Цифровой термометр

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 119 К 5 151) 5 КОМИТЕТ И ОТКРЫТ ГОСУДАРСТВЕННПО ИЗОБРЕТЕНИПРИ ГКНТ СССР ИЯ РЕТ ОПИСАНИЕ ИЗО К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Физико-технический институт АН ТССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 209800, кл. 6 01 К 5/62, 1967,Авторское свидетельство СССРМ 266269, кл. 6 01 К 5/62, 1969,(57) Использование: приборостроение, системы управления технологическими процессами, Сущность изобретения; термометрсодержит датчик температуры, многоканальный усилитель-формирователь, преобразователь код Грея - двоичный код,1758448 А 1 запоминающии блок, преобразователь двоичного кода вдвоично-десятичный, блок индикации, таймер, биметаллические спирали Архимеда 8, ось 9 в виде двух трубок, подвижную ось 10, кодовую шкалу 11, оси 12, й элементов 13 считывания кода, корпус 14, кодовые дорожки, разрядные кодовые дорожки. Кодовая шкала из кодовых и разрядных кодовых дорожек закреплена на подвижной оси в зазоре между торцами оси в виде двух трубок, жестко укрепленных другими торцами в корпусе. Кодовая шкала шарнирно соединена с внешними концами биметаллических спиралей, внутренние концы спиралей укреплены на оси в виде двух трубок, Элементы считывания кода размещены над кодовыми и разрядными кодовыми дорожками, 1 З.п. ф лы. 3 ил,5 10 15 25 30 35 40 45 50 55 Изобретение относится к технике измерений характеристик окружающей среды и может быть использовано в составе цифровых систем сбора метеорологической информации или систем управления технологическими процессами, характер протекания которых зависит от температуры воздуха.Известен биметаллический термометр, содержащий биметаллическую спираль, размещенную внутри корпуса, основанием которого служит магнит, а к центральному витку спирали присоединена стрелка, расположенная между циферблатом и защитным стеклом,Однако обработка результатов измерения термометра с биметаллической спиралью для ввода в ЭВМ требует многовремени, так как информация должна бытьпредставлена в дискретном кодированном 20 виде,Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является термометр,содержащий биметаллическую спираль,внутренним концом жестко прикрепленную к стержню с зафиксированным на нем диском. Стержень крепится с помощью растяжек к обойме, которая служит каркасом. Растяжки с помощью пружин прикреплены к обойме. На кодовой дорожке диска установлены бесконтактные датчики, выходные сигналы которых образуют параллельный код, содержащий информацию о температуре. Для визуального отсчета температуры втермометре имеется шкала. Известный термометр применяется как первичный датчик температуры для ввода этих значений в Э ВМ, Самостоятельного применения этот термометр не имеет. В связи с высокой стОимОстью ЭВМ экономически оправдано только массовое применение описанных термометров, сосредоточенных в одном месте, локализованных в ограниченном объеме (цех, складское помещение). При необходимости применения этих термометров в системах сбора информации или системах управления технологическими процессами, имеющих протяженные размеры, например системы орошения, стоимость линий связи становится соизмеримой со стоимостью ЭВМ, а стоимость одного измерения температуры еще выше. Кроме того, известный термометр без применения ЭВМ, не может измеря"ь температуру (исключая шкалу визуального отсчета).Цель изобретения - повышение точности измерений и уменьшение времени измерения температуры, а также устранениеизбыточности круговой кодовой шкалы,Поставленная цель достигается тем, что в цифровой термометр, включающий корпус с биметаллическим датчиком температуры, круговую кодовую шкалу и неподвижно установленные относительно круговой кодовой шкалы элементы считывания кода, введена многоканальная система цифровой обработки сигналов датчика, включающая в себя таймер, последовательно соединенные многоканальный усилитель-формирователь и преобразователь (многоканальный) код Грея - двоичный код, разрядные выходы которого соединены с разрядными входами запоминающего блока, связанного своими разрядными выходами через многоканал ьн ый и реобразовател ь двоичного кода в двоично-десятичный с входами многоканального блока индикации, а выход таймера подключен к входу "Раарешение записи" запоминающего блока, а датчик температуры выполнен состоящим из трех одинаковых биметаллических спиралей Архимеда, установленных горизонтально и параллельно с зазорами друг относительно друга, внутренние концы спиралей жестко закреплены на оси и равномерно расположены по ее окружности, ось выполнена в виде двух трубок и одни ик торцы укреплены в корпусе, имеющем опоры, в которых установлены концы дополнительной подвижной оси, размещенной внутри оси в виде трубок, кодовая шкала установлена в зазоре между другими торцами оси в виде двух трубок, жестко связана с подвижной осью и шарнирно с внешними концами биметаллических спиралей, размещенных равномерно по окружности круговой кодовой шкалы, а элементы считывания кода своими выходами соединены с входами системы обработки сигналов датчика температуры, с которымй также соединены входы многоканального усилителя-формирователя,Кроме того, круговая кодовая шкала цифрового термометра выполнена в виде круговых кодовых дорожек, каждая кодовая дорожка выполнена состоящей из разрядных кодовых дорожек, каждая из которых связана с соответствующим элементом считывания кода, а количествоисоответственно круговых кодовых и разрядных кодовых дорожек определяется из соотношений:а ИЩИ2 л2 7 га где а - угол максимального поворота кодовой шкалы, радИ - количество уровней дискретизации диапазона измерения температуры.5 10 15 20 25 30 40 50 55 На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого цифрового термометра; на фиг. 2 - схема датчика температуры цифрового термометра; на фиг, 3 - схема круговой шкалы датчика температуры.Цифровой термометр выполнен в виде датчика 1 температуры, разрядные выходы которого соединены с многоканальныл усилителем-формирователем 2 логических двоичных единиц, выходы которого подключены к многоканальному преобразователю 3 код Грея - двоичный код, Разрядные выходы многоканального преобразователя 3 код Грея - двоичный код соединены с разрядными входами запоминающего блока 4, Разрядные выходы запоминающего блока 4 соединены с разрядными входами многоканального преобразователя 5 двоичного кода в двоично-десятичный, Разрядные выходы многоканального преобразователя 5 двоичного кода в двоично-десятичный соединены с разрядными входами многоканального блока 6 индикации. Таймер 7 соединен своим выходом с входом "Разрешение записи" запоминающего блока 4. Датчик 1 температуры выполнен в виде трех идентичных биметаллических спиралей Архимеда 8. Указанные спирали Архимеда 8 расположены друг над другом горизонтально в параллельных плоскостях с зазорами между собой по высоте. Внутренние концы биметаллических спиралей Архимеда 8 жестко соединсчы с осью 9 в виде двух трубок, причем указанные внутренние концы спиралей Архимеда 8 расположены равномерно по ее окружности, т.е, разнесены в пространстве на угол 120 о. Внутри оси 9 в виде двух трубок расположена укрепленная на опорах дополнительная подвикная ось 10, На подвижной оси 10, имеющей свободу вращения в горизонтальной плоскости, укреплена и жестко связана с ней круговая шкала 11. Через равные пролежутки вдоль окружности круговой кодовой шкалы 11 с помощью осей 12 с круговой кодовой 45 шкалой 11 шарнирно соединены внешние концы биметаллических спиралей 8. Ось 9 выполнена в виде двух трубок, причем одни их торцы укреплены в корпусе 14, имеющем опоры, в которых установлены концы дополнительной подвижной оси 10. Круговая кодовая шкала 11 установлена в зазоре между другими торцами оси 9 в виде двух трубок. Элементы 13 считывания кода расположены неподвижно относительно круговой шкалы 11 над ее кодовыми дорожками. Выходы элементов 13 считывания кода соединены с входами многоканального усилителя-формирователя 2 логических двоичных единиц. Выходы многоканального усилителя-формирователя 2 соединены с входами многоканального преобразователя 3 код Грея - двоичный код, Разрядные выходы многоканального преобразователя 3 код Грея - двоичный код соединены с разрядными входами запоминающего блока 4, Конструктивно все элементы конструкции датчика 1 температуры размещены в корпусе 14,Круговая кодовая шкала 11 состоит из двух круговых кодовых дорожек 15 и 16, а каждая круговая дорожка состоит иэ трех разрядных кодовых дорожек, т.е, круговая дорожка 15 состоит из разрядных кодовых дорожек 17 - 19, являющихся кодовыми дорожками первого, второго и третьего разрядов соответственно, а круговая кодовая дорожка 16 состоит из разрядных кодовых дорожек 20 - 22, являющихся разрядными кодовыми дорожками четвертого, пятого и шестого разрядов соответственно. Над каждой из разрядных кодовых дорожек, т.е, над каждой из дорожек 17 - 22, располагается элемент 13 считывания кода. Шесть элементов 13 считывания кода снимают информацию с разрядных кодовых дорожек и образуют первичную кодовую комбинацию цифровых сигналов измеряемой температуры в коде Грея,Цифровой термометр работает следующим образом,Информационные сигналы с датчика 1 температуры поступают на входы многоканального усилителя-формирователя 2 логических двоичных единиц, На выходах многоканального усилителя-формирователя 2 логических двоичных единиц формируются сигналы иэ стандартных логических двоичных единиц и нулей, оГ)разующих кодовую комбинацию измеряемой в данный момент температуры, Для уменьшения ошибки при считывании кода температуры в датчике 1 температуры применен код Грея. На разрядных входах многоканального преобразователя 3 код Грея - двоичный код после преобразования кода Грея в обычный двоичный код формируется цифровой сигнал в двоичном коде. Сформированная такил образом кодовая комбинация двоичных единиц и нулей подается на разрядные входы запоминающего блока 4. После поступления разрешающего сигнала, который вырабатывается таймером 7, с выхода таймера 7 на вход "Разрешение записи" запоминающего блока 4 происходит запись указанной кодовой комбинации двоичных единиц и нулей в запоминающем блоке 4. После записи в запоминающем блоке 4 описываемая кодовая комбинация двоичных единиц и нулей будет представлена наразрядных выходах запоминающего блока 4. Эта кодовая комбинация поступает на разрядные входы многоканального преобразователя 5 двоичного кода в двоично-десятичный и после преобразования поступает на многоканальный блок 6 индикации,Термочувствительными элементами датчика 1 температуры являются три идентичные биметаллические спирали Архимеда 8, которые под действием температуры изменяют свои геометрические размеры (удлиняются при повышении температуры и укорачиваются при уменьшении температуры). Указанные биметаллические спирали Архимеда 8 располагаются горизонтально и параллельно друг другу с зазорами между собой по высоте, Внутренние концы биметаллических спиралей 8 жестко соединены с неподвижной вертикальной осью 9 и равномерно расположены по окружности этой неподвижной оси 9. Внешние концы биметаллических спиралей 8 с помощью вспомогательных осей 12 шарнирно соединены с круговой кодовой шкалой 11. Изменение длины биметаллических спиралей 8 вызывает поворот круговой кодовой шкалы 11. Круговая кодовая шкала 11 жестко укреплена на дополнительной подвижной оси 10, имеющей возможность вращения в горизонтальной плоскости, Подвижная ось 10 укреплена на кернах в опорах, расположенных на корпусе 14, Над кодовыми дорожками круговой кодовой шкалы 11 располагаются элементы 13 считывания кода, которые формируют дискретные сигналы двоичных единиц и нулей. Для уменьшения ошибки при считывании кода с круговой кодовой шкалы 11 она выполненав коде Грея,Три биметаллические спирали Архимеда 8 выполняют функцию своеобразного стабилизатора положения вертикальной подвижной дополнительной оси 10 и создают необходимое усилие для поворота круговой кодовой шкалы 11, Известно, что линейное удлинение каждой компоненты любой иэ биметаллических спиралей 8 подчиняется линейному закону 1-1,+ ат,где 1 - первоначальная длина компоненты биметаллической спирали 8 в начале измеряемого температурного диапазона;а - коэффициент линейного расширения компоненты биметаллической спирали 8;1 - значение температуры из диапазона измеряемых температур тначткон,Это приводит к тому, что в выбранномдиапазоне измерения температуры Ьчс1 к шкала предлагаемого цифрового термометра, соответствующая значениям измеряемой температуры, будет линейной, Поэтому точность измерения температуры будет зависеть от количества различных кодовых комбинаций круговой кодовой шкалы11, приходящегося на один градус измене 10 ния температуры во всем диапазоне изменения указанной величины.Например, для диапазона изменениятемпературы от 0 до 60 С при М = 2 = 64кодовых комбинациях круговой кодовой15 шкалы 11 на 1 С будут приходиться 26/60 =64/60 =1 кодовая комбинация или точностьизмерения будет равна 1 С. Если требуетсяточность измерения, равная 0,5 С, то потребуется круговая кодовая шкала 11 с числом20 К -- 27 кодовых комбинаций: М = 2 = 64 х 2== 128,Таким образом в цифровом термометре.реализуется повышение точности измерения температуры,25 Уменьшение времени температуры достигается тем, что для получения нового результата измерения достаточно, чтобы навход запоминающего блока 4 пришел новыйразрешающий сигнал от таймера 7, так как30 цифровой термометр постоянно подключенк сети питания и на разрядных входах запо-.минающего блока 4 находится кодовая комбинация, соответствующая температуре вданный момент времени, При наличии раз 35 решающего сигнала от таймера 7 происходит запись нового значения температуры взапоминающий блок 4, его преобразованиев двоично-десятичный код в многоканальном преобразователе 5 двоичного кода в40 двоично-десятичный и его отображение вмногоканальном блоке 6 индикации.Конструкция датчика 1 температуры выполнена такой, что круговая кодовая шкала11 поворачивается на подвижной оси 10 на45 угол менее 360 при верхнем пределе измерения в заданном диапазоне изменениятемпературы, т.е. подвижная кодовая шкала11 поворачивается менее чем на один оборот. Поэтому разрядные кодовые дорожки50 17 - 22 размещены в пределах равных центральных секторов, центральный угол которых равен углу максимального поворотакруговой кодовой шкалы 11, соответствующего наибольшему значению температуры55 в требуемом диапазоне измерения.Для измерения агрометеопараметров втечение периода продукционного процессарастений достаточен диапазон температур,равный 0 - 60 С, В общем случае при выборедискретизации диапазона измерения тем 1758448 1040М 110 х 64360Для получениятов Мг, равного 64,с числом отсчетовсоотношенияИз 360Мг аОтсюда360КгИз а- 19,5 = 20. требуемого числа. отсчетребуется кодовый диск йз, которое находят из 1= = - =2и б111 3 50 а о 92 М а о 92 М или 360 2 л ператур исходят из того, что количество уровней дискретизации И равно или несколько превышает количество Т градусов Цельсия в диапазоне измерения температуры 2" = йТ, где й - количество уровней дискретизации диапазона измерения температуры;Т - количество градусов Цельсия в диапазоне изменения температуры;и - количество разрядных кодовых дорожек.Для диапазона изменения температуры 0-60 С 2" = 6460, т,е, дискретизация диапазона измерения должна быть выполнена по 64 уровням,Тогда для обеспечения заданной дискретизации диапазона изменения температуры потребуется п разрядных кодовых дорожек: и = 1 о 92 64 = 6.Пусть угол максимального поворота кодовой шкалы при изменении температуры в пределах 0-60 С а= 110,Деля длину окружности в угловых единицах на угол максимального поворота, получают число разрядных кодовых дорожек, которое может быть размещено по длине окружности круговой кодовой шкалы360110или, в общем случае111 -- =о агде а - значение угла максимального поворота круговой кодовой шкалы 11, угл. град.;а - значение угла максимального поворота круговой кодовой шкалы 11, рад.Поскольку на круговой кодовой дорожке 15 или 16, охватывающей всю окружность круговой кодовой шкалы 11, размещаются три разрядные кодовые дорожки 17 - 19 (или 20 - 22), то число круговых кодовых до- рожек В общем случае число круговых кодовых дорожек, размещаемых на круговой кодоВой шкале 11,где Е - число круговых кодовых дорожек;Й - количество уровней дискретизации диапазона измерения температуры;ао - угол максимального поворота круговой кодовой шкалы, угл. град а- угол максимального поворота круговой кодовой шкалы, рад,П р и м е р. Пусть угол максимальногоповорота круговой кодовой шкалы предло 5 женного цифрового термометра а = 110.Диски с кодовыми шкалами обычно выполняют таким образом, что разрядная кодоваядорожка каждого разряда занимает всюдлину окружности кодового диска, В случае10 применения такого кодового диска в предлагаемом цифровом термометре, часть кодовой дорожки каждого разряда будет неиспользована, так как кодовый диск будетповорачиваться только на угол а = 110 О,15 Так, при дискретизации диапазона измерения в М = 26 отсчетов будет задействованкодовый диск с шестью дорожками. Но приработе термометра будет использоватьсятолько часть кодового диска, э именно сек 20 тор с центральным углом в 110 О, так какповорот кодового диска меньше одного оборота вокруг своей оси, Значит, реально будет использоваться не 26 отсчетов, азначительно меньшее, т,е,25 111 360 оагде а - угол максимального поворота кодового диска заявляемого цифрового термометра;Н - количество уровней дискретизациидиапазона измерения температуры, в данном примере И = 64;Иг - число уровней дискретизации, реально используемых при традиционном ко 35 довом диске,Таким образома ЬМг360 О Из= 360 х 64 110- = 209,5 .=- 210 1 отсчетов), 55что близко к числу 2" = 256 или эквивалентно кодовому диску с восемью кодовыми дорожками (восьмиразрчдному кодовому диску), 1758448 12Следовательно, чтобы получить требуемую дискретизацию диапазона измеренияпри использовании в датчике 1 температурыв качестве круговой кодовой шкалы 11традиционного кодового диска, требуется кодовый диск с восемью кодовыми дорожками, который по сравнению спредлагаемым кодовым диском обладаетзначительной информационной избыточностью, 10Кроме того, такая избыточность традиционного кодового диска приводит к аппаратурной избыточности, т,е как видно изприведенного примера, потребуется не бэлементов считывания кода, а 8. Это приводит к дальнейшему усложнению схемыпредлагаемого цифрового термометра, Увеличение числа кодовых дорожек ведет к увеличению радиальных размеров кодовогодиска и его массы, что увеличивает нагрузку 20на подвижную ось датчика температурыпредлагаемого цифрового термометра и кувеличению его габаритных и, как следствие, весовых характеристик,Применение в датчике температуры 25предлагаемого цифрового термометра кодового диска описанной конструкции устраняет избыточность кодового диска,аппаратурную. избыточность цифровоготермометра, уменьшает нагрузку на по- ЗОдвижную ось датчика температуры цифрового термометра, радиальные размерыкодового диска датчика температуры цифрового термометра, а также габаритные размеры и весовые характеристик датчика 35температуры цифрового термометра.Предлагаемый цифровой термометрможно использовать в составе системы сбора агрометеорологической информации исистемы управления технологическими процессами по температуре воздуха, в частности в составе системы орошения сводосберегающей технологией поливасел ьскохозя йстве н н ых культур. а 1 оуй, 2 л 2 д а 50где а - угол максимального поворота кодовой шкалы, радЙ - количество уровней дискретизациидиапазона измерения температуры.55 Формула изобретения 1. Цифровой термометр, содержащий корпус с биметаллическим датчиком температуры, связанным с круговой кодовой шкалой, а также неподвижно установленные относительно кодовой шкалы элементы считывания кода, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени измерения температуры, в него введена многоканальная система цифровой обработки сигналов датчика, включающая в себя таймер, последовательно соединенные многоканальные усилите л ь-ф арми рователь и преобразователь код Грея двоичный код, разрядные выходы которого соединены с разрядными входами запоминающего блока, связанного своими разрядными выходами через многоканальный преобразователь двоичного кода в двоичнодесятичный с входами многоканального .блока индикации, а выход таймера подключен к входу "Разрешение записи" запоминающего блока, датчик температуры выполнен состоящим из рех одинаковых биметаллических спиралей Архимеда, установленных горизонтально и параллельно с зазорами друг относительно друга, внутренние концы спиралей жестко закреплены на оси и равномерно расположены по ее окружности, ось выполнена в виде двух трубок и одни их торцы укреплены в корпусе, имеющем опоры, в которых установлены концы дополнительной подвижной оси, размещенной внутри оси в виде трубок, кодовая шкала установлена в зазоре между упругими торцами оси в виде двух трубок, жестко связана с подвижной осью и шарнирно с внешними концами биметаллических спиралей, размещенных равномерно по окружности кодовой шкалы, а элементы считывания кода своими выходами соединены с входами системы обработки сигналов датчика, с которыми также соединены входы многоканального усилителя-формирователя,2. Термометр по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью устранения информационной избыточности кодовой шкалы, кодовая шкала выполнена в видекруговых кодовых дорожек, каждая кодовая дорожка выполнена состоящей из разрядных кодовых дорожек, каждая иэ которых связана с соответствующим элементом счить 1 ва ния кода, а количество Е и 1 соответственно круговых кодовых и разрядных кодовых дорожек определяется из соотношений1758448 17 Составитель В, ПолуяновТехред М.Моргентал Корректор А Редак А лини нно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 изво акэз 2991 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5