ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР

Предполагаемое изобретение относится к термометрии и предназначено для работы с термопреобразователями с импульсным выходным сигналом.

Известно устройство для измерения температуры (Пат. №2212637 Российская Федерация, МПК⁷ G01K 7/32. Цифровой термометр / Сафьянников Н.М., Буренева О.И., Бондаренко П.Н. - №2002119072; заявл. 15.07.02; опубл. 20.09.03, Бюл. №26), содержащее термопреобразователь, генератор опорной частоты, два элемента И, два реверсивных счетчика, суммирующий счетчик, два регистра, триггер, два преобразователя код-частота и блок индикации.

Недостатками этого устройства являются: сложность реализации, обусловленная некорректным выбором способа получения значения квадрата частоты термопреобразователя, а также (функциональная ограниченность, обусловленная возможностью использования термопреобразователей с частотным выходным сигналом, у которых выходная частота F(t°) обязательно должна быть связана с температурой t° зависимостью .

Известно также устройство (A Hardware Interface for the TMP04 / Serial Digital Output Thermometers (Electronic resource), 2002, p.15), содержащее термопреобразователь, генератор частоты, счетчик, регистр, два элемента И и инвертор, причем выход термопреобразователя подключен к первому входу первого элемента И и ко входу инвертора, выход которого подсоединен к первому входу второго элемента И, а выход счетчика подключен ко входу регистра, выход которого является выходом устройства, устройство содержит также второй регистр, два мультивибратора, элемент исключающее ИЛИ, три резистора, три конденсатора, причем выход термопреобразователя подключен также ко второму входу элемента Исключающее ИЛИ и к выводу первого резистора, второй вывод которого подсоединен к первому входу элемента Исключающее ИЛИ и к выводу первого конденсатора, соединенного другим выводом с нулевой шиной, а выход элемента Исключающее ИЛИ подсоединен к первому входу первого мультивибратора, второй вход которого подсоединен к шине питания, а выход - ко вторым входам первого и второго элементов И и ко второму входу второго мультивибратора, первый вход которого подключен к нулевой шине, а выход - ко входу сброса счетчика, причем второй конденсатор подключен между первым и вторым входами времязадающей цепи первого мультивибратора, а второй резистор - между этим вторым входом и шиной питания, аналогично подключены третий конденсатор и третий резистор к входами времязадающей цепи второго мультивибратора, а выходы первого и второго элементов И подключены ко входам записи соответственно первого и второго регистров, причем выход второго регистра является вторым выходом устройства, а вход подключен к выходу счетчика, соединенного счетным входом с выходом генератора.

Недостатками данного устройства являются отсутствие совмещения процессов измерения и вычислительной обработки, что приводит к необходимости проведения дополнительных вычислений для получения значения измеряемой температуры, а также отсутствие следящего отказоустойчивого измерения температуры.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому предполагаемому изобретению является цифровой термометр (пат. RU №2312315, G01K 7/32, Заявл. 10.05.2006; Опубл. 10.12.2007), содержащий термопреобразователь, генератор, счетчик, регистр, три элемента И и инвертор, элемент ИЛИ, три преобразователя код-частота, причем выход термопреобразователя подключен к первому входу первого элемента И и ко входу инвертора, выход которого подсоединен к первому входу второго элемента И, а выход счетчика подключен ко входу регистра, выход которого является выходом устройства, кодовые входы первого и второго преобразователей код-частота являются кодовыми входами устройства, а кодовый вход третьего преобразователя подключен к выходу регистра, вход записи которого соединен с выходом термопреобразователя, частотные входы преобразователей код-частота подключены к выходу генератора, а выходы - ко вторым входам второго, первого и третьего элементов И соответственно, первый вход третьего элемента И подключен к выходу инвертора, выход второго элемента И подключен к суммирующему входу счетчика, выполненного с возможностью реверсивного счета, а выходы первого и третьего элементов И подключены ко входам элемента ИЛИ, выход которого соединен с вычитающим входом счетчика.

Недостатком данного устройства, принятого за прототип, является его низкая точность измерений и ограниченные функциональные возможности. Низкая точность измерений обусловлена тем, что при индивидуальной градуировке каждого конкретного устройства используется связь со значением t° температуры, выраженная полином первой степени

где Т₁ - длительность единичного уровня выходного импульсного сигнала;

Т₂ - длительность нулевого уровня выходного импульсного сигнала;

a ₁, a ₂ - постоянные коэффициенты, имеющие размерность температуры.

Однако полином первой степени (1) не дает высокой точности аппроксимации взаимосвязи температуры и параметров термопреобразователей и поэтому его применение не обеспечивает высокой точности измерения температуры устройством.

Ограниченные функциональные возможности обусловлены тем, что термометр предназначен лишь для узкого класса термопреобразователей, у которых температура определяется выражением (1).

Техническая сущность предполагаемого изобретения состоит в преобразовании измеренного значения (величины обратной длительности нулевого уровня выходного импульсного сигнала), однозначно связанной с температурой, в значение температуры с помощью ПЗУ, в котором записаны коды температуры для каждого значения Р. Вид кодов температуры определяется техническим типом получателя информации. Так, при передаче информации о температуре на семисегментный индикатор в ПЗУ будут записаны семисегментные коды температуры и бит ее знака, передаваемые на индикатор через согласующее устройство. Измерение только длительности нулевого уровня выходного импульсного сигнала позволяет упростить схему, а использование ПЗУ позволяет корректировать зависимость (1) под конкретный датчик.

Технический результат достигается тем, что цифровой термометр содержит термопреобразователь с импульсным выходом, являющийся входом устройства, генератор прямоугольных импульсов, реверсивный счетчик, параллельный регистр, элемент И с первым и вторым входами, элемент НЕ и преобразователь код-частота (ПКЧ), причем кодовые входы преобразователя ПКЧ подключены к выходам параллельного регистра, синхровход которого соединен с выходом термопреобразователя, а информационные D входы регистра соединены с выходами реверсивного счетчика, частотный вход преобразователя код-частота подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а выход к первому входу элемента И, второй вход элемента И соединен с выходом термопреобразователя через последовательно соединенный элемент НЕ, также дополнительно снабжен ПЗУ, входы которого связаны с выходами параллельного регистра и кодовыми входами ПКЧ, а выходы являются выходами устройства, при этом вычитающий вход реверсивного счетчика соединен с выходом элемента И, а суммирующий вход реверсивного счетчика с весовым коэффициентом k подключен к выходу термопреобразователя и связан со входами элемента НЕ и синхровходом С параллельного регистра.

Схема предлагаемого цифрового термометра представлена на фигуре 1.

Цифровой термометр содержит термопреобразователь 1 с импульсным выходом, генератор прямоугольных импульсов 2, преобразователь кода в частоту (ПКЧ) 3, реверсивный счетчик 4 разрядностью n, параллельный регистр 5, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 6, логические элементы И 7 и НЕ 8, причем выход термопреобразователя 1 соединен с логическим элементом НЕ 7, суммирующим входом реверсивного счетчика 4 и инверсным синхровходом регистра 5, выходы которого подключены к соответствующим адресным входам ПЗУ 6 и кодовым входам преобразователя кода в частоту 3, вход f которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов 2, выходы ПКЧ 3 и логического элемента НЕ 7 подключены ко входам логического элемента И 8, выход которого соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика 4, связанного выходами с входами D параллельного регистра 5, при этом входом цифрового термометра является термопреобразователь 1, а выходом - кодовые выходы ПЗУ разрядностью m.

Назначение блоков 1…8 понятно из их названий.

Цифровой термометр работает следующим образом.

Генератор прямоугольных импульсов 2 вырабатывает опорную импульсную последовательность с частотой F₁, причем частота F₁ должна быть много больше выходной частоты термопреобразователя 1.

Пусть в начальный момент времени счетчик 4 находится в нулевом состоянии. По фронту первого импульса с выхода термопреобразователя 1, поступающего на прямой суммирующий вход реверсивного счетчика 4, счетчик увеличивает свое содержимое на число k. По срезу первого импульса с выхода термопреобразователя 1 код числа k записывается в регистр 5. На выходе термопреобразователя 1 формируется пауза длительностью Т₂, которая однозначно связана с измеряемой температурой. Нулевой уровень с выхода термопреобразователя 1 инвертируется логическим элементом НЕ 7 и разрешает прохождение импульсов ПКЧ 3 на вычитающий вход счетчика 4. Выходная частота F_p ПКЧ 3 задается кодом числа k, поступающим на его кодовые входы и описывается формулой:

где N_RG - входной код преобразователя кода в частоту 3, снимаемый с выхода регистра 5;

n - разрядность реверсивного счетчика 4, преобразователя кода в частоту 3 и регистра 5.

За время паузы на вычитающий вход счетчика 4 пройдут N₁ импульсов ПКЧ:

За это время из записанного в счетчик 4 числа k будет вычтено число N₁, т.е. получают новый код числа k - N₁, который записывается в регистр 5.

Принцип действия цифрового термометра основан на модуляции широтно-импульсными сигналами термопреобразователя частотно-импульсной последовательности, функционально сформированной на основе опорной частоты, для выработки и автоматической компенсации с помощью запоминающей обратной связи сигнала рассогласования устройства в процессе измерения паузы между импульсами термопреобразователя, что обеспечивает отслеживание изменений температуры при формировании результата.

Наличие в устройстве отрицательной обратной связи обеспечивает выход в режим установившегося динамического равновесия, характеризующийся равенством количества импульсов, приходящих на суммирующий и на вычитающий входы счетчика 4 в течение времени Т₂ (время паузы между импульсами термопреобразователя).

Отсюда получаем, что в режиме установившегося динамического равновесия

Таким образом, значение N_RG однозначно связано с температурой. Значение N_RG преобразуется в значение температуры с помощью ПЗУ. Коды, записываемые в ПЗУ, получаются в ходе калибровки термометра: весь диапазон измеряемых температур представляется в виде последовательности необходимого числа фиксированных значений температуры; для каждого фиксированного значения температуры, регистрируемого эталонным измерителем, фиксируется значение N_RG, после чего двоичный код температуры записывается в ПЗУ по адресу N_RG. В результате выполнения калибровки достигается полное соответствие получаемых результатов измерения температуры температурной характеристике конкретного используемого термопреобразователя, чего нельзя добиться, используя полиномиальную температурную характеристику (1).

Калибровка может быть осуществлена под термопреобразователь с температурной характеристикой, отличной от температурной характеристики, описываемой выражением (1), что позволяет расширить функциональные возможности цифрового термометра.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого предполагаемого изобретения, являются: повышение точности измерения температуры, расширение функциональных возможностей, а также упрощение схемы термометра и, соответственно, повышение надежности его работы.