Цифровой измеритель температуры

,Ш С 01 К 7/16 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ щНБЩ д,",ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Специальное опытное проектноконструкторское технологическое бюроСО ВАСХНИЛ(56) 1, Авторское свидетельство СССРВ 781709, кл. С 01 К 27/02, 1978.2, Авторское свидетельство СССРУ 974145, кл. С 01 К 7/16,С 01 К 27/02, 1981 (прототип).(54)(57) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащий конденсатор, пер. вый вывод которого соединен с первыми выводами термопреобразователя сопротивления, эталонного резистора,источника напряжения и точкой нулевого потенциала формирователя импульсов, а второй вывод через управляемые ключи подключен к вторым выводамтермопреобразователя сопротивления,эталонного резистора, источника напряжения и входу формирователя импульсов, соединенному через управляемый ключ с точкой нулевого потенциала формирователя импульсов, выходыкоторого подключены к входам преобразователя длительности импульсов вкод, счетчик результата измерения,выход которого через дешифратор соединен с индикатором, коммутатор,вход которого соединен с выходом преобразователя длительности импульсовв код, а выходы подключены к управляющим входам ключей, формирователяимпульсов и счетчика результата измерения, два счетчика, выходы которые соединены с входами схемы сравнения кодов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения температуры, в него введены генератор нормированной частоты, за" датчик точек коррекции,два формирователя импульсов коррекции, схема управления формирователями импульсов и распределитель импульсов, входы которого соединены синформационными выходамипреобразователя длительности импульсов в код, выходами схемы совпадения и первого формирователя импульсов коррекции, информационные выходы соединены с входами двух счетчиков, а тактирующий выход соединен с входом схемы управления формирователями импульсов и тактирующим входом генератора нормированной частоты, выход которого подключен к входу распределителя импуль" а ,сов и входу счетчика результата изме.рения, установочные входы первого счетчика соединены с выходами второс го формирователя импульсов коррекции, а выходы соединены с входами задатчика точек коррекции, выходы которого подключены к установочным входам формирователей импульсов коррекции и входам схемы управления форми" рователями импульсов, выходы которой подключены к тактирующим входам формирователей импульсов коррекции, при этом выход коммутатора соединен с установочными входами распределителя импульсов, задатчика точек коррекции и схемы управления формирователями импульсов.1 11110Изобретение относится к температурным измерениям, а именно к цифровым измерителям температуры, принцип работы которых заключается в формировании интервала времени, пропордионального времени разряда конденсатора через термопреобразователь сопротивления.Известно устройство для измерения температуры, содержащее термопреоб разователь сопротивления, эталонный резистор, идентичные конденсаторы, источник напряжения, ключевые элементы, коммутатор, формирователь импульсов, преобразователь длительности импульсов в код, счетчик импульсов и индикатор 13.Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, обусловленная неидентичностью конден саторов, нуль-органов формирователя импульсов и других элементов.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является цифровой измеритель температуры, содер Б жащий конденсатор, первый вывод которого соединен с первыми выводами термопреобраэователя сопротивления, эталонного резистора, источника напряжения и точкой нулевого потенциала формирователя импульсов, а второй вывод через управляемые ключи подключен к вторым выводам термопреобраэователя сопротивления, этапонного резистора, источника напряжения и входу формирователя импульсов, сое 35 диненному через управляемый ключ с точкой нулевого потенциала формйрователя импульсов, выходы которого подключены к входам преобразователя длительности импульсов в код, счет 40 чик результата измерения, выход которого через дешифратор Соединен с индикатором, коммутатор., вход которого соединен с выходом преобразователя длительности импульсов в код,. 45 а выходы подключены к управляющим входам ключей, формирователя импульсов и счетчика результата измерения, два счетчика, выходы которых соединены с входами схемы совпадения, 50 входящими в состав блока выделения разности кодов, входы которого соединены с выходами преобразователя дли-, тельности импульсов в код, а выход . подключен к входу счетчика результата измерения 121.Недостатком известного устройства является низкая точность измере 38 2 ния при удалении объекта, температуру которого измеряют, от индикатора информации, а также при большом диапазоне измеряемых температур.При удалении объекта от регистратора информации (индикатора) необходимо либо испольэовать длинную четырехпроводную линию связи между термопреобразователем сопротивления и эталонным резистором и остальными элементами устройства, либо использовать длинную линию связи между блоком вццеления разности кодов и индикатором.В первом случае из-за воздействия дестабилизируювчх факторов, напримертемпературы, сопротивление линии изменяется и для обеспечения заданнойточности измерения необходимо .чормировать линию связи по активному сопротивлению, добиваясь идентичностисопротивления линии связи термопре 1образователя и линии связи эталонного резистора.Во втором случае для снижения требований к параметрам линии связи при передаче число-импульсного кода необходимо понижать частоту преобразования (частоту следования информативных импульсов), чтобы реактивные параметры линии обеспечили передачуи прием информации с заданной достоверностью и точностью. Но со снижением частоты преобразования время цикла измерения может оказаться таким, что элементы, участвующие в преобразовании, могут изменить свои характеристики, что ведет к снижению точности измерения.Кроме того, при большом динамическом диапазоне измерения температуры и соответственно большой разностизначений сопротивлений термопреобразователя сопротивления и эталонного резистора на погрешность измеренияоказывает влияние нелинейность разряда конденсатора.Цель изобретения - повышение точности измерения температуры.Поставленная цель достигается тем, что в цифровой измеритель температуры, содержащий конденсатор, первый вывод которого соединен с первыми выводами термопреобразователя сопротивления, эталонного резистора, источника напряжения и точкой нулевого потенциала формирователя импульсов, а второй вывод через управляемые ключи подключен к вторым выводам термопреобразо038 4 з ,1111вателя сопротивления, эталонного резистора, источника напряжения и входу формирователя импульсов, соединенному через управляемый ключ с точкойнулевого потенциала формирователяимпульсов, выходы которого подключены к входам преобразователя длительности импульсов в код, счетчик результата измерения, выход которогочерез дешифратор соединен с индика ртором, коммутатор, вход которого соединен с выходом преобразователя длительности импульсов в код, а выходыподключены к управляющим входам ключей, формирователя импульсов и счетчика результата измерения, два счетчика, выходы которых соединены с входами схемы сравнения кодов, введеныгенератор нормированной частоты, задатчик точек коррекции, два формиро- ователя импульсов коррекции, схемауправления формирователями импульсови распределитель импульсов, входыкоторого соединены с информационными.выходами преобразователя длительности импульсов в код, выходами схемысовпадения и первого формирователяимпульсов коррекции, информационныевыходы соединены с входами двух счетчиков, а тактирующий выход соединенс входом схемы управления формирователями импульсов и тактирующим входом генератора нормированной частоты, выход которого подключен к входураспределителя импульсов и входусчетчика результата измерения, установочные входы первого счетчика соединены с выходами второго формирователя импульсов коррекции, а выходысоединены с входами задатчика точек40коррекции, выходы которого подключе/ны к установочным входам формирователей импульсов коррекции и входамсхемы управления формирователями импульсов, выходы которой подключены45к тактирующим входам формирователейимпульсов коррекции, при этом выход .коммутатора соединен с установочными входами распределителя импульсов,задатчик точек коррекции и схемы управления формирователями импульсов.На фиг, 1 приведена блок-схемацифрового измерителя температуры;на фиг,2 в . эпюры напряжений, поясняющие его работу,Цифровой измеритель температурысодержит термопреобразователь сопро/тивления 1, эталонный резистор 2,конденсатор 3, источник напряжения й, управляемые ключи 5 - 9, формирователь импульсов 10, преобразователь длительности импульсов в код 11, коммутатор 12, расположенные в отдельном блоке 13 генератор нормированной частоты 14, формирователи импульсов коррекции 15 и 16, задатчик точеккоррекции 17, распределитель импульсов 18, схему управления формирователями импульсов 19, счетчики импульсов 20 и 21 и схему совпадения кодов 22, счетчик результата из" мерения 23 с дешифратором 24, индикатор 25.Распределитель импульсов 18 содержит триггер 26, элемент 2 ИЛИ 27, элементы 2 ИЛИ-НЕ 28, 29 и 30 и элемент ЗИЛИ-НЕ 31.Вадатчик точек коррекции 17 имеет в своем составе счетчик импульсов, выполненный, например, в виде десятичного счетчика 32 с выходами 33 - 36, элемент ЗИ-НЕ 37, многовходовый элемент И-НЕ 38 и формирователь короткого импульса 39.Схема управления формирователями импульсов 19 в свою очередь состоит из триггера 40, элементов 2 И 41, 42 и 43 и инвертора 44.Выходы формирователя импульсов 10 подключены к входам преобразователя длительности импульсов в код 11,один выход которого подключен к вхо" ду коммутатора 12, а другие выходы соединены с первыми входами элементов 2 ИЛИ-НЕ 28 и 29 распределителя импульсов 18 и первым входом элемента ЗИЛИ-НЕ 31,Выходы 45, 46 и 47 коммутатора 12 подключены к управляющим входам ключей 5 - 9 (не показано), причем выходы 46 и 47 дополнительноподключеныф к входам формирователя импульсов 10. Выход 48 же коммутатора 12 . (" Сброс" ) подключен к установочному входу 49 счетчика импульсов 23, к входу установки нуля триггера 26 и первому входу элемента 2 ИЛИ 27, к входу установки нуля счетчика 32 задатчика точек коррекции 17, к входу установки нуля триггера 40 схемы управления формирователями импульсов 19;,Выход генератора нормированной частоты 14 подключен, с одной стороны, к первому входу элемента 2 ИЛИ-НЕ 30 распределителя импульсов 18, а с другой стороны, к входу счетчика результата измерения 23 (через линию5 11 110 связи 50), Вход генератора нормированной частоты 14 полключен к второ- . му входу элемента 2 ИЛИ-НЕ 29, выходкоторого соединен с вторым входом элемента 2 ИЛИ-НЕ 30, к прямому выхо 5 лу триггера 26 и к первому входу элемента 2 И-НЕ 42 схемы 19.Инверсный выход триггера 26 соединен со своим статическим информационным Р входом, с вторым входом элемен та 2 ИЛИ-НЕ 28, выход которого подклю чен к второму входу элемента ЗИЛИ-НЕ 31, третий вход которого соединен с выходом формирователя импульсов коррекции 15, тактирующий вход 51 кото рого соединен с выходом элемента 2 И-НЕ 42 схемы управления формирователями импульсов 19, а входы разрешения 52 - 55 соответственно подключены к выходам 33 - 36 счетчика 32 р 0 задатчика точек коррекции 17.Входы счетчиков импульсов 20 и 21 соединены с выходами элементов 2 ИЛИНЕ 27, 2 ИЛИ-НЕ 30 и ЗИЛИ-НЕ 31. Выходы счетчиков импульсов 20 и 21 сое-р 5 динены с входами схемы совпадения кодов 22, причем выходы первого счетчика импульсов 21 подключены к одним из входов. элемента 2 И-НЕ 37 задатчика точек коррекции 17.Выход схемы совпадения колов 22 соединен с вторым входом элемента 2 ИПИ 27 и с динамическим входом С триггера 26. К установочным входам установки единицы каскадов счетчика35 импульсов 21 подключены выходы формирователя импульсов коррекции 16, входы разрешения 56 - 59 которого соответственно соединены с выходами 33 - 36 счетчика 32 задатчика точек40 коррекции 17 (не показано).Тактирующий вход 60 формирователя импульсов коррекции 16 подключен к выходу элемента 2 И 43 схемы 19. Выходы элементов ЗИЛИ-НЕ 37 задатчика45 точек коррекции подключены к входам элемента И-НЕ 38, выход которого через формирователь короткого импульса 39 подключен к второму входу элемента 2 И 41 схемы 19. Выход элемента 2 И 41 подключен к первым входам50 элементов 2 И 42 и 43 и информационному (Т) входу счетчика 32 задатчика, точек коррекции 17. Вход разрешения счетчика 32 соединен с точкой нуле-. вого потенциала.55Вторые входы элементов 42 и 43 схемы управления формирователями им" пульсов 19 соответственно соединены ЗЦ бс прямым и инверсным выходами триггера 40, вход установки в единицукоторого соединен через инвертор 44с одним из входов элемента И-НЕ 38и одним из входов элемента ЗИ-НЕ 37задатчика точек коррекции 17.Динамический С. и статический .9входы триггера 40 схемы 19 соединены с точкой нулевого потенциала.Кроме того, выходы 33 - 36 счетчика 32 задатчика точек коррекции 17также соответственно соединены с другими разрешающими входами 6 164 элементов ЗИ-НЕ 37.Работа устройства сводится к следующему.С помощью коммутатора 12; электронных ключей 5 - 9, источника напряжения 4, конденсатора 3 и форлирователя импульсов 10, на выходах последнего раздельно и последовательно формируются импульсы, длительность которвх зависит от длительности разряда конденсатора 3 через эталонныйрезистор 2 и термопреобразовательсопротивления 1. Затем с помощьюпреобразователя длительности импульсов в код 11 на его выходах формируется число-импульсный код В 2, однозначно определяющий значение величины эталонного резистора 2, и число-импульсный код Я 1, однозначно,определяющий значение величины сопро.тивления термопреобразователя 1 и,следовательно, температуры.С помощью элементов 14 и 18 число 02 записывается в счетчик импульсов 20, После записи числа Я 2 в сч гчик импульсов 21 начинает записываться число Я 1.В момент равенства 51=02 схемасовпадения кодов 22 формирует первыйимпульс совпадения, который с помощью триггера 26 и элементов 27 - 31стирает информацию в счетчике импульсов 20 и записывает в него Остатокчисла И 1, который равен величинеЯ 1-Н 2 и пропорционален измеряемойтемпературе. Указанное преобразование определяется частотой работы коммутатора 12, которая из соображенийповышения точности измерения температуры выбирается довольно-таки высокой.Одновременно с приходом первогоимпульса совпадения запускается генератор нормированной (низкой) частоты14, который вырабатывает прямоугольные импульсы, период повторения которых выбирается исходя из параметров конкретной линии связи 50. Прямоугольные импульсы одновременно поступают через распределитель импульсов на информационный вход счетчика импульсов 21 и через. линию связи 50 на ин. формационный вход счетчика результата измерения 23.В момент равенства числа импульсов, поступающих на счетчик 21 с ге нератора нормированной частоты 14 с ранее записанным в счетчик 20 числом И 1-М 2, схема совпадения кодов 22 1 вырабатывает второй импульс совпаде" ния, который устанавливает в исходное 5 состояние триггер 26, и работа генератора нормированной частоты прекращается. При этом в счетчик 23 записывается число Я 1-Я 2.Одновременно в течение времени 20 записи импульсов с генеРатора 14 в счетчик импульсов 21 с его выходов поступает информация на задатчик точек коррекции, который формирует конкретные точки аппроксимации нели нейной характеристики преобразования сопротивления - код и с помощью его многовходового элемента И-НЕ 38, формирователя коротких импульсов 39, схемы управления формирователями им- ЗО. пульсов 19 и формирователей импульсов коррекции 15 и 16 добавляет необходимое число импульсов в счетчик 20, или 21, тем самым параллельно проводя операцию линеаризации нели 35 нейной градуировочной.характеристики преобразователя сопротивления-код, нелинейность которого обусловлена какнелинейностью градуировочной характеристики термопреобразователя сопро Отивления 1, так и нелинейностью преобразования других элементов цифрового измерителя температуры.Таким образом, процесс снижениячастоты число-импульсного кода 01-02,45несущего информацию об измеряемойтемпературе, совмещен с процессомкоррекции нелинейности преобразованиясопротивления-код.В интервале времени С, (фиг.2 а)фф 150на установочные входы распределителяимпульсов, задатчик точек коррекции и схемы, управления формирователямиимпульсов с коммутатора 12 приходитимпульс "Сброс".55При этом на прямом выходе триггера 26 устанавливается состояние логического нуля (фиг. 2 б), а на инверсном выходе - состояние логической единицы (фиг, 2 в). Так как на выходе схемы совпадения кодов 22 присутствует логический нуль (фиг.2 г), то элемент 2 И 27 пропускает импульс "Сброс" (фиг. 2 д) и устанавливает, счетчики импульсов 20 и 21 в исходное состояние. Так как на выходе формирователя импульсов коррекции 15, на выходе элемента 2 ИЛИ-НЕ 28(фиг. 2 е) и на выходе И 2 преобразо- вателя длительности импульсов в код установлено значение логическогону" ля, то на выходе элемента ЗИЛИ-НЕ 31 . иустановлено значение логической единицы, которая поступает на информационный вход счетчика импульсов 20 (фиг, 2 ж), Эта логическая единица не дает в начальный момент времени работы устройства сформировать импульс совпадения схемой совпадения кодов 22, так как информация на выходах счетчиков импульсов 20 и 21 одинакова (нулевая).Состояние логического нуля установлено также на выходе Я 1 преобразователя 11 (фиг. 2 в), элемента 29(фиг, 2,д);По приходу импульса "Сброс" десятичный.счетчик 32 .задатчика точеккоррекции 17 также устанавливаетсяв исходное состояние, на его первомвыходе 33 устанавливается значениелогической единицы (фиг. 2 а фа-Э за на втором и последующих выходах34-36 значение логического нуля (состояние второго выхода, фиг, 2 Ф,С -С,.,;,состояние последнего выхода,фиг, 2 х 3 фо 1)В интервале времени 1 ,С с одного из выходов преобразователя длительности импульсов в код 11 поступает число-импульсный код Ю 2 (фиг.2 С).Этот код через элемент ЗИЛИ-НЕ 31(фиг. 2 ,1- записывается в счетчик импульсов 20,А в интервале времени Ф-Ф. с. дру 4 Угого выхода преобразователя длительности импульсов в код 11 поступаетчисло-импульсный код Н 1 (фиг. 2 7 ),который в инвертированном виде проходит через элементы 2 ИЛИ-НЕ 29(фиг. 2 к, С 4 -Сь) и начинает записываться в счетчик 21. В момент времени Сь число-импульсный код Н 1 становится равным числу импульсов И 2.Схема совпадения кодов вырабатывает импульс сравнения (фиг, 2 ъ),который устанавливает прямой выходтриггера 26 в состояние логическойединицы (Фиг. 2 б, 1 ь),Следовательно, в этот момент времени на одном из входов элемента2 ИЛИ-НЕ 29 также появляется логическая единица, запись остатка числаИ 1 в счетчик импульсоз 21 прекращается, генератор нормированной частоты 14 формирует импульсы (фиг. 2 ,1-1 ), которые через элемент 2 ИЛИНЕ 30 (фиг. 2 к,-С )записываютсяв счетчик импульсов 21,Так как инверсный выход триггера26 переведен в состояние логическогонуля, элемент 2 ИЛИ-НЕ 28 пропускаетостаток импульсов (фиг. 2 , 1-1 з),которые записываются через элемент 31в счетчик импульсов 20, Импульс совпадения схемы 22 ранее в момент времени ь через схему 2 ИЛИ 27 (фиг.2 Ь ) З 0стер информацию о числе М 2 в счетчике импульсов 20.Таким образом, в счетчик импульсов 20 записано число И 1-И 2, несущееинформацию о температуре. 35Так как на входе 61 первого элемента ЗИ-НЕ 37 в исходном состоянии присутствует логическая единица, он соединен с первым выходом десятичного счетчика 32 (фиг, 2 ,1 -1 ),40 при первой точке коррекции (т,е.при наличии логической единицы на оставшихся двух входах первого элемента И-НЕ 37) формируется отрицательный импульс, который выделяется элемен 45 том 38 (фиг. 2 Ъ,-з). По переднему фронту этого импульса формирователь 39 формирует импульс малой длительности (фиг. 2 ц, 1) который вьщеляется на элементе 2 И 41 (фиг, 2,р,1) и при рассматриваемом положении триггера 40 (фиг. 2 м, н ) вьщеляется элементом 2 Исхемы 19 (фиг.2 я,), Этот импульс поступает на тактирующий вход формирователя импульсов кор рекции 16, который формирует необходимое количество импульсов коррекции для данной точки коррекции, Эти импульсы поступают на вход установкиединицы каскадов счетчика 21 и добавляют в счетчик необходимое число импульсов,При появлении первого импульсакоррекции на выходе элемента 2 И 41(фиг. 2 р, ) он поступает на информационный вход счетчика 32, при этомна его втором входе 34 появляетсясостояние логической единицы (Фиг.2 Ф,11- 1), на первом 33 и остальныхвыходах 35 и 36 - соответственносостояние логического нуля (фиг.2 4," 1-4)Следовательно, второй импульскоррекции также вьщеляется элементом 38 (фиг. 2 ц,Ф -), формирователь 39 Формирует короткий импульс(Фиг. 2 ч., Ф 1 ), который вьщелетсяэлементом 2 И 41 (фиг, 2 р , Фо) иэлементом 2 И-НЕ 43 (фиг. 2 М, 1 щ ).Этот импульс также поступает на тактирующий вход формирователя импульсов коррекции 16.В интервал времени, когда навходе 63 элемента 37 присутствуетлогическая единица разрешения, поступающая с вьиода 35 счетчика 32, импульс коррекции через инвертор 44устанавливает прямой вход триггера40 в состояние логической единйцы(Фиг. 2 м, Ф ), его инверсный выходсоответственнб устанавливается всостояние логического нуля.Элемент 38, так же как и формирователь 39 с элементом 2 И 41 пропускает импульс коррекции (Фиг. 2 , ч,, Ф,), Но в данном случае, таккак триггер 40 изменил состояниевыходов, этот импульс коррекции пропускает уже элемент 2 И 42 (Фиг. 2 Р,-1 )., С выхода элемента 42 этот импульс поступает на тактирующий входформирователя 15, который через элемент ЗИЛИ-НЕ 31 записывает в счетчик20 дополнительный импульс коррекции.Следующий импульс коррекции(фиг, 2 0, 1) также поступает натактирующий вход формирователя импульсов коррекции 15.В данном случае реальная характеристика преобразователя сопротивление - код имеет одну точку перегибаи в интервале времени Т -й к числуН 1-В 2 добавляется необходимое числоимпульсов, а в интервале С -Свычитается необходимое число импульсовИмпульс (или импульсы) коррекции может формироваться в интервале времени С 6 (фиг, 2, к), когда в счетчик импульсов 21 записывается число Ю 1-02 (фиг. 2 и, 4,импульс формирователя 39 заштрихован). Но так как на прямом выходе триггера 26 (фиг.26, 1 -С ) присутствует логический ноль и он подключен к одному из выходов элемента 2 И 41, этот импульс на формирователи коррекции 15 и 16 не по; ступает.В момент времени .Ф приходит новый импульс сброса (фиг.2.а) и начи-. нается новый цикл работы устройства.Предлагаемый цифровой измеритель температуры по сравнению с известным обеспечивает более высокую точность измерения, так как в процессе измерения нестабильности элементов уст.ройства (конденсатора, источника на пряжения, формирошателя импульсови др) компенсируются, существенно снижается составляющая погрешности, вызванная нагревом термопреобразователя измерительным током, а также уменьшается составляющая погрешности, связанная с нелинейностью характеристики преобразования устройства.Кроме того, не снижая точности измерения, устройство позволяет сниМатй 15 информацию о температуре при значи-.тельных удалениях объекта измерения от регистрирующей аппаратуры.