ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ
TEMPERATURE CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано, в частности, в термометрии.
Известен преобразователь температуры с частотным выходом (патент RU №2115896, кл. G01K 7/16), содержащий генератор, выполненный на двух операционных усилителях и снабженный частотно-задающей цепочкой, включающей в себя соединенные электрически последовательно терморезистор и три резистора, а также трехканальный коммутатор, выполненный с возможностью изменения способа подключения частотно-задающей цепочки.
Недостатками данного преобразователя являются использование внешнего устройства для управления коммутатором и наличие дополнительных проводников для подачи управляющего сигнала от такого внешнего устройства.
Известен также преобразователь температуры в частоту (патент RU №2200304, кл. G01K 7/16), принятый за прототип, включающий в себя генератор с частотно-задающей цепочкой, в состав которой входят включенные электрически последовательно терморезистор и несколько резисторов, а также коммутатор с возможностью изменения способа подключения частотно-задающей цепочки, дополнительно снабженный устройством управления коммутатором, выполненным в виде последовательно соединенных первого счетчика и второго счетчика по модулю три, причем вход первого счетчика подключен к выходу преобразователя, а выходы счетчика по модулю три подключены к управляющим входам коммутатора.
Недостатком прототипа является сложность измерения динамических параметров преобразователя температуры, представленных частотами следования импульсов в форме непрерывно следующих пачек импульсов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение измерений путем цифровой индикации контролируемых параметров, необходимых для расчета определяемой температуры.
В предлагаемом преобразователе температуры, содержащем генератор с частотно-задающей цепочкой, в состав которой входят включенные электрически последовательно терморезистор, первый, второй и третий резисторы, а также коммутатор с возможностью изменения способа подключения частотно-задающей цепочки и устройство управления коммутатором, выполненное в виде последовательно соединенных первого счетчика и второго счетчика по модулю три, причем вход первого счетчика подключен к выходу преобразователя, а выходы счетчика по модулю три подключены к управляющим входам коммутатора, дополнительно снабженным двумя реверсивными счетчиками импульсов, одним суммирующим счетчиком импульсов, четырьмя буферными запоминающими устройствами, генератором опорной частоты и логической схемой «И», при этом выходы счетчика по модулю три подключены первым выходом к суммирующему входу первого реверсивного счетчика и установочному входу первого буферного запоминающего устройства, вход которого связан с кодовым выходом этого счетчика, вторым выходом - к вычитающему входу первого реверсивного счетчика и его установочному входу, а также суммирующему входу второго реверсивного счетчика, при этом кодовый вход второго буферного запоминающего устройства связан с выходом первого реверсивного счетчика, а кодовый вход третьего буферного запоминающего устройства - с выходом второго реверсивного счетчика, третьим выходом - к вычитающему входу второго реверсивного счетчика и его установочному входу, а также через второй вход схемы «И» соединен с суммирующим входом второго введенного суммирующего счетчика импульсов и его установочным входом, кодовый выход этого счетчика соединен с входом четвертого буферного запоминающего устройства, причем выход генератора опорной частоты подключен к первому входу схемы «И» и счетным входам первого и второго реверсивных счетчиков импульсов.
На фигуре представлена схема преобразователя температуры.
Преобразователь температуры содержит операционные усилители 1 и 2, резистор 3, соединяющий выход операционного усилителя 1 с инвертирующим входом операционного усилителя 2, конденсатор 4, включенный в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 2, коммутатор 5, терморезистор 6 и резисторы первый 7, второй 8 и третий 9, включенные последовательно, точки соединений А, В, С которых поочередно подключаются с помощью коммутатора 5 к неинвертирующему входу усилителя 1, к выходу которого, являющемуся также контрольным выходом преобразователя температуры, подключен вход счетчика 10, выход которого соединен со счетчиком 11 по модулю три, выходы которого в свою очередь подключены к управляющим входам коммутатора 5, при этом выходы счетчика 11 по модулю три подключены первым выходом к суммирующему входу первого реверсивного счетчика 12 и установочному входу первого буферного запоминающего устройства 13, вход которого связан с кодовым выходом этого счетчика, вторым выходом - к вычитающему входу первого реверсивного счетчика 12 и его установочному входу, а также суммирующему входу второго реверсивного счетчика 14, при этом кодовый вход второго буферного запоминающего устройства 15 связан с выходом первого реверсивного счетчика 12, а кодовый вход третьего буферного запоминающего устройства 16 - с выходом второго реверсивного счетчика 14, третьим выходом - к вычитающему входу второго реверсивного счетчика 14 и его установочному входу, а также через второй вход схемы «И» 17 соединен с суммирующим входом счетчика импульсов 18 и его установочным входом, кодовый выход этого счетчика соединен с входом четвертого буферного запоминающего устройства 19, причем выход генератора опорной частоты 20 подключен к первому входу схемы «И» 17 и счетным входам первого и второго реверсивных счетчиков импульсов 12 и 14.
Устройство для измерения температуры работает следующим образом.
В положении, когда в коммутаторе 5 включен первый канал, преобразователь генерирует сигнал, частота которого равна:
0
где а - коэффициент, учитывающий неидеальность операционных усилителей, в частности, временные задержки;
1
1
1
1
1
а=1/(4RC) - коэффициент чувствительности, зависящий от емкости С конденсатора 4 и сопротивления R резистора 3;
2
4
5
R, R и R - сопротивления резисторов 7, 8 и 9 соответственно;
3
R - сопротивление терморезистора 6.
Через каждые N импульсов, поступающих с выхода операционного усилителя 1 на вход счетчика 10, на выходе данного счетчика генерируется импульс, переключающий положение счетчика 11 по модулю три и, следовательно, коммутатора 5, причем число импульсов N есть коэффициент деления счетчика 10. При включении второго и третьего каналов в коммутаторе 5 преобразователь генерирует сигнал, частота которого соответственно будет равна для второго и третьего положений:
0
1
2
Таким образом, на выходе операционного усилителя 1 генерируется три пачки импульсов с частотами F, F, F, причем в каждой пачке число импульсов строго равно N.
0
1
Нестабильность данного датчика можно определить как изменения коэффициентов а, а под действием дестабилизирующих факторов, в качестве которых может выступать долговременная (в течение нескольких лет) нестабильность параметров электрических элементов, влияние изменения напряжения питания, изменение емкости конденсатора 4 под действием температуры и т.д.
0
1
Таким образом, точность измерения температуры можно повысить, контролируя и учитывая значения коэффициентов а, а.
Сопротивление терморезистора 6 в произвольный момент времени:
0
где К - коэффициент, равный:
При представлении частот соответствующими периодами формула (5) преобразуется к виду:
3
По значению сопротивления R определяют температуру Т по формуле:
0
где R - сопротивление терморезистора при нулевой температуре;
α - температурный коэффициент терморезистора.
0
1
1
0
1
2
2
1
2
2
В момент появления на выходе счетчика 10 импульса, переключающего счетчик 11 по модулю три в состояние, когда включен первый канал коммутатора 5, фронтом данного импульса происходит переключение реверсивного счетчика 12 в режим счета импульсов опорной частоты в течение времени NT, а спадом - запись значения на кодовом выходе реверсивного счетчика 12 в буферное запоминающее устройство 13. При переключении счетчика 10 в состояние, в котором включен второй канал коммутатора 5, фронтом импульса со второго выхода счетчика 11 по модулю три происходит переключение реверсивного счетчика 12 в режим вычитания импульсов опорной частоты в течение времени NT и одновременно переключение реверсивного счетчика 14 в режим счета импульсов опорной частоты в течение времени NT, спадом импульса со второго выхода счетчика 11 по модулю три происходит запись в буферное запоминающее устройство 15 значения N(T-T) с последующим обнулением реверсивного счетчика 12 (блок задержки на чертеже условно не показан). При переключении счетчика 10 в состояние, в котором включен третий канал коммутатора 5, фронтом импульса с третьего выхода счетчика 11 по модулю три происходит переключение реверсивного счетчика 14 в режим вычитания импульсов опорной частоты в течение времени NT и одновременно включение логического элемента «И» 17, с выхода которого происходит подача импульсов опорной частоты на счетный вход счетчика 18 в течение времени NT. Спадом импульса с третьего выхода счетчика 11 по модулю три происходит запись в буферные запоминающие устройства 16 и 19 значений N(T-T) и NT соответственно с последующим обнулением реверсивного счетчика 14 и суммирующего счетчика 18 (блоки задержки на чертеже условно не показаны).
0
Определение коэффициента К по формуле (6) может быть осуществлено на основании информации, представленной в цифровом виде и записанной в буферные запоминающие устройства 13, 15, 16, 19.
3
4
5
Рассчитанное значение R на основании (4) зависит только от величин сопротивлений R и R, которые следует выбирать прецизионными в отличие от других элементов схемы.
0
Значение N выбирается из длительности интервалов времени на входах 1, 2, 3 (или 1', 2', 3') коммутатора 5. При этом на значении коэффициента К в формуле (6) количество импульсов не отражается. Временные интервалы на входах 1', 2', 3' прямо пропорциональны числу N и в формуле (6) сокращаются.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет производить измерение температуры с цифровой индикацией контролируемых параметров преобразователя, необходимых для выполнения расчетов.