Преобразователь температуры в цифровой код

 

Изобретение относится к контролю температуры различных сред с высокой точностью в технологических процессах. Аналого-цифровой преобразователь температуры в цифровой код содержит чувствительный элемент 1, генератор счетных импульсов 2, счетчик 3, анализатор 4, блок управления 5, реле времени 6 и устройство пуска 7. Введение в преобразователь анализатора обеспечивает определение степени точности проведенного измерения, что расширяет функциональные возможности устройства по преобразованию широкого диапазона температур в цифровой код. 2 ил.

Заявляемое устройство относится к области аналого-цифровых преобразователей. Преимущественная область использования - контроль температуры различных сред с высокой точностью в технологических процессах.

Известен преобразователь температуры в цифровой код, содержащий измерительный мост, включающий нелинейный элемент и аналого-цифровой преобразователь, входы которого соединены с выходами измерительного моста (см. А.с. СССР 556351, кл. G 01 K 7/00). Точность описанного преобразователя определяется выбором параметров нелинейного элемента, точностью и стабильностью параметров других элементов измерительного моста, а также коэффициентом квантования. Описанное устройство имеет низкую точность вследствие нестабильности элементов измерительного моста и узкого диапазона преобразуемых температур. Известно также устройство для измерения температуры, содержащее несколько первичных преобразователей, каждый из которых содержит чувствительный элемент, источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель, выходы которых подключены к измерительному прибору, (см. А.с. СССР 870975, кл. G 01 K 7/16, 1981). Это устройство не обеспечивает сохранение точности измерения при воздействии различных дестабилизирующих факторов, например старения элементов в течении срока эксплуатации, изменения температуры окружающей среды и т.д.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа преобразователь температуры в цифровой код (см. А.с. 1348667, кл. G 01 K 11/24, 30.10.87), содержащий генератор линейно изменяющегося напряжения, счетный генератор, выход которого соединен с счетным входом счетчика, а вход подключен к выходу элементов управления, которые осуществляют отключение генератора от счетчика при совпадении напряжения с выхода генератора линейно изменяющегося напряжения с уровнем опорного напряжения.

Это устройство имеет низкую точность при переходе к работе в крайних температурах, то есть очень высоких или очень низких, из-за того, что при переходе к работе в одном из этих диапазонов преобразование выражается в малом числе импульсов счетного генератора. Кроме того точность этого устройства низка вследствие неоднозначного характера преобразования.

Точность работы устройства такого типа определяется среднеквадратической ошибкой, которая определяется по формуле где σ - среднеквадратическая ошибка, a - погрешность измерительного элемента, b - погрешность элементов системы, x - погрешность квантования.

Например, при квантовании температуры 20^oC в 100 импульсов погрешность квантования составит половину от соотношения 20/100, то есть 0.1, а при квантовании температуры 5^oC в 100 импульсов погрешность квантования составит 0.025. При квантовании температуры 20^oC в 1000 импульсов, погрешность квантования составит 0.01. Из приведенного примера видно, что точность работы преобразователя можно повысить, уменьшив погрешность квантования.

Целью изобретения является повышение точности преобразователя и расширение его функциональных возможностей по преобразованию широкого диапазона температур в цифровой код.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь, содержащий генератор счетных импульсов, счетчик и чувствительный элемент введены реле времени, выполненное на логических элементах, анализатор, устройство пуска и блок управления.

Функциональная схема преобразователя показана на фиг. 1. Преобразователь состоит из чувствительного элемента 1, генератора счетных импульсов 2, счетчика 3, анализатора 4, блока управления 5, реле времени 6, устройства пуска 7.

Принципиальная электрическая схема показана на фиг. 2.

Чувствительный элемент выполнен на основе терморезистора.

Генератор счетных импульсов выполнен по схеме мультивибратора на базе логических элементов "И-НЕ", причем в цепи обратной связи генератора включен чувствительный элемент. Выход генератора подключен к счетчику импульсов. Выход счетчика включен в анализатор, выполненный на логических элементах "И-НЕ", "ИЛИ", "И" и дешифраторе. В целом анализатор представляет собой специальный двухуровневый дешифратор. К входам дешифратора DC1 подключены выходы счетчика Сч1. Выходы дешифратора инверсные, объединены в группы по несколько штук и группами соединены соответственно с входами логических элементов "И-НЕ" D3.1, D3.2, D3.3. Выходы этих логических элементов подключены к входам логических элементов "И" D7.1 - D7.3, ко вторым входам этих логических элементов подсоединены выходы логических элементов "ИЛИ" D4.1 - D4.3. К входам которых подсоединены соответствующие выходы реле времени. Выходы логических элементов "И" D7.1 - D7.3 являются выходами анализатора.

Реле времени 6 (фиг. 1) выполнено на базе логических элементов "И-НЕ", счетчика и дешифратора. Реле времени (фиг. 2) состоит из генератора временной задержки, выполненного по схеме мультивибратора на базе логических элементов "И-НЕ" D2.1 D2.3. В цепь обратной связи генератора включен подстроечный резистор.

Выход генератора временной задержки подключен к входу счетчика временной задержки Сч2, выходы которого подключены к входам пределозадающего дешифратора DC2, а его выходы, выбранные через определенное количество импульсов, подключены к входам логических элементов "ИЛИ" D4.1 - D4.3 анализатора.

Выбор выводов через определенное количество означает, что к анализатору подключаются, например, 5, 10, 15 и т. д. выводы дешифратора. Выход анализатора 4 (фиг. 1) подключен к входу блока управления 5.

Блок управления (фиг. 2) выполнен из логических элементов "ИЛИ" D5.1, "И" D5.2, "НЕ-ИЛИ" D6.1, "И" D1.4. Соединение элементов блока управления обеспечивает переключение счетчиков Сч1 и Сч2 и отключение генератора счетных тактовых импульсов.

Реле времени работает следующим образом. Генератор временной задержки вырабатывает импульсы, которые поступают на счетный вход счетчика Сч2. По каждому импульсу модифицируется двоичный код на выходах счетчика. Выходы счетчика Сч2 подключены к входам пределозадающего дешифратора. Так как в работе устройства используются только определенные выводы дешифратора, то период времени, пока счетчик Сч2 осуществляет счет от одной двоичной комбинации, соответствующей следующему выводу дешифратора ДС2, определяет временную задержку.

Анализатор работает следующим образом. Дешифратор DC1 имеет инверсные входы. Нормальное состояние каждого выхода "1". При модификации счетчика Сч1 на выходах дешифратора DC1 последовательно устанавливается нулевое значение. Выводы дешифратора объединены группами и подключены на входы схем "И-НЕ" D3.1 - D3.3. Если в какой-либо группе будет в определенный момент времени находиться "0", то на выходе этой схемы "И-НЕ" установится единичное значение, в том случае если в этот же момент времени установится единичное значение на выходе одной из схем "ИЛИ" D4.1 - D4.3, соответствующем определенному пределу измерений, и этот предел измерений совпадает с группой, в которой находится нулевое значение, то оба единичных значения (с выхода D3 и с выхода D4) поступают на вход схемы "И" D7.1 или D7.3, в зависимости от предела измерений. На выходе этой схемы установится единичное значение, являющееся выходным сигналом анализатора.

Устройство пуска работает следующим образом.

Все выходы дешифратора DC1 соединены с входами инвертора 6.5, выход которого соединен с входом схемы "ИЛИ" 6.6. Второй вход этой схемы соединен с выходом инвертора 6.4, входы которого (все, кроме одного инверсные). Инверсные входы подключены к выходам первой группы дешифратора DC1, а неинверсный вход подключен к первому выходу второй группы.

При включении устройства на всех выходах дешифратора DC1 устанавливается единичное значение. В этом случае на выходе инвертора "НЕ-ИЛИ" D6.4 установится "1", которая, поступив на входы логических элементов "ИЛИ" D6.6 и D6.2, установит единичные значения на входах ключевых логических элементов "И" D6.7 и D1.4. При наличии этих единиц сигналы от генератора временной задержки и от генератора счетных тактовых импульсов поступают соответственно на счетчики Сч1 и Сч2. После последовательной установки нулевых значений на всех выходах первой группы дешифратора DC1 "1" на вход схемы "И" D6.7 подается с выхода инвертора "НЕ-ИЛИ" D6.5, а "1" на вход схемы "И" D1.4 поступает со схемы "ИЛИ" D6.3, входы которой подключены ко всем выходам дешифратора DC2, не участвующим в переключении пределов измерений.

Устройство работает следующим образом. При включении устройства на выходе логического элемента "ИЛИ" D6.2 устанавливается единица. На выходе логического элемента "ИЛИ" D6.1 также устанавливается единица, которая поступает на вход логического элемента "И" D1.4 и разрешает включение генератора тактовых счетных импульсов на счетный вход счетчика Сч1, причем частота импульсов на выходе генератора пропорциональна температуре измеряемой среды. Согласно алгоритму, описанному выше, осуществляется включение генератора временной задержки и включение реле времени.

После отсчета генератором временной задержки количества тактов для первого предела измерений на выходе дешифратора DC2, соответствующем этому пределу, устанавливается "1" (на фиг. это выход 6) и в анализаторе осуществляется проверка соответствия проведенного измерения заданной точности. На это время генератор тактовых импульсов отключается, так как выходы дешифратора DC2, соответствующие пределам измерений, не подключены к логическому элементу "И" D6.3. Если за время, соответствующее первому пределу измерения, генератор счетных импульсов модифицирует счетчик Сч1, так что выход дешифратора DC1 "0", значение установилось на одном из выводов группы, подключенной к логическому элементу "И" D3.1, то на выходе схемы "И" D7.1 установится "1", которая через логические элементы "ИЛИ" D5.1 и D6.1 запретит дальнейшее поступление тактовых импульсов от генератора счетных тактовых импульсов. Такая работа схемы означает, что частота генератора счетных тактовых импульсов достаточна для точного измерения температуры среды на первом пределе. Если же при установлении единичного значения на данном выходе дешифратора DC2 на всех выходах логического элемента "И" D3.1 устанавливается "1", то генератор счетных тактовых импульсов продолжает работать и осуществляется переход к следующему пределу измерений.

Самонастраивающийся преобразователь позволяет выполнять преобразование широкого диапазона температур с достаточной заданной точностью. Точность измерений с помощью предлагаемого устройства зависит в основном от количества выводов дешифратора DC1, объединенных в одну группу, и величиной выдержки времени, соответствующей разным пределам измерений, и может быть задана при изготовлении устройства. Использование предлагаемого устройства позволит с высокой точностью выполнить преобразование широкого диапазона температур в двоичный код. Это позволит повысить достоверность определения температуры контролируемых сред. Для доведения изобретения до промышленного использования потребуется конструктивная доработка принципиальной электрической схемы. Доработка не требует создания новых элементов и материалов.

Формула изобретения

Аналого-цифровой преобразователь температуры в цифровой код, содержащий чувствительный элемент, включенный в цепь обратной связи генератора тактовых счетных импульсов, выход которого соединен со входом счетчика кода температуры, отличающийся тем, что в него дополнительно введены анализатор, устройство пуска, реле времени и блок управления, причем выходы счетчика кода температуры соединены со входами устройства пуска и входами анализатора, к другим входам которого подключены выходы многопредельного реле времени, вход которого соединен с устройством пуска, а выход анализатора соединен со входом блока управления, другой вход которого соединен с выходом устройства пуска, при этом выход блока управления соединен со входом управления генератора тактовых счетных импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2