Цифровой термометр

 

Изобретение может быть использовано при построении цифровых термометров, работающих с термопреобразователями, имеющими частотный выходной сигнал. Цифровой термометр содержит термопреобразователь с частотным выходом, первый и второй генераторы частот, реверсивный и суммирующий счетчики, три элемента И, триггер, блок индикации и преобразователи частоты в код и кода в частоту. В устройство также введен регистр, кодовый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, прямой динамический вход записи - с выходом триггера, а выход - с кодовым входом преобразователя кода в частоту. Техническим результатом является повышение быстродействия цифрового термометра. 3 ил.

Изобретение касается температурных измерений и предназначено для работы с термопреобразователями с частотным выходным сигналом, у которых выходная частота F связана с температурой to зависимостью Изобретение может быть использовано при построении цифровых термометров, работающих с термопреобразователями, имеющими частотный выходной сигнал, например, пьезокварцевыми термопреобразователями.

Известен цифровой термометр [1], содержащий термопреобразователь с частотным выходом, генератор частоты смешения, смеситель, счетчик, два коммутирующих элемента, схему совпадения, схему управления, схему И, счетчик результата, триггер знака, ревесивную систему индикации. В этом устройстве термочастотная характеристика реального термопреобразователя линеаризируется с помощью кусочно-линейной аппроксимации.

Недостатками цифрового термометра [1] являются низкая точность вследствие наличия методической погрешности при реализации аппроксимации квадратичной функции и низкая помехоустойчивость из-за необходимости последовательного выбора диапазонов значений температур при отсутствии контроля за состоянием выходной информации.

Из числа аналогов наиболее близким по технической сущности является цифровой термометр [2], который и выбран в качестве прототипа. Прототип по сравнению с аналогом обладает более высокой точностью из-за отсутствия методической погрешности и имеет лучшую помехоустойчивость благодаря реализации оператора усреднения.

В состав прототипа входят: термопреобразователь с частотным выходом, первый и второй генераторы частот, реверсивный и суммирующий счетчики, три элемента И, триггер, блок индикации, преобразователи частоты в код и кода в частоту, причем выход термопреобразователя соединен с установочным входом триггера, сбрасывающий вход которого подключен к выходу переноса суммирующего счетчика, соединенного счетным входом с выходом первого элемента И, первый вход которого соединен с выходом первого генератора частоты, а второй - с выходом триггера и со вторыми входами второго и третьего элементов И, причем первые входы этих элементов И соединены соответственно второго - с выходом второго генератора частоты и с опорным частотным входом преобразователя кода в частоту, а третьего - с выходом преобразователя кода в частоту и с вычитающим входом реверсивного счетчика, суммирующий вход этого счетчика подключен к выходу второго элемента И, а выход третьего элемента И соединен со входом преобразователя частоты в код, выход которого подсоединен ко входу блока индикации, кроме того, в прототипе кодовый вход преобразователя кода в частоту подключен к выходу реверсивного счетчика.

Прототип [2] работает в непрерывном режиме и обеспечивает линеаризацию характеристик термопреобразователей с зависимостью где F(to) - выходная частота термопреобразователя; to - температура; а - постоянный коэффициент.

Импульсный сигнал с выхода термопреобразователя благодаря квадратичной функциональной характеристике термометра N=F(to)2F2k2/F1 2, при выполнении условия a=F2k2/F1 2, без методической погрешности однозначно связан с измеряемой температурой N=to.

Здесь:
F1 и F2 - частоты импульсных последовательностей с выходов первого и второго генераторов частот;
k - коэффициент деления счетчика 5;
- время, много большее периода следования импульсов от термопреобразователя.

Недостатком прототипа [2] является длительное время выхода в установившийся режим.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание цифрового термометра с ускоренной отработкой изменений частоты выходных сигналов термопреобразователя.

Техническим результатом является повышение быстродействия цифрового термометра.

Решение поставленной задачи состоит в том, что в цифровой термометр, в состав которого входят: термопреобразователь с частотным выходом, первый и второй генераторы частот, реверсивный и суммирующий счетчики, три элемента И, триггер, блок индикации, преобразователи частоты в код и кода в частоту, причем выход термопреобразователя соединен с установочным входом триггера, сбрасывающий вход которого подключен к выходу переноса суммирующего счетчика, соединенного счетным входом с выходом первого элемента И, первый вход которого соединен с выходом первого генератора частоты, а второй - с выходом триггера и со вторыми входами второго и третьего элементов И, причем первые входы этих элементов И соединены соответственно второго - с выходом второго генератора частоты и с опорным частотным входом преобразователя кода в частоту, а третьего - с выходом преобразователя кода в частоту и с вычитающим входом реверсивного счетчика, суммирующий вход этого счетчика подключен к выходу второго элемента И, а выход третьего элемента И соединен со входом преобразователя частоты в код, выход которого подсоединен ко входу блока индикации, кроме того, введен регистр, кодовый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, прямой динамический вход записи - с выходом триггера, а выход - с кодовым входом преобразователя кода в частоту.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в создании цифрового термометра с повышенным быстродействием линеаризации частотного сигнала за счет использования запоминающей обратной связи при получении квадратичной зависимости, благодаря чему ускоряется отработка изменений частоты выходных сигналов термопреобразователя.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого цифрового термометра, на фиг.2 - временные диаграммы переходного процесса, а на фиг.3 - временные диаграммы процессов, протекающих в устройстве в установившемся режиме.

Цифровой термометр содержит термопреобразователь 1 с частотным выходом, первый и второй генераторы частот 2 и 3, реверсивный и суммирующий счетчики 4 и 5, три элемента И 6, 7 и 8, триггер 9, блок индикации 10, преобразователи частоты в код 11 и кода в частоту 12, а также регистр 13, причем выход термопреобразователя 1 соединен с установочным входом триггера 9, сбрасывающий вход которого подключен к выходу переноса суммирующего счетчика 5, соединенного счетным входом с выходом первого элемента И 6, первый вход которого соединен с выходом первого генератора частоты 2, а второй - с выходом триггера 9 и со вторыми входами второго 7 и третьего 8 элементов И, причем первые входы этих элементов И соединены соответственно второго 7 - с выходом второго генератора частоты 3 и с опорным частотным входом преобразователя кода в частоту 12, а третьего 8 - с выходом преобразователя кода в частоту 12 и с вычитающим входом реверсивного счетчика 4, суммирующий вход этого счетчика 4 подключен к выходу второго элемента И 7, а выход третьего элемента И 8 соединен со входом преобразователя частоты в код 11, выход которого подсоединен ко входу блока индикации 10, кодовый вход регистра 13 соединен с выходом реверсивного счетчика 4, прямой динамический вход записи - с выходом триггера 9, а выход - с кодовым входом преобразователя кода в частоту 12.

Цифровой термометр работает в непрерывном режиме и обеспечивает линеаризацию характеристик термопреобразователей с зависимостью

Цифровой термометр работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени счетчики 4, 5 и регистр 13 обнулены, генераторы частот 2 и 3 вырабатывают импульсные последовательности с частотами F1 и F2, термопреобразователь 1 вырабатывает частоту F(to).

Первый импульс с выхода термопреобразователя 1 поступает на установочный вход триггера 9, устанавливая его в единицу. Появление единичного уровня на выходе триггера 9 инициирует запись нулевого кода из счетчика 4 в регистр 13, а фиксация этого уровня обеспечивает прохождение через элемент И 6 импульсов, следующих с частотой F1, с выхода генератора частоты 2 на счетный вход счетчика 5 и через элемент И 7 импульсов, следующих с частотой F2, с выхода генератора частоты 3 на суммирующий вход реверсивного счетчика 4. Нулевой код, содержащейся в регистре 13, обуславливает отсутствие импульсов на выходе преобразователя кода в частоту 12, поэтому на вычитающий вход реверсивного счетчика 4 и на вход преобразователя частоты в код 11 импульсы не поступают.

В момент, когда в счетчике 5 возникнет переполнение, сигнал переноса сбросит триггер 9, что приведет к блокировке поступления импульсов с выхода генератора частоты 2 на счетный вход счетчика 5 и импульсов с выхода генератора частоты 3 на суммирующий вход реверсивного счетчика 4. Это состояние устройства будет сохраняться до появления следующего импульса с выхода термопреобразователя 1.

Следующий импульс с выхода термопреобразователя 1 поступает на установочный вход триггера 9, устанавливая его в единицу. Появление единичного уровня на выходе триггера, как и в предыдущем случае, инициирует запись накопленного кода из счетчика 4 в регистр 13. Зафиксированный единичный уровень на выходе триггера 9 обеспечивает прохождение импульсов с выхода генератора частоты 2 на счетный вход счетчика 5, импульсов с выхода генератора частоты 3 на суммирующий вход реверсивного счетчика 4 и, кроме того, прохождение импульсов с выхода преобразователя кода в частоту 12 на вход преобразователя частоты в код 11 через элемент И 8. Код, формируемый преобразователем частоты в код 11, индицируется блоком индикации 10. На вычитающий вход реверсивного счетчика 4 поступают импульсы, вырабатываемые преобразователем кода в частоту 12 под воздействием кода, содержащегося в регистре 13, и импульсов, следующих с частотой F2, с выхода генератора частоты 3.

В момент, когда в счетчике 5 возникнет переполнение, сигнал переноса сбросит триггер 9, что приведет к блокировке поступления импульсов с выхода генератора частоты 2 на счетный вход счетчика 5, импульсов с выхода генератора частоты 3 на суммирующий вход реверсивного счетчика 4, а также импульсов с выхода преобразователя кода в частоту 12 на вход преобразователя частоты в код 11. Это состояние устройства будет сохраняться до появления следующего импульса с выхода термопреобразователя 1.

С приходом очередного импульса с выхода термопреобразователя 1 процесс повторяется.

Принцип действия цифрового термометра основан на модуляции опорной частотно-импульсной последовательности широтно-импульсными сигналами с постоянной длительностью и изменяющимся в зависимости от входного сигнала периодом, определяющим время срабатывания запоминающей обратной связи, с целью выработки и автоматической компенсации сигнала рассогласования устройства при получении линеаризирующей квадратичной зависимости, что обеспечивает быстрое отслеживание изменений входных данных при формировании результата.

Наличие в устройстве отрицательной обратной связи обеспечивает выход в режим установившегося динамического равновесия, характеризующийся равенством количества импульсов, приходящих на суммирующий N+ и на вычитающий N- входы реверсивного счетчика 4 в течение временного интервала , т. е.

N+=N- или F+=F-, (1)
где F+ и F- - средние значения частот импульсных последовательностей на суммирующем и вычитающим входах счетчика 4 соответственно.

Среднее значение частоты импульсной последовательности на суммирующем входе счетчика 4 за период сигнала от термодатчика определяется следующим образом
F+=F2,
где - относительная длительность единичного уровня на выходе триггера за период сигнала термодатчика.

На вычитающий вход реверсивного счетчика 4 поступает импульсная последовательность с выхода преобразователя кода в частоту 12
F-=F2NRG/2n,
где NRG - входной код преобразователя кода в частоту 12, снимаемый с выхода регистра 13,
n - разрядность преобразователя кода в частоту 12 и регистра 13.

В установившемся режиме количество импульсов, пришедших на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика в течение времени устройства, равны, что и позволяет получить следующее равенство
F2=F2NRG/2n,
или
2n=NRG. (2)
При этом на выходе преобразователя кода в частоту 12 будет формироваться импульсная последовательность с частотой F12, модулирование которой сигналом, снимаемым с выхода триггера 9, позволит получить результирующую импульсную последовательность со средним значением частоты за период сигнала от термодатчика
Fвых=F12,
или с учетом характеристики преобразователя кода в частоту 12
Fвых=F2NRG/2n.

Отсюда с учетом (2) имеем
Fвых = F22. (3)
Разрядность n преобразователя кода в частоту 12, регистра 13 и реверсивного счетчика 4 определяют точность преобразований. Таким образом, значение опорной частоты F2 задается исходя из разрядностей указанных элементов и с учетом минимального значения частоты термопреобразователя 1
F22nF(to)min. (4)
Относительная длительность определяется через длительность единичного импульса, формируемого на выходе триггера 9, и частоту термопреобразователя 1 F(to) следующим образом
= F(to).

При этом длительность единичного импульса является постоянной величиной и определяется коэффициентом деления счетчика 5
=k/F1.

Подставляя эти выражения в (3), имеем результирующую импульсную последовательность
Fвых=F2F(to)2(k/F1)2.

Таким образом код, формируемый преобразователем частоты в код 11, в течение времени будет определен как
N=F2F(to)2(k/F1)2
или
N=aF(to)2,
где a=F2k2/F1 2.

Выходной код преобразователя частоты в код 11 N однозначно связан с измеряемой температурой to и отображается цифровым индикатором блока индикации 10.

После первого T1 периода работы устройства реверсивный счетчик 4 сформирует код
NСТ(,NRG)1=NRG0+F2/F(to)-NRG0F2/2nF(to)=NRG0[1-F2/2nF(to)] +F2/F(to), (5)
где NRG0 - начальное значение выходного кода, снимаемое с регистра 13.

Запись содержимого счетчика 4 в регистр 13 осуществляется в начале каждого периода по переднему фронту широтно-модулированного сигнала, и полученный код неизменно присутствует на выходе регистра 13 в течение всего периода
NRG1=NRG0[1-F2/2nF(to)]+F2/F(to).

После второго Т2 периода работы устройства реверсивный счетчик 4 сформирует код
NCT(,NRG)2=NRG1+F2/F(to)-NRG1F2/2nF(to)={NRG0[1-F2/2nF(to)] +F2/F(to)} (1-F2/2nF(to))+F2/F(to)= NRG0[1-F2/2nF(to)]2+F2/F(to)[1+(1-F2/2nF(to))].

После i-гo периода работы устройства реверсивный счетчик 4 сформирует код
NCT(, NRG)i= NRGi-1+F2/F(to)-NRGi-1F2/2nF(to)= NRG0[1-F2/2nF(to)] i+F2/F(to)[1+(1-F2/2nF(to))] +(1-F2/2nF(to))2+. . . +(1-F2/2nF(to))i-1] .

Второе слагаемое этого выражения характеризуется геометрической прогрессией с основанием q=1-F2/2nF(to) и первым членом а0=1. Таким образом, оно может быть представлено суммой S=а0/(1-q), то есть S=2nF(to)/F2.

В общем случае код на счетчике 4 в произвольном периоде определяется выражением
NCT(,NRG)t=NRG0[1-F2/2nF(to)]t+(2nF(to)/F2)F2/F(to)=NRG0[1-F2/2nF(to)] t+2n.

Из полученного выражения видно, что результат преобразований формируется, когда первое слагаемое становится равным нулю, то есть

Это возможно при выполнении следующего условия
|1-F2/2nF(to)|<1,
2n+1F(to)>F2>0.

Учитывая, что для обеспечения работоспособности устройства с необходимой точностью исходно задается более жесткое ограничение (4), результат преобразований достигается всегда.

При этом достижение результата происходит всегда быстрее, чем у прототипа.

В предлагаемом устройстве действие обратной связи для текущего периода i+1 основано только на итоговых значениях предыдущего i-го периода, которые фиксируются и удерживаются в течение всего текущего периода. При этом текущее состояние счетчика 5 не оказывает влияние на обратную связь, и приращение кода на счетчике к концу периода i+1 будет описываться выражением
(NCT i+1) = i+-i-(NCT i = NRG i),
где i+ - приращение по суммирующему входу счетчика 5;
i-(NCT i = NRG i) - приращение по вычитающему входу счетчика 5, которое в течение периода постоянно и зависит от NCTi=NRGi.

В прототипе действие обратной связи для текущего периода i+1 основано в начальный момент на итоговых значениях предыдущего i-го периода, которые сразу изменяются под воздействием отрицательной обратной связи и формируют текущее значение результата. При этом текущее состояние счетчика в течение всего периода оказывает влияние на обратную связь, и приращение кода на счетчике к концу периода i+1 будет описываться выражением

где i+/- приращение по суммирующему входу счетчика;
приращение по вычитающему входу счетчика, которое в течение периода меняется и зависит как от NCTi, так и от Nос тек ущее.

Таким образом, заявляемое устройство к концу любого i+1 периода выходит на больший уровень результата, чем прототип. В итоге в заявляемом устройстве значение приращений результата для достижения установившегося режима на каждом шаге больше, чем у прототипа, следовательно установившийся режим всегда достигается быстрее и обеспечивается ускоренная отработка изменений частоты выходных сигналов термопреобразователя.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1229604. В.Л. Котляров, Клаус Циммерман. Цифровой термометр, кл. G 01 К 7/32, опубликовано 1986 г., бюллютень 17.

2. Авторское свидетельство СССР 1520360. А.И. Гулин, С.В. Забелина, Н. М. Сафьянников и Е.П. Угрюмов. Цифровой термометр, кл. G 01 К 7/32, заявлено 1987 г., опубликовано 1989 г., бюллютень 41, прототип.


Формула изобретения

Цифровой термометр, содержащий термопреобразователь с частотным выходом, первый и второй генераторы частот, реверсивный и суммирующий счетчики, три элемента И, триггер, блок индикации, преобразователи частоты в код и кода в частоту, причем выход термопреобразователя соединен с установочным входом триггера, сбрасывающий вход которого, подключен к выходу переноса суммирующего счетчика, соединенного счетным входом с выходом первого элемента И, первый вход которого соединен с выходом первого генератора частоты, а второй - с выходом триггера и со вторыми входами второго и третьего элементов И, причем первые входы этих элементов И соединены соответственно второго - с выходом второго генератора частоты и с опорным частотным входом преобразователя кода в частоту, а третьего - с выходом преобразователя кода в частоту и с вычитающим входом реверсивного счетчика, суммирующий вход этого счетчика подключен к выходу второго элемента И, а выход третьего элемента И соединен со входом преобразователя частоты в код, выход которого подсоединен ко входу блока индикации, отличающийся тем, что в устройство введен регистр, кодовый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, прямой динамический вход записи - с выходом триггера, а выход - с кодовым входом преобразователя кода в частоту.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 11.06.2011

Дата публикации: 27.03.2012




 

Похожие патенты:

Изобретение относится к тепловым измерениям, а именно к устройствам для измерения температуры с бесконтактной (дистанционной) передачей сигнала от измерительного датчика к регистрирующему устройству

Изобретение относится к температурным измерениям и может быть использовано при построении цифровых термометров, работающих с термопреобразователями, имеющими частотный выходной сигнал, например пьезокварцевыми преобразователями

Изобретение относится к термометрии, а именно к контактным датчикам температуры, и может использоваться в нефтяной, химической промышленности и коммунальном хозяйстве

Изобретение относится к термометрии, а именно к контактным датчикам температуры, и может использоваться при измерении температуры с минимальной глубиной погружения датчика в нефтяной, химической промышленности и коммунальном хозяйстве, в частности, в трубах малого диаметра

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к цифровым термометрам, работающим с термопреобразователями, представляющими измерительную информацию в импульсной форме

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для работы с термопреобразователями с частотным выходным сигналом и может быть использовано при измерениях температуры, например, в теплосчетчиках для повышения точности измерения температуры при одновременном упрощении устройства

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при создании и применении устройств и систем для измерения температуры поверхностей, находящихся под напряжением

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах контроля окружающей среды и управления технологическими процессами. Согласно заявленному предложению осуществляют измерение частоты генератора, зависящей от параметров терморезисторов, располагаемых равномерно по объему исследуемого поля и соединенных с внешними конденсаторами фазирующей RC-цепочки, образующих совместно с усилителем генератор, соединенный через преобразователь частота-код и микроконтроллер, программу которого снабжают градуировочной характеристикой зависимости частоты от контролируемой температуры. Изобретение также предоставляет возможность коррекции инструментальной погрешности измерения во время тарировки после установки терморезисторов в контролируемой среде и установление значения частоты, соответствующей минимальной и максимальной средней температуры среды, при достижении которых включают дополнительный режим индикации. После обработки контроллером результат подают в канал регулирования или на индикатор температуры. Технический результат: повышение точности измерения температуры среды. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к термометрии и предназначено для работы с термопреобразователями с частотным выходным сигналом. Заявлен цифровой термометр, содержащий термопреобразователь с частотным выходом, генератор прямоугольных импульсов, реверсивный счетчик с прямыми динамическими входами, параллельный регистр с инверсным динамическим синхровходом, преобразователь код-частота (ПКЧ) и дополнительно введенное ПЗУ. Вычитающий вход реверсивного счетчика соединен с выходом ПКЧ, частотный вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, а суммирующий вход счетчика подключен к выходу термопреобразователя и синхровходу параллельного регистра. Выходы реверсивного счетчика подключены к входам параллельного регистра, выходы которого соединены с кодовыми входами ПКЧ и с входами ПЗУ, выходы которого являются выходами устройства. Предлагаемое изобретение обеспечивает функциональное преобразование импульсной информации за счет использования частотно-импульсной следящей системы компенсационного типа, обеспечивающей непрерывное отказоустойчивое формирование результата в соответствии с температурной характеристикой термопреобразователя. Технический результат: повышение точности измерения температуры. 1 ил.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для работы с термопреобразователями с импульсным выходным сигналом. Цифровой термометр содержит термопреобразователь с импульсным выходом, генератор прямоугольных импульсов, реверсивный счетчик с прямыми динамическими входами, параллельный регистр с инверсным динамическим синхровходом, элемент И, элемент НЕ, преобразователь код-частота (ГТКЧ) и дополнительно введенное ПЗУ. При этом вычитающий вход реверсивного счетчика соединен с выходом элемента И, первый вход которого подключен к выходу ПКЧ, частотный вход, которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, а второй вход элемента И связан с выходом элемента НЕ, соединенного с выходом термопреобразователя. Суммирующий вход реверсивного счетчика с весовым коэффициентом k подключен к выходу термопреобразователя и синхровходу параллельного регистра, выходы реверсивного счетчика подключены к входам параллельного регистра, выходы которого соединены с кодовыми входами ПКЧ и с входами ПЗУ, выходы которого являются выходами устройства. Технический результат: повышение точности измерения температуры и расширение функциональных возможностей устройства. 1 ил.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерения и мониторинга малых изменений температуры. Заявлен способ измерения температуры объекта с помощью чувствительного элемента (ЧЭ), представляющего собой стандартный двухвходовой резонатор на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Измерения производятся следующим способом. При заданной температуре измеряется резонансная частота резонатора. Затем на этой частоте измеряется изменение фазы отраженного сигнала от преобразователя. Изменения фазы соответствуют изменениям температуры в окрестности заданной температуры. Количественное соответствие достигается при использовании соответствующей калибровки. При таком способе измерений (не используя усреднений) достигается более высокое разрешение по температуре (как минимум на два порядка величины) по сравнению с известными аналогами. Технический результат - повышение точности измерения температуры объекта в реальном масштабе времени. 6 ил.
Наверх