Цифровой термометр

 

Изобретение касается температурных измерений с помощью термопреобразователей с частотным выходом и позволяет повысить точность измерения температуры. Преобразователь 1 температуры в частоту, содержащий термочувствительный кварцевый резонатор 2, генератор 3, первый ключ 4, постоянное запоминающее устройство /ПЗУ/ 5, счетчик 6 адресов, вспомогательный генератор 7 с резисторами 11, 12, 13 в частотно-задающей цепи, подключаемыми вторым ключом 14, формирует частотный сигнал, пропорциональный температуре, а также кодовые сигналы, несущие информацию о параметрах термочувствительного кварцевого резонатора 2. Цифровой измеритель 16, содержащий формирователь 17 сигнала, блок 18 фазовой автоподстройки, первый и второй резисторы 19, 20, счетчик 21 результата с индикаторным регистром 22, блок 23 сравнения кодов, опорный генератор 25 со счетчиком 24 измерительного интервала, измеритель 31 отношения длительности паузы к длительности импульса, сумматор 32, триггер 26, формирователь 29 импульса сброса и счетчик 30, преобразует сигналы с выхода преобразователя 1 в цифровой код, пропорциональный температуре. 6 ил.

CONS СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (51)5 С "1 К 7/32

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

flPH ГНКТ СССР (21) 4366021/24-10 (22) 04.)2.87 (46) 15,06.90. Бюл. NI 22 (71) Львовский политехнический институт им, Ленинского комсомола (72) О.А. Губанов, В.Л. Котляров и 10.С. Кульчицкий (53) 536 ° 53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 1245086, кл. G 01 К 7/32, 1984.

Авторское свидетельство СССР

Р 1397748, кл. G,01 К 7/32, 1986.

2 (54) ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР (57) Изобретение касается температурных:измерений с помощью термопреобразователей с частотным выходом и позволяет повысить точность измерения температуры. Преобразователь 1 температуры в частоту, содержащий термочувствительный кварцевый резонатор 2, генератор 3, первый ключ 4, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 5, счетчик 6 адресов,вспомогательный генератор 7 с резисторами 11, 12 и 13 в

1571427 частотно-задающей цепи, подключаемыми вторым ключом 14, формирует частотный сигнал, пропорциональный температуре, а также кодовые сигналы, несущие информацию о параметрах термочунстви5 тельного кварцевого резонатора 2, Цифровой .измеритель 16, содержащий формирователь 17 сигнала, блок 18 фазоной автоподстройки, первый и второй реэис-1п торы 19, 20, счетчик 2! результата

Изобретение относится к температур( ным измерениям и может быть использо"

1 вано для измерения температуры кон-! тактным методом с помощью термопреоб2О разователей с частотным выходом, в частности пьезокварцевых датчиков температуры.

Цель изобретения — повышение точности измерения температуры за счет устранения погрешности от старения термопреобразователя в процессе эксплуатации;

На фиг. 1 представлена схема цифрового термометра; на фиг. 2 — схема блока фазовой автоподстройки частоты; на фиг. 3 — схема формирователя импульса сброса; на фиг. 4 — схема измерителя отношения длительности паузы к длительности импульса; на фиг. 5 — временная диаграмма процесса передачи данных от датчика в циф- ровой измеритель температуры; на фиг. 6 — временные диаграммы, поясняющие работу измерителя отношения длительности паузы к длительности им4О пульса.

Э

Цифровой термометр содержит преобразователь 1 температуры н частоту, включающий термочувствительный кварцевый резонатор 2, генератор 3, пер"

45 ный ключ 4, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 5, счетчик б адресов, вспомогательный генератор 7, состоящий из первого инвертора 8, второго инвертора 9, конденсатора 10 и первого резистора ll второй резистор 12, переменный резистор 13 и второй клюн 14, Преобразователь 1 температуры в частоту соединен, линией

15 связи с цифровым измерителем 16, 55 включающим формирователь 17 сигнала, блок 18 фазовой автоподстройки, первый регистр 19, второй регистр 20, с индикаторным регистром 22, блок 23 сравнения кодов, опорный генератор 25 со счетчиком 24 измерительного ичтервала, измеритель 31 отношения длительности паузы к длительности импульса, сумматор 32, триггер 26, формирователь 29 импульса сброса и счетчик 30, преобразует сигналы с выхода преобразователя I в цифровой код, пропорциональный температуре. 6 ил. счетчик 21 результата, индикаторный регистр 22, блок 23 сравнения кодов,; счетчик 24 измерительного интервала, опорный генератор 25, триггер, 26, одновибратор 27, ключ 28, формирователь 29 импульса сброса, счетчик 30, измеритель 31 отношения длительности паузы к длительности импульса и сумматор 32.

Блок 18 фазовой антоподстройки частоты (фиг.2) содержит дифференцирующую цепь 33,.первый триггер 34, второй триггер 35, коммутатор 36, одновибратор 37, управляемый генера-

Ф тор 38, резисторы 39, 40 и 41, конденсатор 42.

Формирователь 29 импульса сброса (фиг.3) содержит элемент И 43, ключ

44, резисторы 45, 46 конденсатор 47.

Измеритель 31 отношения длительности паузы к длительности импульса (фиг. 4) содержит фазочунстнительный детектор 48, состоящий из первого 49 и второго 50 инверторов, элементов

И 51 и 52, двух ключей 53 и 54, резисторов.55 и 56, тактирующее устройство 57, управляемый генератор 58, счетчик 59, регистр 60, делитель на "3"

61, конденсатор 62 и резистор 63.

Тактирующее устройство 57 включает два триггера и элемент И, выход которого янляется выходом тактирующего устройства 57, а первый вход соединен с инверсным выходом второго триггера, Первый триггер своим информационным входом соединен с вьгходом инвертора 49,а прямым выходом — со вторым входом элемента И и информационным входом нторого триггера. Тактовые входы первого и второго триггеров тактирующего устройства 57 соединены с выходом управляемого генератора 58.

5 157

Цифровой термометр работает следующим образом.

Генератор 3 с резонатором 2 в его обратной связи вырабатывает сигнал, частота которого зависит от температуры о Д 1о где f — частота генератора при тем о пературе Q =0 С в начале эксплуатации датчика;

ДГ д - изменение номинальной (нулевой) частоты за счет старения датчика;

8 — крутизна характеристики преобразования кварцевого резонатора;

g — - температура резонатора, Ключи 4 и 14 микросхемы управляются сигналами, поступающими с выходов вспомогательного низкочастотного генератора 7 и старшего разряда счетчика адресов 6 ПЗУ.

Выход ПЗУ 5, в котором записаны параметры термочувствительного кварцевого резонатора, подключается через ключ 4 к выходу преобразователя 1 температуры в .частоту только в том случае, если на обоих управляющих входах ключа 4 будут лог. "1". В остальных случаях через ключ 4 проходит сигнал с выхода генератора 3. Переключение счетчика 6 адресов ПЗУ осуществляется задним фронтом импульсов генератора 7. Таким образом, сигнал преобразователя 1- представляет собой частотные посылки с паузами между ними, а уровень каждой паузы соответствует уровню выходного сигнала ПЗУ 5 по адресу, в котором находится счетчик 6 адресов (см. фиг.5). В ПЗУ 5 записаны в виде кода, например двоично-десятичного, число предустановки счетчика результата 21 и длительность счетного интервала, соответствующая крутизне характеристике резонатора 2. в виде числа, подаваемого на вторые входы блока 23 сравнения кодов.

Ключ 14 подключает к времязадающей цепи вспомогательного генератора 7 один из резисторов ll 12 или два последовательно включенных резистора 12, 13. Когда на выходе генератора 7 — ".О", то подключается резистор ll с сопротивлением Rl когда

".l - то в зависимости от состояния старшего разряда счетчика адресов 6

1427 6

ПЗУ либо резистор 12 с сопротивлением R2 либо последовательно включенные резисторы 12 и 13 с сопротив-. лением (К2+КЗ). Такой принцип соеди-, динения резисторов облегчает чередование подключения Rl и R2 при пере" ключениях вспомогательного генератора во время передачи информации о параметрах кварцевого резонатора и чере-. дование подключения Rl и (Я2+КЗ) при переключениях генератора 7 во время передачи паузы между циклами передачи информации о параметрах кварцевого резонатора (см. фиг.5).

Таким образом, передача информации о параметрах кварцевого. резонатора занимает меньше времени, чем передача паузы между циклами передачи ин20 формации в ю раз

RI+R2+R3 Т

Rl+R2 Т где Т„ — время передачи паузы;

Т„ — время передачи информации о

25 параметрах кварцевого резонатора.

Прн этом емкость СI конденсатора 10 и параметры инверторов 8 и 9 влияют на частоту генератора 7, но не влияют

30 на с . Если в цифровом измерителе температуры !6 получить код, зависящий только от Ы, то этот код, учитывая, что RI и R2 постоянны, будет зависеть только от КЗ.

Сигнал от преобразователя 1 температуры в частоту по линии 15 связи поступает на вход цифрового измерителя !6, где он формируется формирова- . телем. 17 по напряжению до стандартно4о го уровня логических микросхем. С выхода формирователя 17 частотные посылки с паузами между ними поступают на входы блока 18 фазовой автоподстройки частоты и первого регист45 ра 19.

Блок 18 фазовой автоподстройки частоты. предназначен для выработки сигнала, частота которого равна частоте входного сигнала, Выходной сиг5р нал блока 18 должен сохраняться и его частота должна быть неизменной при кратковременном пропадании входного сигнала на. время передачи очередного бита информации о параметрах датчика.

55 Кроме того, блок 18 фаэовой автоподстройки частоты выдает на своем вторым выходе сигнал о том, что наступила. пауза между частотными посылками, уровень которой (O или 1) являет 1571427 ся уровнем бита передаваемой информации, По сигналам на втором выходе блока 18 производится сдвиг в первый регистр 19 и в него бит за битом поступает информация о параметрах квар цевого резонатора, Каждый поступающий в первый регистр 19 бит информа : ции соответствует уровню сигнала во

1О

: время паузы между частотными посылка-,,ми, которая вызывает на втором выходе блока 18 сигнал "Сдвиг" на тактовом входе первого регистра 19 и добавлеiние "!" в счетчик 30. Установка в "!"

1 старшего разряда счетчика 30 вызывает перенос принятой о параметрах кварцево ro резонатора информации из первого ре". гистра 19 во второй регистр 20, при- чем часть информации поступает во

20 второй регистр 20 непосредственно, а часть — через сумматор 32, на вторые входы которого поступает число с выходов измерителя 31 отношения длительности паузы к длительности 25 импульса. Установка в "0" счетчика 30 производится по сигналу формировате( ля 29 импульса сброса, который вырабатывает этот импульс в ответ на им| пульс на втором выходе блока 18, ког- 0 да этот импульс поступит после длительной паузы, т,е, после того, как старший разряд счетчика 6 ацресов

ПЗУ перейдет из состояния "0" в состояние "1".

Счетчик 24 измерительного интер35 вала непрерывно подсчитывает импульсы опорного генератора 25. При перепол( кении счетчика измерительного интервала 24 триггер 26 устанавливается в "0". При этом запускается одновибратор 27 и передним фронтом своего импульса переносит полученный в счетчике 21 результата результат измерения в индикаторный регистр 22. Кроме того, импульс одновибратора 2? переносит число из части разрядов, второго регистра 20 в счетчик результата 21, осуществляя тем самым его предварительную ненулевую установку, Когда число в счетчике 24 измеритель50 ного интервала станет равным числу, записанному в части разрядов второго регистра 20, поданных на входы устройства 23 сравнения кодов, триггер 26 становится в "1" и ключ 28 замыкает55 ся. С этого момента начинается подсчет импульсов от преобразователя 1 счетчиком 21 результата, Результат измерения зависит от чисел, передаваемых по линии связи из

ПЗУ 5.

Блок 18 фазовой автоподстройки частоты (фиг.2) работает следующим образом.

Входные импульсы через дифференцирующую цепь . 33 устанавливают первый триггер 34 в "1", а импульсы управляемого генератора 38 — в 0

В это время второй триггер 35 каждым импульсом управляемого генератора 38 устанавливается в "1", так как в момент прихода каждого импульса управляемого генератора 38 первый триггер

34 находится в "1".

При установке первого триггера 34 в "1" к выходу коммутатора 36 через резистор 40 подключается источник питания и конденсатор 42 на входе управляемого генератора 38 заряжается. При установке первого триггера 34 в "0".импульсом от управляемого генератора 38 коммутатор 36 подключает ко входу управляемого генератора 38 через резистор 4! общую шину и конденсатор 42 на входе управляемого генератора 38 разряжается. В состоянии динамического равновесия напряжение на конденсаторе 42 устанавливается таким, что частота управляемого генератора 38 равна входной, Таким образом, при наличии входных импульсов работа блока 18 фазовой автоподстройки частоты не отличается от обычной.

Если частота управляемого генератора

38 начинает по каким-либо причинам уменьшаться, т.е. начнет становиться меньше входной, то первый триггер 34 будет дольше находиться в "1", что приведет к росту частоты управляемого генератора 38 и наоборот.

При пропадании входных импульсов первый после этого импульс управляемого генератора 38 установит первый триггер 34 в "0". и подтвердит второй триггер 35 в "1", а второй импульс управляемого генератора 38 подтвердит нулевое состояние первого триггера 34 и установит второй триггер 35 в "О", При этом коммутатор 36 перестанет подключать источник питания и общую шину к своему выходу и напряжение на конденсаторе 42 будет оставаться неизменным. Так будет до возобновления поступления входного сигнала, после чего второй триггер 35 будет установлен в "1", а блок 18 автоподстройки вновь

55

9 ) 57) 4 будет следить за изменением частоты входного сигнала.

При установке второго григгера 35 в

"0" будет запущен одновибратор 37 и на втором выходе блока 18 автопод5 стройки частоты появится импульс, задний фронт которого окажется примерно в середине паузы между частотными посылками датчика. Этот фронт произведет сдвиг информации в первом регистре 19.

Формирователь 29 импульса сброса (фиг.3) работает следующим образом, Входной импульс проходит через элемент И 43 и одновременно замыкает ключ .44, что приводит к разряду конденсатора 47 через резистор 46 и на втором входе элемента И 43 устанавливается "0". Задняя часть входного 20 импульса уже не проходит через элемент И 43, Следующий входной импульс не проходит через элемент И 43, так как за время между импульсами конденсатор 47 не успевает зарядиться до единичного уровня. В то же время следующий импульс вновь разряжает конденсатор 47, тем самым препятствует следующему входному импульсу пройти на выход. 30

И только после паузы между импульсами, за время которой конденсатор 47 успевает зарядиться до единичного уровня, часть входного импульса снова пройдет на выход, производя сброс счетчика 30 (фиг.l).

Измеритель 31 отношения длительности паузы к длительности импульса (фиг.4) предназначен для получения числа, зависящего только от, а зна40 чит от регулирующего резистора КЗ..

Измеритель 31 отношения длительности паузы к длительности импульса работают следующим образом (фиг ° 4 и 6).

Импульсы с выхода старшего разряда счетчика 30 поступают на вход фазочувствительного детектора (ФЧД) 48 измерителя 31. Фазочувствительный детектор 48 чувствителен только к отно- 50 сительному положению фронтов сигнала на выходе инвертора 49 и сигнала с выхода старшего разряда делителя на

"3" 61. В зависимости от того, до или после возникновения фронта сигнала с выхода инвертора 49 появится фронт выходного сигнала старшего разряда делителя на ".3", на выходах элементов И 52 или 51 соответственно будут

10 формироваться импульсы опережения или отставания, Длительность этих импульсов равна интервалу времени между фронтами соответствующих сигналов.

Во время действия импульсов отставания (или опережения) конденсатор 62 заряжается (или разряжается) до напряжения, которое зависит от разности фаэ,, Если фазовые согласования отсутствуют между сигналом с выхода инвертора 49 и сигналом с выхода старшего разряда делителя на "3" 61, конденсатор 62 действует как запоминающее устройство, сохраняя напряжение, при котором управляемый генератор 58 поддерживает необходимую частоту, Тактирующее устройство 57 предназначено для "привязки" импульсов, поступающих с выхода инвертора 49, к импульсам управляемого генератора 58.

Импульс с выхода тактирующего устройства 57 переносит число с выходов счетчика 59 в регистр 60, устанавливает счетчик 59 в "0", а делитель 61 в состояние "2" (код 10, на выходе старшего разряда — "1"). Такая установка счетчика 59 и делителя 61 позволяет повысить надежность работы системы фазовой автоподстройки частоты

sa счет предварительного выравнивания фаз сравниваемых сигналов с выхода инвертора 49 и с выхода старшего разряда делителя 61, что разрешает осуществить захват частоты управляемого генератора 58 при любом начальном соотношении фаз сравниваемых сигналов.

Кроме того, это позволяет сократить время на захват частоты и ускорить процесс автоподстройки за счет того, что воздействие на управляемый генератор 58 всегда производится в нужном направлении.

Установка счетчика 59 в "0" и делителя 6 l в "2" каждым положительным фронтом импульса на выходе инвертора 49 с помощью тактирующего устройства 57 позволяет, упростить фазочувствительный детектор 48, который в данном случае состоит из логических элементов и ключей и не содержит запоминающих триггеров. Это происходит благодаря искусственному совмещению начал положительных импульсов на выходах инверторов 49 и 50.

В установившемся режиме после прихода импульса с тактирующего устройства 57 первое переполнение счетчика 59 происходит за время Тц (дели1571427

40!

1 тель на "3" 61 переходит из состояния 10 в 00). Поскольку емкость счетчика 59 равна N, то частота f< на выходе управляемого генератора 58 будет равна

ы

N!

Ти

Так как время Т „больше Тц в о, раз, то счетчик 59 за время Т успеет еще

1!аз переполниться и снова начать подсчет импульсов с выхода генератора

58. С приходом следующего импульса с выхода тактирующего устройства 57 регистре 60 окажется число N, равное

N =(Т -т ) f =Н С -Я., -и -u - - < 1

Таким образом, N зависит от Ы, Й значит от регулирующего резисто- 20 ра 13.

Если величина регулирующего резистора 13 небольшая, то T„T ц и перенос э регистр 60 числа N, равного

N,(К-1), будет происходить почти сразу же после переполнения счетчика 59.

8 этих случаях в регистр 60 будет поПадать небольшое число. IIo мере рос"га сопротивления резистора 13 Т„ будет увеличиваться по сравнению с Тц 30 и в регистр 60 перенос будет происходить позже. Следовательно, число N

Которое будет переноситься в регистр, будет большим. В .то же время, при одНовременном увеличении или уменьше35

Нии Т и Tö, число, переносимое в регистр 60, будет неизменным, так

Как оно зависит лишь от соотношения между Т и Tz, а. так как это соотно,:шение зависит только от сопротив ления резистора 13, то и число, попадающее в регистр 60 и частично задающее начальное число предустановки счетчика 21 результата, будет зависеть только от величины резистора R3 45 датчика.!

2 .N> — число предустановки, переданное из ПЗУ 5;

Т вЂ” длительность счетного с интервала.

Если обеспечить выполнение равенства

1 f ео до о

Т вЂ” --- -N =N +N = - — - +— с 8+дую o < > S, 9 S д9 где hQ — цена деления младшего разряда термометра, а знак (-) перед N означает„ что Ч необходимо вводить

О в обратном коде, то N = -р- . ьь

Поскольку при R3, равном нулю, число N равно О, то при записи числа предустановки N в ПЗУ 5 необходимо внести поправку, равную N с соответствующим знаком, Для обеспечения заданного значения Т число N+, передаваемое из

ПЗУ 5 и поступающее на вторые входы устройства 23 сравнения кодов, должно быть связано с параметрами датчика следующим соотношением: о т о с З. g где f — частота опорного генератоо ра 25.

Число Ч в ПЗУ 5 записано в обратном коде.

Описанные принцип передачи информации о параметрах кварцевого резонатора позволяет не связывать работу термометра с процессом передачи информации, так как в установившемся режиме информация в регистре 20 не меняется и термометр использует ее в любые моменты времени по мере необходимости.

Для устранения влияния "ухода" нулевой частоты датчика необходимо подстройкой переменного резистора КЗ при помещении кварцевого резонатора в нулевую температуру (например, тающий лед) добиться нулевых показаний в индикаторном регистре 22 цифрового измерителя 16 температуры.

55

Число, образованное в счетчике 21 результата, равно T +Nа (+" )о) Tñ S 8 Тс !" с

-(К,+И,).Т,+S 8 Т,+N +N,, где N N +N > — число, поступившее в счетчик 21 иэ второго регистра 20;

Я вЂ” число, полученное измерителем 31 отношения, Формула и э о б р е т е н и я

Цифровой термометр, содержащий преобразователь температуры в частоту, состоящий иэ генератора, в частотно-задающую цепь которого включен термочувствительный кварцевый резонатор, постоянного запоминающего устройства со счетчиком адресов, вход которого подключен к выходу вспомогательного генератора, первого ключа, 13 15 первый вход которого соединен с выходом генератора, четвертый вход подключен к выходу постоянного запоминающего устройства, а выход через линию связи соединен с входом цифрового измерителя,. содержащего формирователь сигналов, вход которого соединен с входом цифрового измерителя, а выход подключен к входу первого регистра и входу блока фазовой автоподстройки частоты, первый выход которого через ключ соединен с входом счетчика результата, а второй выход подключен к входу формирователя импульса сброса счетчика, к входу

"Сдвиг" первого регистра и счетному входу счетчика, вход сброса которого подключен к выходу формирователя импульса сброса, а выход старшего разряда - к входу "Перенос" второго регистра, счетчик измерительного интервала, вход которого соединен с выходом опорного генератора, а выходы подключены к первым входам блока сравнения кодов, триггер; к первому входу которого подключен выход блока сравнения кодов, а к второму — выход старшего разряда счетчика измерительного интервала, одновибратор, подключенный входом к выходу триггера и к управляющему входу ключа, а выходам — к входу "Перенос" индикаторного регистра и входу разрешения предварительной установки счетчика результата, выходы которого соединены с входами индикаторного регистра, информационные входы предварительной установки соединены с первой группой выходов второго регистра, вторая группа выходов которого подключена к вторым входам блока сравнения кодов, а вторая группа входов второго

71427

14 регистра соединена с второй группой выходов первого регистра,.о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры, в преобразователь температуры в частоту введены второй, ключ, резис" тор, последовательно .включенные второй постоянный и переменный резисторы, 10 а вспомогательный генератор содержит два последовательно включенных инвертора, конденсатор, включенный между входом первого и выходом второго инверторов и первый постоянный резистор, первый вывод которого соединен с входом первого инвертора и первым выводом второго постоянного резистора, а второй вывод подключен к первому и третьему входу второго ключа, 20 второй и третий входы которого соединены, соответственно, с выводами переменного резистора, выход подключен к выходу первого инвертора, первый управляющий вход соединен с первым

25 управляющим входом первого ключа и выходом старшего разряда счетчика адресов, а второй управляющий вход подключен к выходу второго инвертора, являющемуся выходом вспомогательного генератора, и второму управляющему входу первого ключа, второй и третий входы которого соединены с первым входом, а в цифровой измеритель введены сумматор и измеритель отношения длительности паузы к дли35 тельности импульса, вход которого подключен к выходу старшего разряда счетчика, а выходы — к первой группе входов сумматора, вторая группа вхо40 дов которого соединена с первой группой выходов первого регистра, а выходй подключены к первой группе входов второго регистра.

l 571427

Ф/Х /

1571427

Ф0г б

Составитель В. Куликов.Редактор А, Долинин Техред N.Дидык Корректор С. Шевкун

Заказ !505

Тираж 510

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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