цифровой термометр
Классы МПК: | G01K7/32 с использованием изменения резонансной частоты кристаллов |
Автор(ы): | Буренева О.И., Сафьянников Н.М. |
Патентообладатель(и): | Сафьянников Николай Михайлович |
Приоритеты: |
подача заявки:
2002-06-10 публикация патента:
27.06.2003 |
Изобретение может быть использовано при построении цифровых термометров, работающих с термопреобразователями, имеющими частотный выходной сигнал. Цифровой термометр содержит термопреобразователь с частотным выходом, первый и второй генераторы частот, реверсивный и суммирующий счетчики, три элемента И, триггер, блок индикации и преобразователи частоты в код и кода в частоту. В устройство также введен регистр, кодовый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, прямой динамический вход записи - с выходом триггера, а выход - с кодовым входом преобразователя кода в частоту. Техническим результатом является повышение быстродействия цифрового термометра. 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
Цифровой термометр, содержащий термопреобразователь с частотным выходом, первый и второй генераторы частот, реверсивный и суммирующий счетчики, три элемента И, триггер, блок индикации, преобразователи частоты в код и кода в частоту, причем выход термопреобразователя соединен с установочным входом триггера, сбрасывающий вход которого, подключен к выходу переноса суммирующего счетчика, соединенного счетным входом с выходом первого элемента И, первый вход которого соединен с выходом первого генератора частоты, а второй - с выходом триггера и со вторыми входами второго и третьего элементов И, причем первые входы этих элементов И соединены соответственно второго - с выходом второго генератора частоты и с опорным частотным входом преобразователя кода в частоту, а третьего - с выходом преобразователя кода в частоту и с вычитающим входом реверсивного счетчика, суммирующий вход этого счетчика подключен к выходу второго элемента И, а выход третьего элемента И соединен со входом преобразователя частоты в код, выход которого подсоединен ко входу блока индикации, отличающийся тем, что в устройство введен регистр, кодовый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, прямой динамический вход записи - с выходом триггера, а выход - с кодовым входом преобразователя кода в частоту.Описание изобретения к патенту
Изобретение касается температурных измерений и предназначено для работы с термопреобразователями с частотным выходным сигналом, у которых выходная частота F связана с температурой to зависимостью

где F(to) - выходная частота термопреобразователя;
to - температура;
а - постоянный коэффициент. Импульсный сигнал с выхода термопреобразователя благодаря квадратичной функциональной характеристике термометра
N=F(to)2F2k2

при выполнении условия
a=F2k2

без методической погрешности однозначно связан с измеряемой температурой
N=to. Здесь:
F1 и F2 - частоты импульсных последовательностей с выходов первого и второго генераторов частот;
k - коэффициент деления счетчика 5;


Цифровой термометр работает следующим образом. Пусть в начальный момент времени счетчики 4, 5 и регистр 13 обнулены, генераторы частот 2 и 3 вырабатывают импульсные последовательности с частотами F1 и F2, термопреобразователь 1 вырабатывает частоту F(to). Первый импульс с выхода термопреобразователя 1 поступает на установочный вход триггера 9, устанавливая его в единицу. Появление единичного уровня на выходе триггера 9 инициирует запись нулевого кода из счетчика 4 в регистр 13, а фиксация этого уровня обеспечивает прохождение через элемент И 6 импульсов, следующих с частотой F1, с выхода генератора частоты 2 на счетный вход счетчика 5 и через элемент И 7 импульсов, следующих с частотой F2, с выхода генератора частоты 3 на суммирующий вход реверсивного счетчика 4. Нулевой код, содержащейся в регистре 13, обуславливает отсутствие импульсов на выходе преобразователя кода в частоту 12, поэтому на вычитающий вход реверсивного счетчика 4 и на вход преобразователя частоты в код 11 импульсы не поступают. В момент, когда в счетчике 5 возникнет переполнение, сигнал переноса сбросит триггер 9, что приведет к блокировке поступления импульсов с выхода генератора частоты 2 на счетный вход счетчика 5 и импульсов с выхода генератора частоты 3 на суммирующий вход реверсивного счетчика 4. Это состояние устройства будет сохраняться до появления следующего импульса с выхода термопреобразователя 1. Следующий импульс с выхода термопреобразователя 1 поступает на установочный вход триггера 9, устанавливая его в единицу. Появление единичного уровня на выходе триггера, как и в предыдущем случае, инициирует запись накопленного кода из счетчика 4 в регистр 13. Зафиксированный единичный уровень на выходе триггера 9 обеспечивает прохождение импульсов с выхода генератора частоты 2 на счетный вход счетчика 5, импульсов с выхода генератора частоты 3 на суммирующий вход реверсивного счетчика 4 и, кроме того, прохождение импульсов с выхода преобразователя кода в частоту 12 на вход преобразователя частоты в код 11 через элемент И 8. Код, формируемый преобразователем частоты в код 11, индицируется блоком индикации 10. На вычитающий вход реверсивного счетчика 4 поступают импульсы, вырабатываемые преобразователем кода в частоту 12 под воздействием кода, содержащегося в регистре 13, и импульсов, следующих с частотой F2, с выхода генератора частоты 3. В момент, когда в счетчике 5 возникнет переполнение, сигнал переноса сбросит триггер 9, что приведет к блокировке поступления импульсов с выхода генератора частоты 2 на счетный вход счетчика 5, импульсов с выхода генератора частоты 3 на суммирующий вход реверсивного счетчика 4, а также импульсов с выхода преобразователя кода в частоту 12 на вход преобразователя частоты в код 11. Это состояние устройства будет сохраняться до появления следующего импульса с выхода термопреобразователя 1. С приходом очередного импульса с выхода термопреобразователя 1 процесс повторяется. Принцип действия цифрового термометра основан на модуляции опорной частотно-импульсной последовательности широтно-импульсными сигналами с постоянной длительностью и изменяющимся в зависимости от входного сигнала периодом, определяющим время срабатывания запоминающей обратной связи, с целью выработки и автоматической компенсации сигнала рассогласования устройства при получении линеаризирующей квадратичной зависимости, что обеспечивает быстрое отслеживание изменений входных данных при формировании результата. Наличие в устройстве отрицательной обратной связи обеспечивает выход в режим установившегося динамического равновесия, характеризующийся равенством количества импульсов, приходящих на суммирующий N+ и на вычитающий N- входы реверсивного счетчика 4 в течение временного интервала

где F+ и F- - средние значения частот импульсных последовательностей на суммирующем и вычитающим входах счетчика 4 соответственно. Среднее значение частоты импульсной последовательности на суммирующем входе счетчика 4 за период сигнала от термодатчика определяется следующим образом
F+=F2

где

F-=F2NRG/2n,
где NRG - входной код преобразователя кода в частоту 12, снимаемый с выхода регистра 13,
n - разрядность преобразователя кода в частоту 12 и регистра 13. В установившемся режиме количество импульсов, пришедших на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика в течение времени

F2

или

При этом на выходе преобразователя кода в частоту 12 будет формироваться импульсная последовательность с частотой F12, модулирование которой сигналом, снимаемым с выхода триггера 9, позволит получить результирующую импульсную последовательность со средним значением частоты за период сигнала от термодатчика
Fвых=F12

или с учетом характеристики преобразователя кода в частоту 12
Fвых=

Fвых = F2

Разрядность n преобразователя кода в частоту 12, регистра 13 и реверсивного счетчика 4 определяют точность преобразований. Таким образом, значение опорной частоты F2 задается исходя из разрядностей указанных элементов и с учетом минимального значения частоты термопреобразователя 1
F2

Относительная длительность





Fвых=F2F(to)2(k/F1)2. Таким образом код, формируемый преобразователем частоты в код 11, в течение времени

N=F2F(to)2

или
N=aF(to)2,
где a=F2k2

NСТ(



где NRG0 - начальное значение выходного кода, снимаемое с регистра 13. Запись содержимого счетчика 4 в регистр 13 осуществляется в начале каждого периода по переднему фронту широтно-модулированного сигнала, и полученный код неизменно присутствует на выходе регистра 13 в течение всего периода
NRG1=NRG0[1-F2/2nF(to)]+

NCT(





NCT(



NCT(




Это возможно при выполнении следующего условия
|1-F2/2nF(to)|<1,
2n+1F(to)>F2>0. Учитывая, что для обеспечения работоспособности устройства с необходимой точностью исходно задается более жесткое ограничение (4), результат преобразований достигается всегда. При этом достижение результата происходит всегда быстрее, чем у прототипа. В предлагаемом устройстве действие обратной связи для текущего периода i+1 основано только на итоговых значениях предыдущего i-го периода, которые фиксируются и удерживаются в течение всего текущего периода. При этом текущее состояние счетчика 5 не оказывает влияние на обратную связь, и приращение кода на счетчике к концу периода i+1 будет описываться выражением



где



где


1. Авторское свидетельство СССР 1229604. В.Л. Котляров, Клаус Циммерман. Цифровой термометр, кл. G 01 К 7/32, опубликовано 1986 г., бюллютень 17. 2. Авторское свидетельство СССР 1520360. А.И. Гулин, С.В. Забелина, Н. М. Сафьянников и Е.П. Угрюмов. Цифровой термометр, кл. G 01 К 7/32, заявлено 1987 г., опубликовано 1989 г., бюллютень 41, прототип.
Класс G01K7/32 с использованием изменения резонансной частоты кристаллов