Цифровой термометр

(5 С О К 7/32 ПИСА ИЗОБРЕТЕН И ишанов,в ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРЦО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ ВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(72) В, Г. Брандорф, А, А. Гр О. А, Губанов и В. Л. Котляро (71) Львовский ордена Ленина оли" технический институт им. Ленинского комсомола и Львовский лесотехнический институт .(56) 1. Глембо В, А., Котляров В. Л Швецкий Б. И. Пьезокварцевые аналогоцифровые преобразователи температуры. Львов, Изд-во при Львовскомгосударственном ун-те, 1977, с. 147,рис, 7, 1,.2Авторское свидетельство СССРВ 830151, кл, С 01 К 7/32, 1979(54)(57) ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР, содержащий термопреобразователь с частотным выходом, подключенный к первому входу тактирующего блока, выход которого соединен с входом ключа, а второй вход соединен с выходом генератора опорной частоты и через делитель частоты подключен к первому входу блока управления, первый выход которого соединен с управляющим входом ключа, а второй выход подключен к установочному входу счетчика результата, выход которого соединен с входом индикаторного регистра и первым входом первой схемы "больше- . меньше", вторые входы которой подключень 1 к источнику постоянных логических уровней, группу схем И, выходы которых соединены с входами первойсхемы ИЛИ, вторую схему ИЛИ, три,схемы И, вторую схему "больше-меньше", первые входы которой соединены с источниками постоянных опорных уровней, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения процесса калибровки термометра, в него введены дополнительно две схемы ИЛИ дополнительный счетчик, одновибратор элемент И-НЕ, триггер, два инвертора и дешифратор, входы которого соединены с выходами счетчика результата, а выходы подключены к входам группы схем И и входам второй схемы ИЛИ, выход которой подключен к пер-вому входу схемы И-НЕ и через первый инвертор соединен с первым входом первой схемы И, второй вход которой соединен:с вторым входом схемы И-НЕ и выходом одновибратора, вход которого соединен с выходом первой схемы ИлИ и первым входом третьей схемы ИЛИ, второй вход которой соединен 2 с управляющим входом индикаторного регистра и вторым выходом блока управ" ления, а выход подключен к установочному входу дополнительного счетчика, выходы которого соединены с входами групп схем И, а счетный вход подключен к выходу второй схемы И, первый вход которой соединен с выходом первой схемы "больше-меньше" и третьим входом схемы И-НЕ, а второй вход соединен с выходом ключа и первым входом четвертой схемы ИЛИ, второй вход которой соединен с выхо- фри дом первой схемы И, а выход соединен через второй инвертор с первым входом триггера, второй вход которого соединен с выходом схемы И-НЕ, при этом входы третьей схемы И соединены соответственно с виходом триг"гера и выходом четвертой схемы ИЛИ,а выход подключен к счетному входусчетчика результата, установочныевходы которого соединены с источниками постоянных логических уровней,158873второй вход второй схемы "больше-меньше" соединен с промежуточным выходом делителя частоты, а выходподключен к второму входу блока управления.Изобретение относится кустройствам для измерения температуры, в частности созданию цифровых термометров с пьеэокварцевыми термопреобразователями температуры с частотным выходным сигналом.Известен цифровой термометр, содержащий датчик температуры с частотным выходом, ключ, счетчик результата, индикаторный регистр результата, генератор опорной частоты, делитель опорной частоты, схему И и устройство управления 1 3.Однако в данном термометре не учитывается нелинейность характеристик термопреобраэователей, что приводит к погрешности в показаниях термометра, особенно при измерениях в широком диапазоне температур,Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является цифровой термометр, содержащий термопреобразоваталь с частотным выходом, подключенный к первому входу тактирующего блока, выход которого соединен с входом ключа, а второй вход соединен с выходом генератора опорной частоты и через делитель частоты подключен к первому входу блока управления, первый выход которого соединен с управляющим входом ключа, а второй выход подключен к установочному входу счетчика результата, выход которого соединен с входом индикаторного регистра и первым входом первой схемы "больше-меньше", вторые входы которой подключены к источнику постоянных логических уровней группу схем И, выходы которых соединены с входами первой схемы ИЛИ, вторую схему ИЛИ, три схемы И, вторую схему "больше-меньше", первые входы которой соединены с источниками постоянных опорных уровней, а также блок памяти и распределитель импульсов 2. Известный термометр позволяетустранить влияние нелинейности характеристик термопреобразователейна результат измерения температуры,погрешность из-за нелинейности внем отсутствует, однако его схемаслишком сложна, а процесс калибровки сложен.,и требует длительноговремени. Объясняется это тем, чтотермометр снабжен органами настройки,и запоминающими устройствами в объеме, необходимом для запоминания полных кусочно-линейно аппроксимированных характеристик термопреобразователей, что позволяет настроить термометр путем записи в него параметров всех участков кусочно-линейноаппроксимированной характеристикитермопреобраэователя в виде таблиц 20 подключения схем И и чисел, записываемых в запоминающее устройство дляизменения числа в счетчике результата, по одному на участок аппроксимации. Все это усложняет процесс калибровки температуры при замене термопреобразователей.Цель изобретения - упрощение процесса калибровки термометраПоставленная цель достигается тем, 30 что в цифровой термометр, содержащийтермопреобразователь с частотнымвыходом, подключенный к первому входу тактирующего блока, выход которогосоединен с входом ключа, а второйвход соединен с выходом генератораопорной частоты и через делительчастоты подключен к первому входублока управления, первый выход которого соединен с управляющим входомключа, а второй выход подключен кустановочному входу счетчика результата, выход которого соединен с входом индикаторного регистра и первымвходом первой схемы "больше-меньше",вторые входы которой подключены к ис точнику постоянных логических уровней, группу схем И, выходы которых35 з 11.58соединены с входами первой схемыИЛИ, вторую схему ИЛИ, три схемы И,вторую схему больше-меньше , первые входы которой соединены с источниками постоянных опорных уровней,в него введены две схемы ИЛИ, дапалнителЬнйй счетчик, одновибратор,элемент И-НЕ, триггер, два инвертораи дешифратор, входы которого соединены с выходами счетчика результата, И 1а выходы подключены к входам группысхем И и входам второй схемы ИЛИ,выход которой подключен к первомувходу схемы И-НЕ и через первый инфертор соединен с первым входом первой схемы И, второй вход которойсоединен с вторым входом схемы И-НЕи выходом одновибратора, вход которого соединен с выходом первой схемыИЛИ и первым входом третьей схемы 0ИЛИ, второй вход которой соединен суправляющим входом индикаторного регистра. и вторым выходом блока управления, а выход подключен к установочному входу дополнительного счетчика,выходы которого соединены с входамигруппы схем И, а счетный вход подключен к выходу второй схемы И, первый вход которой соединен с выходом30первой схемы "больше-меньше" и трееъим входом схемы И-НЕ, а второйвход соединен с выходом ключа и первым входем четвертои схемы ИЛИ, второй вход которой соединен с выходомпервой схемы И, а выход соединенчерез второй инвертор с первым вхо. дои триггера, второй вход которогосоединен с выходом схемы И-НЕ, приэтом входы третьей схемы И соединенысоответственно с выходом триггера40и выходом четвертой схемы ИЛИ, авйход подключен к счетному входусчетчика результата, установочныевходы которого соединены с источниками постоянных логических уровней,45второй вход второй схемы "большеменьше" соединен с промежуточнымвыходом делителя частоты, а выходподключен к второму входу блокауправления.50На фиг. 1 представлена схема цифрового термометра; на фиг. 2 - схематактирующего блока.Цифровой термометр содержит термопреобразователь 1 с частотным выходом, тактирукц 1 ий блок 2, ключ 3,генератор 4 опорной частоты, делитель 5 частоты блок 6 управления,873 4счетчик 7 результата, на установочныевходы которого подано число И в виде постоянных логических уровней,индикаторный регистр 8, первую схему"больше-меньше" 9, напервые входыкоторой подано число И н виде постояйных логических уровней, вторую схему "больше-меньше" 1 О, на вторыевходы которой в виде постоянных логических уровней подано число И , дешифратор 11, п выходов которого(где и - количество узлов аппроксимации кривой ошибок от нелинейногопьезокварцевых термапреобразователей,на которых поправка к результатуизмерения положительна) подключенык первым входам всех схем И 12 груп-,пы, а ш выходов (где щ - количествоучастков аппроксимации, на которыхпоправка к результату измерения отрицательная) - к входам первойсхемы ИЛИ 13, дополнительный счетчик 14, вторую схему ИЛИ 15, одновибратор 16, первую схему И 17,третью схему ИЛИ 18, элемент И-НЕ 19,четвертую схему ИЛИ 20, триггер 21,первый инвертор 22, вторую схемуИ 23 третью схему И 24 и второй ннвертор 25,В качестве индикаторного регистра,8 применяется регистр с реверсивнойсистемой индикации,Блок управления содержит триггер26, входы которого являются первыми вторым входами блока управления, иодновибратор 27, подключенный к выходу триггера. При этом выходы триггераи одновибратора являются одновременно первым и вторым выходами блокауправления,Тактирующий блок 2 предназначен для "привязки" импульсов, поступаю" щих от термопреобразователя 1 в лю" бой момент времени, к импульсам опорного генератора, что необходимо для. того, например, чтобы перенос информации из счетчика 7 врегистр 8 не произошел в момент подсчета счетчиком 8 очередного импульса от датчика. Тактирующий блок (фиг. 2) может быть реализован на двух П-триггерах 28 и 29 и элементе И 30, выход которого является выходом тактирующего блока, а входы подключены к прямому выходу триггера 28 и инверсному выходу триггера 29. Тактовые входы обоих триггеров подключены к выходу опорного генератора, 0-вход триггера 28 подключен к выходу термопреобраэователя, а . Р-вход триггера 29 - к выходу триггера 28.Схемы "больше"меньше" 9 и 10 представляют собой устройства для вычитания двух чисел с выходом только знака результата и могут быть реализованы на основе стандартных микросхем.Работа цифрового термометра основана на том, что в немвначале производится преобразование частотыв код, зависящий только от температуры и не зависящий от разброса характеристик термопреобраэователя по номинальной частоте и крутизне, , а затем производится линеаризация полученного таким образом числа путем введения поправки. При этом используется тот факт, что после преобразования частоты термопреобразователя в код с учетом номинальной частоты термопреобразователя и крутизны, характер нелинейности для всех пьезокварцевых термопреобразователей становится одинаковым, т,е, после совмещения начальной и конечной точек характеристики путем сдвига всех ее точек перпендикулярно оси абсцисс и умножения каждой ординаты на коэффициент, определенный индивидуально для каждого термопреобразователя, характеристики в остальных точках будут совпадать.Поэтому в предлагаемом термометре в отличие от прототипа вначале осуществляется совмещение двух точек характеристики, а затем - линеаризация по общей программе.Очень важным является то, что в предлагаемом термометре процесс. совмещения двух точек характеристи.ч ки термопреобразователя заканчивается до того, как заканчивается процесс счета, .что позволяет начать и закончить линеаризацию в процессе подсчета импульсов от термопреобраэователя, не увеличивая времени измерения. Иначе говоря, особенностью предлагаемого термометра является отсутствие преобразования уже полученного кода, в котором устранены раэбросы характеристик термопреобразователей, но остается погрешность от нелинейности, в другой код, в котором отсутствует погрешность от нелинейности.В тактирующем блоке после поступления "1" на 0-вход триггера 28 от термопреобразователя ближайший фронт импульса опорного генератора установит триггер .28 в "1". При этом на выходе элемента И 30 появится "1".Следующий импульс опорного генератора установит в триггер 29 и на выходе элемента И 30 появится "0". По окончании входного импульса триггеры 28 и 29 по очереди установятся в "0" импульсами опорного генератора. Так как в 0 вначале установится триггер 28, импульс с выхода элемента И 30 не появится. Таким образом, в ответ на один импульс термопре. образователя, имеющий произвольнуюдлительность и поступающий в произвольный момент времени, тактирующий блок выдает один узкий положительный импульс, длительность которого равна периоду сигнала опорного генератора, а начало и конец совпадают с одним из фронтов этого сигнала. Счетчик результата подсчитывает поступающие на его вход импульсы.Импульсы с выхода тактирующегоблока будут. поступать в счетчик 7 5 0 15 20 25 30 Процесс получения результата впредлагаемом термометре осуществляется следующим образом,В результате очередного переполнения делителя 5 триггер 26 блока 6управления устанавливается в "0",закрывает ключ 3 и запускает одновибратор 27, импульс с выхода которого (второй выход блока управления)переносит результат из счетчика 7 виндикаторный регистр 8. При этом всчетчик 7 заносится число И, асчетчик 14 через схему ИЛИ 18 устанавливается в "0", Делитель 5 частоты при этом устанавливается в "0"и на выходе схемы 10 также устанавливается "0", так как число в делителе .(все нули) меньше числа МКогда в делителе 5 опорной частоты врезультате непрерывного подсчета импульсов генератора 4 опорной частотыпоявится число И, схема "большеменьше" 10 подает импульс в блок 6управления, триггер 26. блока управления устанавливается в "1",ключ 3открывается. Импульсы от датчика 1температуры через тактирующий блок2, ключ 3, схему ИЛИ 20 и схему И 24начинают поступать на вход счетчика 7результата.результата до тех пор, пока число в счетчике 7 не станет равным числу И. После этого входные импульсы с выхода ключа 3 начнут через схему И 23 поступать на вход счетчика 14. Счетчик 14, схемы И 12, схема ИЛИ 8 и одновибратор 16 представляют со-. бой управляемый делитель частоты, который управляется выходами дешнфратора 11, Набор коэффициентов деления управляемого делителя определяется по обобщенной характеристике не-линейности ньезокварцевьи термопреобразователей, построенной в виде зависимости числа, соответствующего температуре, от числа, зафиксированного в счетчике 7 без учета попра. вок, которые должен вырабатывать управляемый делитель (т.е. в виде кривой ошибок от нелинейности). При этом учитывается, что И и И подф, 1 2 бираются для каждого термопреобразоватвля индивидуально в зависимости от нулевой (номинальной) частоты и средней крутизны термопреобразователя между точками калибровки.Когда число в счетчике 14 станет . равным числу, при котором на выходе выбранной дешифратором 11 схемы И 12й йпоявится . 1 , включится одиовибратор16 и через Схему ИДИ 18 установитсчетчик 14 в "0", если при этом на выходе схемы ИДИ 15 "О", через схемы 17, 20 и 24 добавит" в счетчик 7. результата. Если же иа. выходе схемы ИЛИ 15 присутствует , это означает, что к содержимому счетчика нужно не прибавлять "1", а вычитать. В этом случае импульс с выхода одновибратора 16 через схему И-НЕ 1.9 устанавливает триггер 21 в "0" и на вход счетчика 7 результатане прохо-. дит, Следующий .импульс .с вйходй.клю-. ча 3 не проходит на вход счетчика 7, задним фронтом этого же импульса триггер 21 устанавливаетея в "1", раэрешая тем Самым прохождение сле- . дующих счетных импульсов с вьиода ключа 3 через схему И 24 на вход счетчика 7 результата. Число И 2 задает время счета из условия, чтобы разность показаний термометра при измерении температуры в двух точках температурного диапазона соответствовала разности температур в этих двух точках. Число . Изадает значение температуры в оДной из точек диапазона. Число И выбирается за пределамитемпературного диапазона (напримероР80 С), Когда в счетчике результатаокажется число И, происходит коррек 5 ция результата измерения,Это число постоянно для всехтермопреобразователей н несколькобольше самого большого И . из1 Ф псзХвсех И которые могут понадобиться16для данного семейства термопреобразователей, но в то же время меньшечиспа ИРФ,Ф которОе Окажется всчетчике результата при измеренииминимальной температуры15. И. И( И11 так Р ЩПоскольку И постоянно, а послеизмерения в счетчике результатаокажется число, которое зависит оттемпературы и не зависит от нулевой26 частоты термопреобраэователя и сред"ней крутизны его термочастотных1характеристик, так как эта зависимость устранена соответствующим выбором для -го термопреобразователяЖчисел И, н И то число импульсов,эпоступившее на счетчик а выхода ключа 3 за время от момента появления всчетчике числа И и до счетного интервала, тоже зависит только от тем 36 пературы и не зависит от нулевойчастоты термопреобразователя и средней крутизны его термочастотной характеристики,Таким образом к моменту окон"З 5 чания счетного интервала, т.е, в момент переполнения делителя 5, всчетчике 7 устанавливается результат.измерения, который, во-нервьи, независит от разброса характеристиктермопреобразавателя, так как этотразброс устранен соответствующимвыбором числа И; предустановкисчетчика 7 и числа И 2;- выборавремени измерения в зависимости отЯф средней крутизны термочастотной ха-.рактеристики х-го термопреобразователя, и, во-вторьи, линейно связанс измеряемой температурой, так какпогрешность от нелинейности устраня 56 ется в процессе счета путем добавления в счетчик импульсов от управляемого делителя частоты или запрета дрбавления в счетчик импульсов сигналами этого делителя по заранее 55 .установленному закону,Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет по новомуорганизовать обработку сигнапа с10 меньшими аппаратурными и трудовымизатратами. Кроме того, предлагаемыйтермометр дешевле, так как содержитменьшее количество корпусов микрб 5 схем при одной и той же точностиизмерения,9 1158873 термопреобраэователя и исключить трудоемкий процесс определения и ввоЪда индивидуальных термочастотных характеристик термопреобразователя, что упрощает его эксплуатацию и позволяет производить калибровку с1158873 Щ ставитель В. Кхред М.Надь в Корректор Е. Рош Редактор овач ПодписноеССР Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 илиал каэ 3575/41Тираж 897 ВНИИПИ Государственного комитета по делам изобретений и открыти 413035, Москва, Ж, Раущская наб.