Цифровой термометр

(1% И 1) сю 4 С 01 К 7/32 юЬиИ4ъ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Львовский ордена Ленина политехнический институт им. Ленинского комсомола(56) Авторское свидетельство СССР У 870972, кл, С 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 свыхода счетчика 7 счетного интервалана управляющий вход ключа 4, импульсы измеряемой частоты через схемуИЛИ 8 поступают на счетный вход счетчика 11 результата, увеличивая егосодержимое каждым импульсом на единицу. Сигнал с термопреобразователя 1через умножитель частоты 2 поступаетна 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 9после окончания временного интерваладобавляется в счетчик 1 результатаодин импульс, для чего предназначена схема 5 добавления импульса. 4 ил,1 12737Изобретение относится к темпера"турным измерениям и может быть использовано для измерения температурыконтактным методом с помощью термопреобразователей с частотным выходным сигналом, например пьезокварцевых, а также для измерения других Фи"зических величин датчиками с частотным выходным сигналом.Целью изобретения является ловы- Ошение точности измерения температурыпутем снижения составляющей погрешности, вносимой умножителем,На фиг. 1 представлена схема ци-фрового термометра; на фиг. 2- временная диаграмма, описывающая ее работу на фиг. 3 - схема добавленияимпульса; на фиг. 4 - схема формирования временных интервалов.Цифровой термометр (Фиг.1) содержит термопреобразователь 1 с частот-ным выходным сигналом, умножитель 2частоты, опорный генератор 3, ключ 4,схему 5 добавления импульса, схему бформирования временных интервалов,счетчик 7 счетного интервала, схемуИЛИ 8, реверсивный счетчик 9, формирующий результат измерения для младших разрядов цифрового индикатора 10,счетчик 11 результата, формирующий ЗОрезультат измерения для старших разрядов цифрового индикатора 10, приэтом входы 12-15 схемы добавленияимпульса соединены соответственно суправляющим входом ключа 4, выходом 35термопреобразователя 1, выходом реверсивного счетчика 9 и выходом младшего разряда счетчика 11, а выход16 подключен к схеме ИЛИ 8, входы 1719 схемы б формирования временных интервалов соединены соответственно свыходом термопреобраэователя, выходом умножителя и выходом счетчика 7счетного интервала, а выходы 20 и 21подключены к входам реверсивного 45счетчика 9.Схема 5 добавления импульса (фиг.3) содержит два инвертора 22 и 23,схему 24 задержки, схему ИЛИ 25,схему 26 равнозначности, триггер 27, 50схемы И 28 и 29, триггер 30 и схемуИ 31, выход которой соединен с выходом 16, а входы подключены соответственно к .входу 13, соединенномус первым входом схемы И 28, и прямо- яму выходу триггера 30, вход Я установки в единицу которого соединен спотенциалом земли, П-вход подключен 51 3к обратному выходу триггера 27, С- вход соединен с выходом схемы И 28, а К-вход подключен к выходу схемы ИЛИ 29 и первому входу схемы ИЛИ 25, второй вход которой соединен с входом 14, а выход подключен к Б-входу триггера 27, 0- и К-входы которого соединены с потенциалом земли, а С- вход 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 Б- входы установки в единицу триггеров 34 и 35 подключены к потенциалу земли, а их К-входы установки в нуль вместе с входом инвертора 33, выход которого соединен с информационными Э- входами 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 - с выходом схемы И 37.Цифровой термометр работает следующим образом.При высоком уровне сигнала Т(Фиг,2,а), 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 сигналс частотой Е Г(К - коэффициент умножения 2 частоты) на один из счетных входов реверсивного счетчика 9(5) 55 Ко результата только за интервалы времени, представляющие нецелые части периода измеряемого сигнала и обозначенные через Ь с, и ь с(фиг.2,а),Для общего случая несинхронности начала счетного интервала Т, с импульсами измеряемого сигнала термопреобраэователя алгоритм работы цифрового термометра, следующий из временной диаграммы (фиг.2,а,б), описы О вается выражением где И - содержимое счетчика результата после окончания цикла 15измерения (реэультат измерения);Ь 1, - интервал времени между нача-лом счетного интервала Тци первым входным импульсом, 20- интервал времени между последним входным импульсоми окончанием счетного интервала Т,ц,и - число импульсов, попадающих25за счетный интервал Т всчетчик 11 результата;о - вес единицы младшего разряда счетчика 11 результата.Длительность счетного интервала Т м имеет видТизм = Ь,+(и) Тх+ ЬСг(2) где Т- длительность периода измеряемого сигнала, З 5Так как выделение временного интеРвала Ьг свЯзано с опРеделенными трудностями, то предпочтительно выделить временной интервал Ь ,учитывая очевидное соотношение 40 Если представить коэффициент умножения К умножителя частоты 2 в видеК = К (1+Р), (4)45 где К - номинальный коэффициент умоножения,- погрешность коэффициентаумножения, включающая статическую и динамическую составляющие,с учетом необходимости обеспечения условия алгоритм работы цифрового термометраможет быть представлен выражением И=К,(п)+К Г(ЬЕ, +Т-ЬС,) (6) В выражении (6) выделяем составляющуюхарактеризующую работу реверсивного счетчика 9 и показывающую, что он1 должен быть реверсивным, Так как значения длительностей временных интервалов Ь С, и Ь й э могут изменяться в пределах О-Т, то справедливо нера- венство О(ЬЕ, +Т-ЬЕ ) с 2 Т,показавшее, что выражение Ьй +Т- Свсегда 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) показывающим, что старший разряд реверсивного счетчика 9 результата имеет такой же вескак и младший разряд счетчика 11 результата. Поэтому, при единичном состоянии старшего разряда реверсивного счетчика 9 после окончания временного интервала ЬСнеобходимо добавить в счетчик 11 результата один импульс, для чего и предназначена схема 5 добавления импульса.Если заменить добавление КГ. Т импульсов в реверсивный счетчик 9 результата его установкой в состояние К до начала цикла измерения, то выражение (7) примет вид 4 ме:К к(Ь 1 Ь)+КоИз выражения (6) следует также,что число поступающих в счетчик 11результата импульсов необходимо умень.шить на единицу, что реализуется приего 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 на его тактирующий1737вход передним фрон гам сигнала Тв момент времени с (фиг,2,а). Этим же фронтом сигнала Тицпоступающего через вход 19 схемы 6 формирования временных интервалов па тактирующий вход триггера 34, последний устанавливается в единичное состояние, если в момент времени Е поступающий через вход 17 схемы 6 формирования временных интервалов на вход инвертора 38 10 сигнал термопреобра.зоватепя 1 имеет низкий уровень. В противном случае триггер остается в нулевом состоянии, в которое он установлен не позже, чем в момент времени о (фиг,2,б), 15 поступающими через вход 17 на входы установки в нуль триггеров 34 и 35 схемы 6 формирования ьременных интервалов импульсами измеряемой частоты Г . Таким образом, инвертор 33 схе мы 6 формирова,.ия временных интервалов разрешает устапогку триггера 34в единичное состояние только в том случае, когда в момент времени (начало счетного интервала Т) не 25 поступает импульс измеряемой 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 интерва юв импульсы с часто той следования КГ 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 дым поступающим импульсом увеличивается на единицу (фиг,2,д), начиная ст состояния К (триггер 27 схемы 5одобавления импульса находится в нулевом состоянии), Поступлением первого 45 после подачи сигнала Т, импульсахзлизмеряемой частоты Г па вход 17 схемы 6 формирования времепньх интервалов в момент времени Т (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 им. пульсы измеряемой частоты подсчитываются счетчиком 11 результата. Появпением в момент времени 1: (конец счетного интервала Т, ) заднего фронтасигнала Т, . поступающего через вход 51 Ь19 и инвертор 32 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 КГ через схему И 37и выход 21 (фиг,2,г) схемы 6 посгупают на вход обратного счета реверсивного счетчика 9, состояние которогосоответственно уменьшается (фиг.2,д). Если в течение временного интервалапри обратном счете реверсивного3счетчика 9 возникает импульс переноса, поступающий через вход 14 и схему ИЛИ 25 на вход установки в единицутриггера 27 схемы 5 добавления импульса, то триггер 27 устанавливается в единицу, а в противном случае остается в нулевом состоянии. Поступлением в момент времени 1 1 первогопосле окончания счетного интервалаТ импульса змеряемой частоты через вход 17 схемы 6 формирования временных интервалоз на вход установкив нуль триггера 35 последний сбрасывается и прекрашается счет импульсов умноженной частоты КГ в реверсивном счетчике 9, Передним фРонтом (и+1)го импульса измеряемой частоты, выделенного среди остальных импульсовпри помощи инвертора 23 и схемы И 28 схемы 5 добавления импульса и поступающего на тактирующий вход триггера 30, последний в момент времениустанавливается в состояние,опре 1деляемое уровнем инверсного выхода триггера 27 схемы 5 добавления импульса. При единичном состоянии триггера 30 схемы 5 добавления импульса триггер 27 в течение временного интервала 1 не переключается в единичное состояние, следовательно, непроисходит 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 счетчика11 результата, увеличивая состояние счетчика на единицу (фиг.2,е, момент времени ,п, ), чем реализуется требуе мое согласно приведенному алгоритму работы цифрового термометра добав12737518мометре сбои за время Тщ не накапливаются в счетчике результата, а ошибки в работе цифрового умножителя частоты вследствие сбоев сказываются5 лишь на длительности интервала времени ьс, -дС ление одного импульса, Происходящеепри этом обязательное переключениемладшего разряда счетчика 11 результата, выход которого соединен с входом 15 схемы 5 добавления импульса,при помощи инвертора 22, схемы 24задержки и схемы 26 равнозначностисхемы 5 добавления импульса используется для формирования импульса,длительность которого определяетсявременем задержки схемы 24 которыйпроходит при высоком уровне выходаинвертора 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 добавленияимпульса через схему ИЛИ 25 - в единичное состояние, чем прекращаетсяработа схемы 5 добавления импульса Юдо начала следующего цикла измерения.При единичном состоянии триггера 27схемы 5 добавления импульса в моментвремени д добавление импульса встаршую часть счетчика 11 результатавообще не производится.Накопленные после окончания (и+1)-го импульса измеряемой частоты вреверсивном счетчике и счетчике 11результата значения в виде реэультата 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 флюктуациямфронтов входных импульсов. 40При использовании более сложных,чем аналоговые, цифровых умножителейосновной вклад в нестабильность коэффициента умножения цифрового умножителя вносят его сбои при резких флюк 45туациях 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, о т л и ч а ю щ и й с я 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 Г Фце. Я каз 6467/38 Тира ВНИИПИ Государственног по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Ра778 Подписнокомитета СССРи открытийушская наб., д. 4/5 оизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгоро роектна Составитель В. Куликоведактор Л. Веселовская Техред В,Кадар Корректор Е. Сирохма