Пристрій для вимірювання температури

Устройство для измерения температуры, содержащее цифровое отсчетное устройст во, генератор опорной частоты, первый, вто рой и третий элементы НЕ, первый, второй и третий элементы И-НЕ, первый и второй образцовые резисторы, первый и второй ре версивные счетчики импульсов, блок зада ния числа, блок вычисления, выходы которого подключены ко входам цифрового отсчетиого устройства, первые входы соеди нены с выходами блока задания числа, вто рые и третьи информационные входы подключены, соответственно, к выходам первого и второго реверсивных счетчиков импульсов, вычитающий вход первого и сум мирующий вход второго реверсивных счет чиков импульсов объединены и подключены к выходу первого элемента "И-НЕ", сумми рующий вход первого и вычитающий вход второго реверсивных счетчиков импульсов соединены, соответственно, с выходами вто рого и третьего элементов "И-НЕ", вторые входы элементов "И-НЕ" соединены с выхо дами элементов "НЕ", третьи входы элемен тов "И-НЕ" объединены и подключены к выходу генератора опорной частоты, отли ч а ю щ е е с я тем, что в него дополнительно введены генератор частоты, третий и четвертый реверсивные счетчики импульсов, второй и третий задатчики чисел, триггер, счетчик импульсов, дешифратор, четвертый и пятый элементы "И-НЕ", элемент "И", элемент "ИЛИ", два формирователя импульсов, три элемента "НЕ", датчик с двумя чувствительными элементами, первый и второй двухполюсные автоматические переключатели, цепи управления которых подключены, соответственно, к выходам третьего и второго элементов "НЕ", выходы автоматических переключателей объединены между собой, со вторыми выводами образцовых резисторов и подключены к третьему входу генератора переменной частоты, входы первого автоматического переключателя подключены к точкам соединения первых выводов образцовых резисторов со вторыми выводами чувствительных элементов датчиков, отводы от которых подключены ко входам второго автоматического переключателя, первые выводы первого и второго чувствительных элементов датчика соединены, соответственно, с первым и вторым входами генератора частоты, выход которого подключен к объединенным между собой вторым входам четвертого и пятого элементов "И-НЕ", первые входы которых объединены и подключены к четвертому выходу дешифратора, третий вход четвертого элемента "И-НЕ" соединен с инверсным выходом триггера, прямой выход которого подключен к третьему входу пятого элемента "И-НЕ", к счетному входу счетчика импульсов и к объединенному между собой первым входом первого, второго и третьего элементов 'ИНЕ" вход установки нуля триггера соединен с выходом элемента "И", вход установки единицы подключен к выходу "-р" переполнения третьего реверсивного счетчика импульсов, установочные входы которого Л№ 6561 соединены с выходами второго зздатчика числа, счетный вход третьего реверсивного счетчика импульсов подключен к выходу четвертого элемента "И—НЕ", вход разрешения записи третьего реверсивного счетчика импульсов объединен со входом разрешения записи четвертого реверсивного счетчика импульсов и подключен к выходу элемента "ИЛИ", счетный вход четвертою реверсивного счетчика импульсов подключен к выходу пятого элемента "И-НЕ", установочные входы четвертого реверсивного счетчика импульсов соединены с выходом третьего задатчика числа, выход "-р" переполнения четвертого реверсивного счетчика импульсов соединен с первым входом элемента "И" и, через шестой элемент "НЕ", подключен к первому входу элемента "ИЛИ", второй вход Изобретение относится к области информационно-измерительной и преобразовательной техники и может быть использовано по прямому назначению в технологических измерениях с промежуточным преобразованием измеряемой величины в период или частоту электрического сигнала. Известно устройство для измерения температуры [1]. Известному устройству присущи недостаточное быстродействие и точность измерения. Указанные недостатки обусловлены тем, что временная и температурная нестабильность частотозадающих цепей преобразователя приводит к появлению аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности преобразования. Кроме того, при t=O°C, частота f 5*0°. Для ее исключения вых необходимы дополнительные затраты времени на проведение измерений при t=O°C. Исключение погрешностей также требует дополнительных временных затрат. Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения температуры, описанное в [2]. Известному устройству также присущи недостаточное быстродействие и низкая точность измерения. Невысокое быстродействие обусловлено затратами времени на подогрев полупроводникового терморезистора до обеспечения требуемого значения его сопротивления. Процесс нагрева и контроля сопротивления полупроводникового терморезистора является инерционным и составляет несколько десятков секунд. которого объединен со входами установки нуля первого и второго реверсивных счетчиков импульсов, входом установки нуля счетчика импульсов, входом четвертого элемента "НЕ" и подключен к выходу первого формирователя импульсов, ко входу которого подключена кнопка "Пуск", выход четвертого элемента "НЕ" соединен со вторым вх'одом элемента "И", входом "Сброс" цифрового отсчетного устройства и входом "Сброс" блока вычисления, вход "Начало вычислений" которого через пятый элемент "НЕ" и второй формирователь импульсов подключен к четвертому выходу дешифратора, первый, второй и третий выходы которого соединены со входами первого, второго и третьего элементов "НЕ", входы дешифратора подключены к соответствующим выходам счетчика импульсов. Недостаточная точность измерений обусловлена изменением коэффициента рассеяния тепла нагретым терморезистором в зависимости от температуры контролируемый среды. Поскольку полупро-5 водниковым терморезисторам свойственен процесс старения, то значение сопротивления также изменяется со временем. Поэтому результат измерения этого сопротивления во втором такте будет получен с погрешно-10 стью. Кроме того, известному техническому решению присуща погрешность аппроксимации вольт-амперной характеристики датчика. Задачей изобретения является повыше-15 ние быстродействия и точности измерения температуры благодаря преобразованию ее в частоту при различных условиях генерирования электрических сигналов и обработки полученных значений периода по заданно-20 му выражению. На фиг.1 приведена структурная схема устройства для определения температуры, а на фиг.2 - принципиальная схема используемого генератора Вина. 25 На фиг.1 введены следующие обозначения: 1 датчик, содержащий первый и второй чувствительные элементы 2 и 3; 4 и 5 - первый и второй образцовые резисторы; 6 и 7 -первый и второй двухполюсные автоматиче-30 ские переключатели; 8 - генератор частоты; 9 кнопка "Пуск"; ТО - триггер, 11 и 12 -первый и второй формирователи импульсов; 13-элемент "И"; 14-элемент"ИЛИ"; 15,16, 17, 18, 19, 20 первый, второй, третий, чет-35 вертый, пятый м шестой элементы "НЕ"; 21 5 6561 - дешифратор; 22 - генератор опорной час та "И-НЕ" 27 Установочные входы четвертого тоты; 23, 24, 25, 26, 27 - первый, второй, реверсивного счетчика импульсов 32 третий, четвертый и пятый элементы "И- подключены к выходам третьего задатчика НЕ"; 28-счетчик импульсов; 29, 30, 31, 32 - числа 35. "Выход "-р" переполнения четвер-5 первый, второй, третий и четвертый ревер того реверсивного счетчика импульсов 32 сивные счетчики импульсов; 33, 34 и 35 - соединен с первым входом элемента "И" 13 и, через шестой элемент "НЕ" 20, подключен к первый, второй и третий блоки задания чи сел; 36 - цифровое отсчетное устройство; 37 первому входу элемента "ИЛИ" 14. Второй вход элемента "ИЛИ" 14 объединен со вхо-10 дами - блок вычисления-. При этом, к первому и второму входам установки нуля первого и второго реверсивных генератора частоты 8 подключены первые счетчиков импульсов 29, 30, со входом выводы двух идентичных чувствительных установки нуля счетчика 28 импульсов, со элементов 2 и 3 датчика 1, вторые выводы входом четвертого элемента "НЕ" 18 и чувствительных элементов 2 и 3, соответст- подключен к выходу первого формировавенно, с первыми выводами образцовых ре- 15 теля 11 импульсов. На входе первого формирователя 11 импульсов включена кнопка 9 зисторов 4 и 5, с первым и вторым входами "Пуск". Выход четвертого элемента "НЕ" 18 автоматического (нормально замкнутого) песоединен со вторым входом элемента "И" реключателя 6. Отводы 3 чувствительных 13, входом "Сброс" цифрового отсчетного элементов 2 и 3 датчика 1 подключены со20 устройства 36 и входом "Сброс" блока выответственно к первому и второму входам числения 37. Вход "Начало вычислений" второго автоматического (нормально разо("НВ") блока вычисления 37 через пятый элемкнутого) переключателя 7. Выходы автомамент "НЕ" 19 и второй формирователь 12 тических переключателей 6 и 7 объединены импульсов подключен к четЕт тому выходу между собой, с вторыми вывода ,и первого и второго образцовых резисторов 4 и 5 и 25 дешифратора 21. Первый, второй и третий выходы дешифратора 21 соединены со вхоподключены к третьему входу генератора дами первого, второго и третьего элементов переменной частоты В. "НЕ" 15, 16 и 17, а входы дешифратора 21 Цепи управления автоматических переподключены к соответствующим выходам ключателей 6 и 7 соединены с выходами третьего и второго элементов "НЕ" 16 и 17 30 счетчика 28 импульсов. Работа генератора 8 Вина, принципиальная схема которого присоответственно. Выход генератора 8 переведена на фиг.2, подробно описана в кн. менной частоты подключен к объединенным А.Г.Алексеенко и др. Применение прецизимежду собой вторым входам четвертого и онных аналоговых интегральных схем. М.: пятого элементов "И-НЕ" 26 и 27. Первые 35 "Радио и связь", 198'. г.. с.132-133. входы элементов "И-НЕ" 26 и 27 объединеВ основу работы предложенного устройны между собой и соединены с четвертым ства для измерения температуры (фиг, 1) повыходом дешифратора 21. Третий вход четложен способ измерения, согласно которому в вертого элемента "И-НЕ" 26 соединен с инпервом такте измерения устанавливают датверсным выходом триггера 10. Прямой выход триггера 10 подключен к третьему 40 чик 1 в среду с исследуемой температурой tx°. Воздействие температуры tx° среды на павходу пятого элемента "И-НЕ" 27, к счетнораметр R двух распределенных частотозадаму входу счетчика импульсов 28 и объедиющих чувствительных элементов 2 и 3 ненным между собой первым входам датчика 1 приводит к изменению значения первого, второго и третьего элементов "И45 этого параметра. Последний преобразуется НЕ" 23, 24 и 25. Вход установки нуля триггев период электрического сигнала Ті. Измера 10 соединен с выходом элемента "И" 13, ренное значение периода Ті этого сигнала вход установки единицы подключен к выхоопределяется выражением: ду "-р" переполнения третьего реверсивного счетчика 31 импульсов. Установочные входы (1) третьего реверсивного счетчика 31 импуль- 50 N ті -fo • Ті, сов соединены с входами второго задатчика где fo - частота сигнала опорного генератора, числа 34, счетный вход третьего реверсивного Ті - период электрического сигнала. 55 счетчика 31 импульсов подключен к выходу четвертого элемента "И-НЕ" 26. Входы Затем, во втором такте, увеличивают на 5разрешения записи третьего и четвертого 10% период Ті электрического сигнала путем реверсивных счетчиков импульсов 31 и 32 одновременного изменения параметра R объединены между собой и подключены к чувствительных элементов 2 и 3 датчика 1 на выходу элемента "ИЛИ" 14. Счетный вход заданное нормированное значение Ro. четвертого реверсивного счетчика 32 импульсов соединен с выходом пятого элемен 6561 Изменение периода Ті на 5-10% достигается путем изменения параметра R чувствительных элементов 2 и 3 датчика 1 на нормированное значение RO=AR. В этом такте период Тг электрического сигнала изменяется до значения N Т2 =fo ' Т2, (2) где Ї2 - период полученного электрического сигнала. В третьем такте преобразуют в период [(К-1)/К]-ю часть параметра двух чувствительных элементов 2 и 3 датчика 1. В результате получают электрический сигнал с периодом Тз, значение которого равно (3) где Тз - период третьего электрического сигнала. Об истинном значении температуры среды судят в четвертом такте после обработки результатов промежуточных измерений по алгоритму N1 N2-Nt (4) где No=Ko ' К • Ro, Ni, N2, N3- значения периодов электрического сигнала, измеренные в первом, втором и третьем тактах: AR(t°) Ro= AR нормированное (5) приращение сопротивления реэистивного датчика температуры. Ко - коэффициент пропорциональности, определяемый е процессе калибровки. Коэффициент Ко определяют путем помещения датчика в исследуемую среду с заданным значением температуры ь°, с последующим проведением через тактов измерения. При известных значениях К, Ro, N10, N20, N30 получают 8 идентичных распределенных резмстивных чувствительных элемента 2 и 3. Особенностью чувствительных элементов 2 и 3 датчика 1 является наличие отводов в заданных точках чувствительных элементов. Это позволяет осуществить деление значения сопротивления чувствительного элемента в отношении 1/К, где К=5-20. Чувствительные элементы 2 и 3 датчика 10 1 включены в схему PC генератора 8 как частотозадагощие элементы. Информация об измеряемой величине содержится в периоде выходного электрического сигнала (фиг.З, б) генератора 8. Использование двух идентичных чувствительных элементов 15 обеспечивает линейную зависимость периода от температуры среды. При нажатии кнопки 9 "Пуск" на выходе формирователя П появляется импульс (фиг.З, в), который уста20 навливает в исходное нулевое состояние реверсивные счетчики 29 и 30 импульсов, счетчик 28 импульсов и триггер 10 (фиг.З, ж). Одновременно в реверсивн 'х счетчиках 31 и 22 осуществляется предустановка кода числа, записанного в блоках 34 \л 35 задания чисел (фиг.З, д). На выходс инвертора 18 формируется сигнал "Сброс", который поступает на блок вычисления 37 и цифро30 вой отсчетный блок 36. В исходном состоянии на первом выходе дешифратора 21 имеется сигнал логического нуля (фиг.З, к), а на втором и третьем выходах дешифратора 21 - сигналы логи-35 ческой единицы (фиг.З, м, о). При этом п исходном состоянии двухполюсный автоматический переключатель 6 замкнут и закора-чивает образцовые резисторы 4 и 5. Двухполюсный автоматический переключа7 40 тель в исходном состоянии разомкнут. ! Ірриод Tt= -г- генерируемых колебаний генератора 8 определяется параметрами чувствительных элементов 2 и 3 датчика 1, полностью подключенных к генератору 8. Сигнал логической единицы на четвертом выходе дешифратора 21 (фиг.З, р) в течение первых трех тактов работы устройства разрешает прохождение сигнала генератора 8 Т о° N2O-N1Q К Ro N10Ко= через логические элементы "И-ИЕ" 26 и 27 50 N30 (фиг.З, д, з) Исходное нулевое состояние триггера 10 обеспечивает прохождение выкоторый используют при определении темходного сигнала генератора 8 через логичепературы согласно выражению (4). ский элемент 26 "И-НЕ" на счетный вход Работа устройства для измерения тем55 реверсивного счетчика 31 импульсов пературы заключается в следующем (см. При наступлении щ импульсов (фиг 3, д) фиг.1). Измеряемая среда с температурой tx° содержимое реверсивного счетчика 31 воздействует на датчик 1, содержащий два уменьшается до нуля и по сигналу переполнения (фиг.З, е) с выхода "-р" счетчика трмг 10 6561 rep 10 устанавливается в единичное состояние (фиг.З, ж) на его прямом выходе. Таким образом достигается программируемая задержка начала измерения периода сигнала наги периодов, позволяющаяустра- 5 нить нежелательные эффекты переходных процессов. При установлении триггера 10 в единичное состояние с его прямого выхода поступает сигнал -логической единицы на элемент "И-НЕ" 27, разрешая тем самым 10 поступление выходного сигнала генератора 8 на счетный вход реверсивного счетчика 32 импульсов (фиг.З, з) до момента его переполнения. Одновременно сигнал логической единицы с прямого выхода триггера 10 по- 15 ступает на элементы "И-НЕ" 23, 24 и 25. Импульсы (фиг.З, а) с выхода генератора опорной частоты 22 проходят через элемент 23 при наличии сигнала логической единицы на втором входе элемента 23.На вычитаю- 20 щий вход счетчика 29 импульсов за время Ті поступает N Ц импульсов (фиг.З, л): такту образом. Импульс с выхода переполнения "-р" реверсивного счетчика 31 устанавливает триггер 10 в единицу (фиг.З, е). В результате разрешается прохождение выходных импульсов генератора 22 опорной частоты to через логический элемент 24 "ИНЕ" на суммирующий вход реверсивного счетчика 29 импульсов. К концу второго такта содержимое счетчика 29 будет равно N ті =n2fo(T2-Ti), (7) Окончание второго такта определяется по моменту появления импульса (фиг.З, и) переполнения реверсивного счетчика 32 импульсов. Триггер 10 устанавливается в нулевое состояние (фиг.З, ж). Содержимое счетчика тактов 28 увеличивается еще на единицу. Заново выполняется предустановка реверсивных счетчиков 31 и 32. Одновременно запрещается прохождение импульсов с выхода генератора 8 через логический элемент "И-НЕ" 27 и разрешает(6) N ті =n2foTi ся прохождение импульсов через элемент 25 "И-НЕ" 26. При поступлении сигнала на где П2 - целое число периодов, определяевход счетчика 28 изменяется его выходной мое задатчиком 35 чисел, На суммирующий код и на третьем выходе дешифратора 21 вход счетчика 30 импульсов за время Ті попоявляется сигнал (фиг.З, о) логического нуступает то же число N ті импульсов. ля. Последний инвертируется с помощью инвертора 17, поступает на второй вход Сигнал (фиг.З, и) с выхода "-р" переполлогического элемента "И-НЕ" 25 и на управнения реверсивного счетчика 32 устанавлиляющий вход автоматического двухполюсвает триггер 10 в нулевое состояние (фиг.З, ного переключателя 7, который переводится ж), тем самым завершая первый такт процесв положение, противоположное указанному са измерения. При этом содержимое счетчика тактов 35 на фиг. 1. В результате закорачиваются "асти чувствительных элементов 2 и 3 датчика 1. 28 увеличивается на единицу. ОдновременПериод генерируемого сигнала устанавлино выполняется предустановка реверсивных счетчиков 31 и 32, запрещается вается равным Тз= у- (фиг.З, б). В третьем прохождение импульсов с выхода генерато40 такте измерения периода выходной сигнал ра 8 через логический элемент "И-НЕ" 27 и генератора 8 задерживается на п і периодов, разрешается прохождение импульсов через как в первом и втором тактах. Импульс элемент "И-НЕ" 26. При поступлении сиг(фиг.З, е)с выхода переполнения "-р" ревернала на вход счетчика 28 изменяется его сивного счетчика 31 устанавливает триггер выходной код и на втором выходе дешифра45 10 в единицу (фиг.З, ж). В результате разретора 21 появляется сигнал логического нуля шается прохождение выходных импульсов (фиг.З, м). Последний инвертируется с погенератора 22 опорной частоты через логимощью инвертора 16, поступает на второй ческий элемент 25 "И-НЕ" на вычитающий вход логического элемента "И-НЕ" 24 и иа вход реверсивного счетчика 30 N тз имуправляющий вход автоматического двухпо50 пульсов, К концу третьего такта содержимое люсного переключателя 6, который перевосчетчика 30 будет равно дится в положение, противоположное указанному на фиг. 1. При этом последова(8) тельно с чувствительными элементами 2 и 3 датчика 1 подключаются образцовые резиОкончание третьего такта определяется сторы 4 и 5. В результате увеличивается пе- 55 по моменту появления импульса (фиг.З, и) с риод генерируемого сигнала до величины выхода "-р" переполнения реверсивного ТгН /іг. Во втором такте измерения периода счетчика 32 импульсов. Этим импульсом Тг выходной сигнал генератора 8 задержитриггер 10 устанавливается в нулевое состовается на п і периодов аналогичным первому 11 6561 яние. Содержимое счетчика тактов 23 увеличивается на единицу. Выходкой код счетчика 28 дешифруется с помощью дешифратора 21. На четвертом выходе дешифратора 21 появляется сигнал (фиг.З, р) логического нуля, запрещающий прохождение импульсов через логические элементы 26 и 27 "И-НЕ". Одновременно формирователь 12 импульсов вырабатывает сигнал (фиг.З, с), который, проходя через инвертор 19, инициирует начало обработки результатов промежуточных измерений в блоке вычисления 37 в соответствии с алгоритмом (4). Результаты вычислений выводятся на цифровое отсчетно-регистрирующее устройство 36. Следующий цикл измерения осуществляют путем повторного нажатия кнопки 9 "Пуск". В отличие от известного, в предложенном устройстве повышение быстродействия и точности достигается за счет введения генератора переменной частоты, двух реверсивным счетчиков импульсов, двух задатчиков числа, триггера, счетчика импульсов, дешифратора, двух элементов "И-НЕ", элементов "\А" и "ИЛИ", двух формирователей импульсов, трех элементов "НЕ" м датчика с двумя чувствительными элементами, соединенные определенным образом. В частности, повышение быстродействия достигается за счет формирования измерительных тактов заданной длительности. Последние Формируются с использованием двух реверсивных счетчиков импульсов, двух задатчиков чисел, триггера, двух элементов "И-НН", элемента "И", элемента "ИЛИ" и элемента "НЕ". Путем задания значений n t и пг равными 1-5 можно обеспечить время измерения, равное 4-20 периодам выходного сигнала генератора 8. Необходимо отметить, что распределенные в пространстве чувствительные элементы 2 и 3 датчика 1 позволяют линейно преобразовать контролируемую неэлектрическую величину в период электрического сигнала с быстродействием, в 5-7 раз пре 12 восходящим быстродействие датчиков с сосредоточенными параметрами. Повышение точности достигается за счет обработки результатов измерений пе5 риодов за 3 такта по определенному алгоритму, что позволяет исключить аддитивную и мультипликативную составляющие погрешности преобразования, нестабильность крутизны преобразования генератора, 10 погрешности, вносимые линией связи, долговременную нестабильность чувствительных элементов датчиков, а также погрешность, обусловленную изменением условий теплопередачи между чувствительными элемента15 ми датчика и окружающей средой. Так, исключение аддитивне^ погрешности реобразования достигается зс: счет введения двух образцовых резисторов со значени •' опротивления, не превышаю-0 щими „• 10% от номинального значения параметра чувствительного элемента датчика : РИ tx=O3C, Мультипликативная составляющая погрешности измерения исключается за счет 25 введения такта преобразования (к-1)/к-Й части параметра чувствительного пемента датчика в период электрического , игнала с последующей обработкой по у.-~занному выше алгоритму (4). 30 Повышение точности достигается такжб за счет исключения вли.ния переходных процессов на результат измерения периода выходного сигнала генератора. Это достигается за сче, использования реверсивного 35 счетчика 31, задатчика числа 34, элемента "И-НЕ" 26 триггера 10, соединенных определенным образом. Введение дешифратора 21 и счетчика 28 импульсов обеспечивает в предложенном устройстве заданную после40 довательность выполнения операций измерения разности периодов электрического сигнала. Таким образом, предложенная совокупность и последовательность отличительных 45 признаков предлагаемого технического решения обеспечивает повышение быстродействия и точности определения температуры окружающей среды. 6561 6561 Фиг. 2 __________ j 6561 ж; ШЛЯ vr з) и) І'г к) ІЛЛІ LRJU U Nti \ п) ' t о) J Щ Г) їй п из першие Т, 9игЗ (їй такт фи изперение шпдрение Ts Зпюры напряжении\ поясняющие работу устройства Упорядник В.Кондратов Замовлення 633 Техред М.Моргентал Коректор Л. Филь Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, КиТв-53, Львівська пл., в Виробничо-видавничий комбінат "Патент", м. Ужгород, вул.ГагарІна, 101