты, выделенного среди остальных импульсов при помощи инвертора 23 и схемы И 28 схемы 5 добавления импульса и поступающего на тактирующий вход триггера 30, последний в момент времени устанавливается в состояние,опреЙ41 деляемое уровнем инверсного выхода триггера 27 схемы 5 добавления импульса. При единичном состоянии триггера 30 схемы 5 добавления импульса триггер 27 в течение временного интервала gt> не переключается в единичное состояние, следовательно, не происходит переполнение реверсивного счетчика. 9 при его обратном счете.

Этот же (и+1)-й импульс измеряемой частоты через схему И 31 и выход 16 схемы 5 добавления импульса поступает через схему ИЛИ 8 на вход счетчика

11 результата, увеличивая состояние счетчика на единицу (фиг.2,е, момент времени t ), чем реализуется требуе мое согласно приведенному алгоритму работы цифрового термометра добав1273751

8 мометре сбои за время Тщ„ не накапливаются в счетчике результата, а ошибки в работе цифрового умножителя частоты вследствие сбоев сказываются лишь на длительности интервала времени ьс дС ление одного импульса, Происходящее при этом обязательное переключение младшего разряда счетчика 11 результата, выход которого соединен с входом 15 схемы 5 добавления импульса, при помощи инвертора 22, схемы 24 задержки и схемы 26 равнозначности схемы 5 добавления импульса используется для формирования импульса, длительность которого определяется временем задержки схемы 24 который проходит при высоком уровне выхода инвертора 23 схемы 5 добавления импульса с выхода схемы 26 равнозначности на выход схемы И 29 и устанавливает триггер 30 в нулевое состояние, триггер 27 схемы 5 добавления импульса через схему ИЛИ 25 — в единичное состояние, чем прекращается работа схемы 5 добавления импульса 20 до начала следующего цикла измерения.

При единичном состоянии триггера 27 схемы 5 добавления импульса в момент времени tä добавление импульса в старшую часть счетчика 11 результата вообще не производится.

Накопленные после окончания (n+

1)-го импульса измеряемой частоты в реверсивном счетчике и счетчике 11 результата значения в виде реэуль- 30 тата измерения температуры передаются в цифровой индикатор 10.

Преимущество предлагаемого термометра заключается в возможности использования умножителя 2 частоты,построенного по аналоговой схеме. Такие аналоговые умножители менее сложны, чем цифровые, и .менее чувствительны, чем последние, к флюктуациям фронтов входных импульсов. 40

При использовании более сложных, чем аналоговые, цифровых умножителей основной вклад в нестабильность коэффициента умножения цифрового умножителя вносят его сбои при резких флюк"45 туациях периодов входного сигнала.

Существенно, что в описываемом терФормула изобретения

Цифровой термометр, содержащий термопреобразователь с частотным выходным сигналом, подключенный к входу умножителя частоты, счетчик счетного интервала, вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, а выход соединен с управляющим входом ключа, счетчик. результата, цифровой индикатор, схему добавления импульса, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения путем снижения составляющей погрешности, вносимой умножителем частоты, в него введены схема ИЛИ, реверсивный счетчик и схема формирования временных интервалов, выходы которой соединены соответственно с суммирующим и вычитающим входами реверсивного счетчика, первый вход подключен к выходу термопреобразователя и входу ключа, второй вход соединен с выходом умножителя частоты, а третий вход подключен к управляющему входу ключа, соединенному с первым входом схемы добавления импульса, второй, третий и четвертый входы которой соответственно соединены с выходами термопреобразователя, реверсивного счетчика и выходом младшего разряда счетчика результата, а выход подключен к первому входу схемы

ИЛИ, второй вход которой соединен с выходом ключа, а выход подключен к входу счетчика результата, при этом выходы счетчика соединены со старшими разрядами цифрового индикатора, младшие разряды которого подключены к выходам реверсивного счетчика.

1273751

Ь+r

Фис. 2

Редактор Л. Веселовская

Заказ 6467/38 Тираж 778

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

17

Составитель В. Куликов

Техред В.Кадар Корректор Е. Сирохман