SU1390516A1

SU1390516A1 - Цифровой измеритель температуры

Info

Publication number: SU1390516A1
Application number: SU864096448A
Authority: SU
Inventors: Леонид Александрович Демидов; Станислав Антонович Дунский; Владимир Витальевич Подлесный; Ирина Николаевна Нефедова
Original assignee: Предприятие П/Я Р-6028
Priority date: 1986-08-01
Filing date: 1986-08-01
Publication date: 1988-04-23

Abstract

Изобретение касаетс температурных измерений. Цель изобретени - повьппение точности измерени . Устр-во содержит источник 1 опорного напр жени , аналоговый ключ 2, термопреобразователь 3 сопротивлени , резисторы 4 и 6, усилитель 5, генератор 7, блок 8 сравнени , счетчики 9, 12, элементы И 10, 15, 19, 20 и 27, дешифратор 11, формирователи 13 и 14, элементы ИЛИ 16, 17, триггер 18, инвертор 21, усилитель 22, интегратор 23, частотомер 24, делитель 26 частоты , счетчик 28, блок 29 пам ти и индикатор 30. Введение новых элементов и образование новых св зей между элементами устр-ва позвол ет уменьшить погрешность измерени , вызванную временной и температурной нестабильностью врем задающей цепи генератора 7 и элементов частотомера 24. 2 ил. иифройои код (ТТуГЛП .ттт тт I СуЛ i « сл со со о ел 05

Description

11

Изобретение относитс к области температурных измерений, а именно цифровым измерител м температуры.

Целью изобретени вл етс повышение точности измерени путем уменьшени погрешности измерени , вьгаван- ной временной и температурной нестабильностью врем задающей цепи генератора экспоненциального напр жени и элементов цифрового частотомера.

На фиг. 1 представлена блок-схема цифрового измерител температуры; на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов элементов измерител .

Цифровой измеритель температуры содержит источник 1 опорного напр жени , аналоговый ключ 2, термопреобразователь 3 сопротивлени , дополнительный резистор 4, инвертирующий усилитель 5 посто нного тока (УПТ) с резистором 6, включенным в цепь отрицательной обратной св зи, генератор 7 экспоненциального напр жени , блок 8 сравнени , первый счет- чик 9, первый элемент И 10, дешифратор 11, второй счетчик 12, формирователь 13 заднего фронта, формирователь 14 переднего фронта,второй элемен И 15, первый элемент ИЛИ 16, второй элемент ИЛИ 17, триггер 18, третий элемент И 19, четвертый элемент И 20, инвертор 21, дифференциальный усилитель посто нного тока (УПТ) 22, интеграто 23 и цифровой частотомер 24.

Цифровой частотомер 24 содержит управл емый генератор 25 опорной частоты , делитель 26 частоты, элемент И 27f рабочий счетчик 28, блок 29 пам ти и цифровой индикатор 30, выходы которого вл ютс выходами цифрового частотомера.

Генератор 7 экспоненциального напр жени может быть выполнен, например , в виде последовательно соединенных конденсатора 31 и резистора 32, причем точка соединени одной из обкладок конденсатора 31 и одного из выводов резистора 32 вл етс выходом генератора 7, друга обкладка конденсатора - первьм входом генера- тора 7, а другой вывод резистора 32 подключен к шине нулевого потенциала . Кроме этого, генератор 7 может содержать аналоговый ключ 33, под- ключенньй параллельно обкладкам конденсатора 31, при этом управл ющий вход аналогового ключа 33 вл етс вторым входом генератора 7. Бло

62

8 сравнени может быть выполнен, например , в виде операционного усилител 34, неинвертирующий вход которого соединен с шИной нулевого потенциала , а к инвертирующему пбдключены резисторы 35 и 36.

Интегратор 23 может быть выполнен на операционном усилителе 37, в цепь отрицательной обратной св зи которого включен конденсатор 38, неинвертирующий вход подключен к шине нулевого потенциала, а инвертирующий - к одному из выводов резистора 39. Другой вывод резистора 39 вл етс входом интегратора 23.

Измеритель работает следующим образом .

В мо мент изменени ВЕЛХОДНОГО сигнала дешифратора 11 с нулевого в единичный он, поступа на управл ющий вход аналогового ключа 2, устанавливает его в такое положение, при котором от выхода источника 1 опорного напр жени отключаетс дополнительный резистор 4 и подключаетс терморезистор 3. При этом напр жение на выходе УПТ 5 измен етс скачком от значени

,Д1)

RO

(г)

RO

х,пт Uog- до и,„ -Uo--,

3л J

где Up - величина выходного напр жени опорного источника 1; R(j - величина сопротивлени резистора в обратной св зи уси- лител 5 посто нного тока; Rq - величина сопротивлени до полнительного резистора 4; R - величина сопротивлени терморезистора 3.

Величина сопротивлени терморезистора 3 измен етс при изменении измер емой температуры по закону

где А, В - посто нные коэффициенты

терморезистора;

е - основание натурального логарифма; Т - величина измер емой тем пературы.

При этом выходное напр жение УПТ 5 Uyn, , временна диаграмма которого представлена на графике 40 (фиг. 2), соответствующее уровню измер емой температуры ,,, подаетс на один из входов блока 8 сравнени , на второй вход которого поступает напр жение Uj с выхода генератора 7, представленное на графике А1:

I -f

и, Uoe

, ,, R3i-R5t

D J.D

л

где t текущее врем , прошедшее от начала генерировани экспоненциального напр жени ; посто нна генератора 7; величина емкости конденсатора 31;

величина сопротивлений резисторов 32 и 36. В момент равенства суммы токов , протекаюш их через резисторы 35 и 36 блока 8 сравнени , нулю

« С Н

вуг

U,/R

зс

- /R к « vnr

35

ИЛИ

при R J равенства Uynt Ua-O на выходе операционного усилител 34 блока 8 сравнени за счет высокого коэффициента в разомкнутом состо нии по вл етс скачок положительного напр жени , который поступает на управл ющий вход аналогового ключа генератора 7, Ключ 33 закорачивает обкладки конденсатора 31, и разр жает его. При этом выходное напр жение генератора 7 скачком устанавливаетс в исходное состо ние U, Ug, в результате чего положительный сигнал на выходе блока 8 сравнени скачком уменьшаетс до нул , что в свою очередь приводит к размыканию аналогового ключа 33, и начинаетс новый цикл генерировани экспоненциального напр жени , определ ющий начало формировани временного интервала задержки . При этом на выходе блока 8 сравнени в момент каждого era срабатывани формируетс импульс. Выходной сигнал блока 8 сравнени представлен на графике 42. Врем , прошедшее от начала генерировани экспоненциального напр жени до момента срабатывани блока 8 сравнени , определ емое из равенства U,, ti

+ IT Р

Ae -.in l .

+ U:

составит

, О или

.V-il .

Сформированный на выходе блока :равнени в момент его срабатьгоа- ни импульс поступает на один из вхо дев первого элемента И 10 и вследствие того, что на другом его входе в это врем присутствует разрешающий

сигнал логической единиид с выхода дешифратора 11, он проходит на выход и далее на вход нулевого сброса первого счетчика 9. Импульсньш сигнал на выходе элемента И 10 представлен на графике 43.

При этом сигнал на выходе дешифратора 1 1, представленный на графике 44, мен етс с единичного на нулевой, поступает на управл ющий вход аналогового ключа 2 и устанавливает его в такое состо ние, при котором от выхода источника 1 опорного напр жени отключаетс терморезистор 3 и подключаетс дополнительный резистор 4, что в свою очередь приводит к скачкообразному изменению напр жени на выхо/ л

де УНТ 5 от величины U

VOT

- до и К,

(1) vrrr

,0

5

С этого момента начинаетс процесс формировани временного интервала 5 задержки tj.

Врем , прошедшее от момента начала генерировани экспоненциального напр жени , определ емого предыдущим срабатыванием блока сравнени , до момента его нового срабатывани .

определ емое из равенства

+

и, О или -П 2 +

t ;

R

составит

--2 R,

Ч

о

о.

40

45

50

55

Сформированньп на выходе блока сравнени импульс вследствие блокировки входа первого элемента И 10, соединенного с выходом дешифратора 11, присутствующим на нем сигналом нулевого уровн не проходит на вход нулевого сброса первого счетчика 9, поступа на счетный вход первого счетчика 9, измен ет по своему заднему фронту соответствующим образом его состо ние. Так как при этом сигнал на выходе дешифратора 11 изменилс , сформированный на выходе блока 8 сравнени импульс вследствие блокировки входа первого элемента И 10 по входу, соединенному с выходом дешифратора 11, присутствующим на нем нулевым сигналом не проходит на вход нулевого сброса первого счетчика 9, а поступает на счетный вход первого счетчика 9 по своему заднему фронту и измен ет соответствующим образом его состо ние. Так как при этом сиг513905

нал на выходе дешифратора 1 1 не II:IMP- 1нлс , то очередной и последующие импульсы на вьгходе блока 8 сравнени будут форш1роватьс с периодом t -г In

R/

Так будет продолжатьс до момента формировани п-го импульса, счита с момента нулевого сброса первого счетчика 9, т.е. с момента начала формировани временного интервала задержки tj.. Этот импульс, поступа на счетный вход первого счетчика 9, устанавливает его выходы в такое состо ние, при котором уровень на выходе дешифратора 11 мен етс с нулевого оп ть на единичный. При этом аналоговый ключ 2 вновь отключает выход источника 1 опорного напр жени от вывода дополнительного резистора 4 и подключает к нему вывод терморезистора 3. В этот момент заканчиваетс формирование временного интервала задержки, длительность которого t, таким образом составит

t, nt V nUn 5-. KQ

Далее работа измерител происходи аналогично описанному. В результате на выходе дешифратора 11 формируетс импульсна последовательность с длительностью импульсов t и с периодом t, определ емым выражением

t, - Пп + n-tln -3

(II

В

-Г т

R.

При выполнении услови J In --

А 40

-.KtJ RQ .-RttsnfnTln -- или -- ( частота f А К„

Rj

R,

импульсного сигнала на выходе дешифратора 11 определ етс выражением

, 1 Т

г - --, т.е. будет пр мо пропорциональна измер емой температуре. Дл получени пр мого цифрового отсчета измер емой температуры импульсный 50 сигнал с выхода дешифратора 11 подаетс на первый вход цифрового частотомера 2А. Сигнал с выхода генератора 25 управл емой опорной частоты частотометра 24 через его выход опор-55 ной частоты поступает на счетный вход второго счетчика 12. Одновременно на вход нулевого сброса второго счет

о 5

0

5

0

5

0 5

166

чика 12 поступает импульс с выхода первого элемента И 10. Так как импульс на вьгеоде первого элемента И формируетс в момент начала формировани временного интервала задержки, то задний фронт импульса, сформированного на выходе второго счетчика 12, соответствуюишй моменту его переполнени , по витс после момента начала формировани временного интервала задержки через управл емый временный интервал ty, определ емый частотой f выходного сигнала генератора управл емой опорной части и коэффициента пересчета К цВторого

Т7

счетчика 12: t, --. Временна

7

диаграмма сигнала на выходе счетчика 12 представлена на графике 45. Формирователь 13 заднего фронта по заднему фронту импульса с выхода второго счетчика 12 формирует единичный импульс , передний фронт которого соответствует окончанию управл емого временного интервала t. Временна диаграмма сигнала на выходе формировател 13 заднего фронта представлена на графике 46. Одновременно формирователь 14 переднего фронта формирует на своем вьгходе импульс, передний фронт которого совпадает с моментом окончани временного интервала задержки t,, так как передний фронт единичного импульса на выходе дешифратора 11, соединенном с входом формировател 14 переднего фронта, совпадает с моментом окончани формировани временного интервала задержки. Временна диаграмма сигнала на выходе формировател 14 переднего фронта представлена на графике 47. Импульсы с выходов формирователей 13 и 14, поступа на входы второго элемента И 15, формируют на его выходе единичный импульс, временна диаграмма которого представлена на графике 48, только в случае, если они придут одновременно , т.е. когда t, ty. Импульс с выхода второго элемента И поступает на один из входов второго элемента ИЛИ 17, на другой вход которого поступает единичный импульс с выхода первого элемента И. Поэтому выход триггера 18 будет устанавливатьс сигналом с выхода второго элемента ИЛИ 17 в нулевое состо ние в момент начала формировани временного интервала задержки и в случае

7Г

рареистп t ty - в момент окончани временного интерва.та задержки. На пыходе первого элемента ИЛИ 16, временна диаграмма сигнала которого представлена на графике 49, проход т единичные импульсы с выходов формирователей 13 и 14. Причем в случае t ty первым приходит импульс с выхода формировател 13 заднего фрон- та, в случае t j t у - с выхода формировател 14 переднего фронта, а в случае t, 1 приход т одновременно .

Первый импульс, поступивший с вы- хода первого элемента ИЛИ на счетный вход триггера 18, перебрасывает его выход в единичное состо ние, так как в момент начала формировани временного интервала задержки он был уста- новлен в нулевое состо ние, а второй возвращает его в исходное нулевое. В результате на выходе триггера 18, временна диаграмма сигнала которого представлена на графике 50, при t j. t , сформируетс единичный импульс длительностью t , - t,,, задний фронт которого совпадает с моментом окончани временного интервала задержки, при t J t j - длительностью t - t j, задний фронт которого совпадает с моментом окончани управл емого временного интервала, а при ty t выход триггера удерживаетс в нулевом состо нии сигналом с выхода второго элемента И 15, поступающим через вто рой элемент ИЛИ 17 на вход нулевого сброса триггера 18. Так как сигнал на выходе дешифратора 11 имеет единичное значение только после окончани формировани временного интервала задержки, он, поступа на один из входов четвертого элемента И, пропустит единичный импульс с выхода триггера 18 на выход четвертого элемента И 20 только в случае t ty. Проинвертированный инвертором 21 сигнал с выхода дешифратора 11 принимае единичное значение только в течение формировани временного интервала задержки, поэтому он, поступа на один из входов третьего элемента И 19, пропускает единичный сигнал с выхода триггера 18 на выход третьего элемента И 19 только в случае, когда t «J t.. Временные диаграммы выходных сигналов третьего 19 и четвертого 20 элементов И представлены соответственно на графиках 51 и 52 (фиг.2),

168

Сигнал с выхода третьег элемента И 19 поступлет на неинверти зую 1пп 1 вход дифференциального УНТ 22, л с выхода четвертого элемента И 20 - на инвертирующий, т.е. при t з у на неинвертирующий вход дифференциального УПТ 22 поступает единичный импульс и на инвертт1руюпоп 1 - нуле- 1ВОЙ сигнал, при tj t наоборот, а при t J t . - на обоих входах присутствует нулевой сигнал. В результате на выходе дифференциального УПТ 22 при t J. t у сфорьшруетс импульс положительной пол рности, при tj, « t отрицательной, а npti t , t нупевой сигнал.

Напр жение с выхода ,п1тфферен1Щ- ального УПТ 22, временна диаграмма которого представлена на графике 53, поступа через вход интегратора 23 на вывод резистора 39 с сопротивлением R, определ ет величину и направление тока через него. Вслелстьце того, что неинвертирующий вход операционного усилител 37, имеющего высокий коэффициент усилени , соединен с шиной нулевого потенциала, ток i, протекающий череп конденсатор 38, будет определ тьс выражением i

и в к: ИНТ

-, тогда выходное напр жение

К

Btfx UHT будет, измен тьс по закону II TICO i -

BUx.UWT вых. ИНТ (

где С - емкость конденсатора 38:

inx. UHT ) начальное напр жение на конденсаторе 38.

Так как при t t на вход интегратора 22 поступает импульс положи- тельной пол рности, выходное напр жение операционного УПТ 37 в течение длительности импульса будет линейно убывать, при t г t,, т.е. отрицательном импульсе напр жени на входе интегратора 23, - линейно возрастать, а при t J ty и нулевом сигнале н входе интегратора 23 - сохран ть исходный уровень, определ ем1,1й величиной напр жени на конденсаторе 38. Временна диаграмма напр жени на выходе интегратора представлена ил графике 54. Выходной сигнал интегратора 23 поступлет через второй вход цифрового частотомера 24 на вхо.ч генератора 25 управл емой опорной частоты . При возрастании напр жени на входе генератора 25 управл емой опорной частоты, т.е. при t ty4acTOTa импульсного сигнала на его выходе увеличиваетс , при уменьшении, т.е. при tj t, уменьшаетс , а при сохранении посто нного значени - остаетс посто нной. При этом так как длительность управл емого временного интервала t у определ етс частотой импульсного сигнала на выходе генератора управл емой опорной частоты

139051610

счетчика 28. В результате в блоке 29 пам ти будет записан код преобразова ванным цифровым индикатором 30 в чикоторое с учетом

в в виде

10

ело N nj ,

равенства f Т/Т. можно представить

N I- -с OB К,,

in (|i)

KO

(i) п. В Кеч

an(|i).

Таким образом, результат измерени не зависит от посто нной времени генератора 7 экспоненциального напр жени и значени частоты импульсного сигнала на выходе генератора 25 опорной частоты.

при t I t J она будет

- К с.

f : ty ---, при t j уменьшатьс а при t j у увеличиватьс . В результате частота сигнала на выходе генератора 25 управл емой опорной частоты будет измен тьс до тех пор, пока не примет значение f, при котором выполн етс условие t t,y, после чего будет сохран ть посто нное значение, С уче . Кеч

том t --

1

t, пПп 1

которое с учетом

в в виде

ело N nj ,

равенства f Т/Т. можно представить

N I- -с OB К,,

in (|i)

KO

(i) п. В Кеч

an(|i).

„ К дел При выполнении услови п «

xlnC--) 1 получаем N Т, т.е. пр 1 0

мой цифровой отсчет измер емой температуры .

f,

in cpr Импульсный сигнал с выхода генератора управл емой опорной частоты, поступа на вход делител 26 частоты , формирует на его выходе импульсный сигнал с длительностью единичног импульса, определ емого выражением

КАРА

где

К.„ - коэффициент делени дели- т,

тел о частоты.

Этот сигнал, поступа на один из входов элемента И 27, разрешает в течение опорного временного интервала прохождение на выход элемента И 27 п а импульсов С выхода дешифратора 11, поступающих на другой вход элемента

И, j f частота импульсного сигнала на выходе дешифратора 11 . Одновременно импульсный сигнал с выхода делител 26 частоты, поступа на вход нулевого сброса рабочего счетчика, устанавливает его в исходное нулевое состо ние по своему переднему фронту, а поступа на вход записи блока пам ти по своему заднему фронту,- переписывает содержимое рабочего счетчика 28 в блок 29 пам ти . Выходной сигнал элемента И 27 поступает на счетный вход рабочего

0

5

0

5

0

5

Claims

Формула изобретени

Цифровой измеритель температуры, содержащий источник опорного напр жени , выход которого подключен к входу генератора экспоненциального напр жени и входу аналогового ключа, управл ющий вход которого соединен с выходом дешифратора, а первый и второй выходы соответственно через терморезистор и дополнительный резистор подключены к инвентирующему входу усилител посто нного тока с резистивной отрицательной обратной св зью, выход которого подключен к первому входу блока сравнени , второй вход которого соединен с выходом генератора экспоненциального напр жени , а выход подключен к управл ющему входу генератора экспоненциального напр жени и счетному входу первого счетчика, выходы которого соединены с входами дешифратора, а вход нулевого сброса подключен к выходу первого элемента И, первый вход которого соединен с выходом блока сравнени , а второй вход - с выходом дешифратора , цифровой частотомер, включающий в себ управл емый генератор, элемент И, блок пам ти, цифровой индикатор , рабочий счетчик и делитель частоты , вход которого соединен с выходом управл емого генератора, а вы11

ход подключен к первому входу элемента И, входу нулевой установки рабочего счетчика и входу записи блока пам ти, выход которого подключен к блоку цифровой индикации, а входы соединены с выходами рабочего счетчика , счетный вход которого подключен к выходу элемента И, второй вход которого соединен с выходом дешифратора , отличающийс тем, что, с целью повышени точности измерени , в него введены формировател переднего фронта импульсов, два элемента ИЛИ, инвертор, триггер, дифференциальный усилитель посто нного тока, интегратор, формирователь заднего фронта импульсов, три элемента И и второй счетчик импульсов, .счетный вход которого соединен с выходом управл емого генератора цифрового частотомера, вход нулевой установки подключен к выходу первого элемента И, а выход через формирователь заднего фронта импульсов подключен к первым входам второго эле

10

jj 9051612

мента И и первого элемента ИЛИ, вторые входы которых подключены к формирователю переднего фронта импульсов, а выходы соответственно подключены К первому входу второго элемента ИЛИ и счетному входу триггера, вход I установки нул которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, а выход подключен к первым входам третьего и четвертого элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с выходом и входом инвертора, соединенным с входом формировател переднего фронта импульсов, выходом дешифратора, а выход первого элемента И соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, при этом входы дифференциального усилител посто нного тока соединены соответственно с выходами третьего и четвертого элементов И, а выход подклочен к входу интегратора, выход которого подключен к управл ющему входу управл емого геиератора цифрового частотомера .

20

25