Цифровой термометр

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

Известно устройство для измерения температуры (Пат. №2212637 Российская Федерация, МПК 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(t⁰) обязательно должна быть связана с температурой t⁰ 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.

Известен 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.

Недостатками данного устройства, являются его повышенная сложность и, следовательно, пониженная надежность работы, а также низкая точность измерений и ограниченные функциональные возможности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому предполагаемому изобретению является цифровой термометр (пат. RU №2519860, G01K 7/32, Заявл. 10.04.2012; Опубл. 20.06.2014)

Цифровой термометр, содержащий термопреобразователь с импульсным выходом, являющийся входом устройства, генератор прямоугольных импульсов, реверсивный счетчик, параллельный регистр, логический элемент И с первым и вторым входами, логический элемент НЕ, ПЗУ и преобразователь код-частота, причем кодовые входы преобразователя код-частота 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 логического элемента И, второй вход логического элемента И соединен с выходом термопреобразователя через последовательно соединенный логический элемент НЕ, причем входы ПЗУ связаны с выходами параллельного регистра и кодовыми входами преобразователя код-частота, а выходы являются выходами устройства, при этом вычитающий вход реверсивного счетчика соединен с выходом логического элемента И, а суммирующий вход реверсивного счетчика подключен к выходу термопреобразователя и связан со входами логического элемента НЕ и синхровходом С параллельного регистра.

Недостатком данного устройства, принятого за прототип, является низкая точность измерений.

Моделирование прототипа показало наличие переходных процессов, искажающих результат измерения (фиг. 1, фиг. 2). На фиг. 1 представлены переходные процессы при изменении температуры с 32 до 31.95. На фиг. 2 представлены переходные процессы при изменении температуры с 32 до 31.9.

Таким образом, устройство выдает не правильные показания в течении 8-25 тактов измерений.

Техническая сущность предполагаемого изобретения состоит в сокращении числа тактов переходного процесса. Схема предлагаемого цифрового термометра представлена на фиг. 3.

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, первое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ1) 6, второе постоянное запоминающее устройство (ПЗУ2) 9, логические элементы И 7 и НЕ 8, причем выход термопреобразователя 1 соединен с ЛЭ НЕ 7, суммирующим входом реверсивного счетчика 4 и инверсным динамическим синхровходом регистра 5, выходы которого подключены к соответствующим адресным входам ПЗУ1 6 и ПЗУ2 9, причем выходы ПЗУ 2 соединены с кодовыми входами преобразователя кода в частоту 3, вход ƒ которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов 2, выходы ПКЧ 3 и ЛЭ НЕ 7 подключены ко входам ЛЭ 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…9 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 динамический суммирующий вход реверсивного счетчика 4, счетчик увеличивает свое содержимое на 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 связана с измеряемой температурой. Нулевой уровень с выхода термопреобразователя 1 инвертируется ЛЭ НЕ 7 и разрешает прохождение импульсов ПКЧ 3 на вычитающий вход счетчика 4. Выходная частота F_p ПКЧ 3 задается кодом числа к, поступающим на его кодовые входы.

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 N_=N1 импульсов ПКЧ.

После окончания паузы код числа N1_CT=k-N1 с выходов счетчика 4 записывается в регистр 5.

Двоичный код с выходов регистра 5 поступает на входы ПЗУ 1 и ПЗУ2. На выходах ПЗУ2 формируется двоичный код числа М соответствующий установившемуся динамическому равновесию (пат.RU №2519860, G01K 7/32, Заявл. 10.04.2012; Опубл. 20.06.2014).

В следующем такте измерения в регистр записывается число М.

Таким образом, значение М однозначно связано с температурой. Значение М преобразуется в значение температуры с помощью ПЗУ1. Коды, записываемые в ПЗУ1, 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 М, которое записывается в ПЗУ2 по адресу N1 (фиг. 4), после чего двоичный код температуры записывается в ПЗУ 1 по адресу М.

Данные представленные на фиг. 4 подтверждают однозначность измерения температуры по результатам одного такта работы.

В результате выполнения калибровки достигается полное соответствие получаемых результатов измерения температуры температурной характеристике конкретного используемого термопреобразователя.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого предполагаемого изобретения, является повышение точности измерения температуры.